農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策研究_葛文杰

1、2014年7月農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)第45卷第7期doi:106041jissn10001298201407035農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策研究葛文杰1趙春江2，3(1黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶1633192北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京1000973農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100097)摘要:農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的高度集成和綜合運(yùn)用，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展具有重要引領(lǐng)作用，改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)

2、向智能化、精細(xì)化方向的轉(zhuǎn)變。本文對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)概念和技術(shù)體系構(gòu)成進(jìn)行了分析，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)、通訊傳輸技術(shù)和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展，分析了我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要問題，從研究重點(diǎn)、發(fā)展布局、推進(jìn)路徑、應(yīng)用模式和可持續(xù)發(fā)展機(jī)制等方面，提出了我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展的對(duì)策。關(guān)鍵詞:農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展對(duì)策中圖分類號(hào):S126文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10001298(2014)07022209收稿日期:20140507修回日

3、期:20140601國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61134011)和北京農(nóng)科院創(chuàng)新能力建設(shè)資助項(xiàng)目(KJCX20140203)作者簡(jiǎn)介:葛文杰，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)集成技術(shù)應(yīng)用研究，Email:gewenjie0621@163com通訊作者:趙春江，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究，Email:zhaocj@nercitagcn引言物聯(lián)網(wǎng)概念于1999年由美國(guó)麻省理工學(xué)院提出［1］。2008年底，IBM向美國(guó)政府提

4、出“智慧地球”戰(zhàn)略后，物聯(lián)網(wǎng)迅速得到很多國(guó)家的高度關(guān)注［2］。2009年，歐盟提出“物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃”，日本政府啟動(dòng)“iJapan戰(zhàn)略2015”，韓國(guó)頒布《物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建基本規(guī)劃》［3］。我國(guó)高度重視物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，將物聯(lián)網(wǎng)作為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的一項(xiàng)重要組成內(nèi)容，采取了多項(xiàng)政策性措施全面推動(dòng)其在各行業(yè)應(yīng)用發(fā)展［4－5］。2013年，國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》，并啟動(dòng)實(shí)施包括頂層設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)制定、技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用推

5、廣、產(chǎn)業(yè)支撐、商業(yè)模式、安全保障、政策法規(guī)和人才培養(yǎng)等方面的10個(gè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃。農(nóng)業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理、服務(wù)全產(chǎn)業(yè)鏈的深度融合，對(duì)改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、提升農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平具有重要意義［3－7］。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是指通過農(nóng)業(yè)信息感知設(shè)備，按照約定協(xié)議，把農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中動(dòng)植物生命體、環(huán)境要素、生產(chǎn)工具等物理部件和各種虛擬“物件”與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)對(duì)象和過程智能化識(shí)別、定位、跟蹤、

6、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)“人機(jī)物”一體化互聯(lián)，可幫助人類以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式認(rèn)知、管理和控制農(nóng)業(yè)中各要素、各過程和各系統(tǒng)，極大提升人類對(duì)農(nóng)業(yè)動(dòng)植物生命本質(zhì)的認(rèn)知能力、農(nóng)業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)的調(diào)控能力和農(nóng)業(yè)突發(fā)事件的處理能力。目前，世界范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究廣泛深入，但應(yīng)用上總體處于試驗(yàn)示范階段，本文對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀、問題和發(fā)展對(duì)策進(jìn)行探討［3，5］。1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究進(jìn)展1.1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組成農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)由感知層、傳輸層和

7、應(yīng)用層構(gòu)成(如圖1)［6］。其中感知層由各種感知器和傳感器節(jié)點(diǎn)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤水分、苗情長(zhǎng)勢(shì)等農(nóng)業(yè)對(duì)象或動(dòng)植物行為等過程的信息獲取傳輸層主要是將感知層獲取的各類數(shù)據(jù)信息，通過有線或無(wú)線方式傳輸?shù)綉?yīng)用層應(yīng)用層主要進(jìn)行信息處理、建模和決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的管理控制［6］。1.2農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)感知技術(shù)是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵，傳感器是感知技術(shù)的核心［6］。近年來(lái)，農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)發(fā)展很快(表1)，概括起來(lái)主要包括農(nóng)業(yè)環(huán)境傳感器［8－32］和農(nóng)

8、業(yè)動(dòng)植物本體(生命)信息傳感器［8，33－53］。目前，光溫水氣熱等常規(guī)環(huán)境傳感器已比較成熟，土壤傳感器是研究的重點(diǎn)［7］。從原理方法上，電子和電磁學(xué)方法用于測(cè)量土壤電阻、電導(dǎo)率、電容等參數(shù)，但受土壤組成影響較大［9，13，19］通過電磁波測(cè)量土壤續(xù)表1分類測(cè)量信息采用測(cè)量原理方法成熟度代表性產(chǎn)品農(nóng)作物生命信息傳感器［33，36，40－43，48－50］葉片溫度冠層溫度葉片濕度作物氮素離子濃度有機(jī)活性分子病害信息蟲害信息莖稈強(qiáng)度種子活力

9、果實(shí)膨大莖稈微變化根系生長(zhǎng)光合呼吸蒸騰速率葉面積指數(shù)歸一化植被指數(shù)劍葉夾角畝穗數(shù)穗粒數(shù)小穗數(shù)稻瘟病孢子生物量植株含水量莖稈直徑氣孔導(dǎo)度作物葉綠素?zé)犭妼W(xué)熱電學(xué)，光學(xué)(熱紅外)電磁學(xué)光學(xué)(熒光)電化學(xué)電化學(xué)(生物傳感)光學(xué)(遙感尺度)光學(xué)(光子計(jì)數(shù))，光學(xué)遙感電子與電磁學(xué)電子與電磁學(xué)(介電頻譜)機(jī)械學(xué)(位移傳感)機(jī)械學(xué)(位移傳感)射線成像電子學(xué)，機(jī)械學(xué)，光學(xué)光學(xué)光學(xué)光學(xué)(機(jī)器視覺)光學(xué)(機(jī)器視覺)光學(xué)(機(jī)器視覺)，機(jī)電學(xué)光學(xué)，力學(xué)核磁共振學(xué)

10、機(jī)械學(xué)電子學(xué)，機(jī)械學(xué)，光學(xué)光學(xué)(透射、反射)有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)驗(yàn)室研究遙感尺度有產(chǎn)品有產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室研究有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)驗(yàn)室研究有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品SIT，PTM48SIT，PTM48SIT，PTM48LICOＲ，LAI2200TPCBⅣAHKZYMJCPHYTALKPM11zＲOOTVIZLI6400LAI2000GreenSeekerDＲDDSC1SPAD50

11、2農(nóng)業(yè)動(dòng)物生命信息傳感器［18，35，38，52－53］體溫耳溫運(yùn)動(dòng)量取食量疾病信息體重光學(xué)(熱紅外)熱電學(xué)電磁學(xué)(加速度傳感器)電磁學(xué)(加速度傳感器)介電頻譜或熒光傳感電子與電磁學(xué)無(wú)專用產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)驗(yàn)室研究有產(chǎn)品OMEGA，TQ101農(nóng)產(chǎn)品信息傳感器［8，34，37，39，44－45，51］顏色大小形狀在線檢測(cè)色度計(jì)組分含量(糖度酸度硬度內(nèi)部缺陷等)在線檢測(cè)糖度計(jì)酸度計(jì)硬度計(jì)缺陷損傷病害在線檢測(cè)新鮮度成熟度農(nóng)藥重金屬殘留

12、光學(xué)(機(jī)器視覺)光學(xué)光學(xué)(近紅外光譜)光學(xué)電化學(xué)機(jī)械學(xué)光學(xué)(機(jī)器視覺光譜成像)電化學(xué)(氣味傳感)光學(xué)(拉曼光譜)有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)驗(yàn)室研究InVision5000MINOLTACL200ATasteTechT1NirecoImes950Arias500METTLEＲTOLEDOFE20TAXTplusInVision7000＆9000AirsensePEN3LabＲAMＲamTracer涉農(nóng)其他傳感器

13、［12，15，30］位置識(shí)別物體識(shí)別壓力信息電子與電磁學(xué)電子與電磁學(xué)電子與電磁學(xué)有產(chǎn)品有產(chǎn)品有產(chǎn)品美國(guó)天寶，JunoSCDEMATICMettlerToledo，SBC電磁反射或吸收能量水平的方法可對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量［10，13，29］電化學(xué)方法(通過離子選擇性膜電極與被測(cè)離子溶液間的電位輸出)可測(cè)量土壤中的某些離子，但需依賴一定的制樣過程［13］。由于土壤的組成復(fù)雜、物理化學(xué)性質(zhì)各異，土壤氮素的快速和原位測(cè)量傳感器是國(guó)際