農業(yè)物聯網種植技術分析

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1物聯網技術的概念

物聯網是指把世界上所有的物體都聯接到一個網絡中，形成“物聯網”,然后“物聯網”又與現有的互聯網結合,實現人類社會與物理系統的整合，達到更加精細和動態(tài)的方式管理生產和生活。它主要通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡手段。

2國外物聯網技術的發(fā)展概況及在設施農業(yè)種植中的應用

2.1國外物聯網技術的發(fā)展概況

國外在20世紀后期就已經開發(fā)了基于網絡化、分布式的溫室環(huán)境控制系統。日本四國電力集團開發(fā)了“OpenPlannet,OP”雙向遠程監(jiān)控系統，利用基于以太網的嵌入式網絡技術實現了溫室環(huán)境和視頻的實時動態(tài)監(jiān)控。英國的無線系統公司開發(fā)了系列無線設備用于花園溫室或儲藏室的霜凍和入侵警報系統、遠程無線灑水系統、通風加熱控制系統等。希臘的Loukfam公司開發(fā)了基于工業(yè)計算機的溫室環(huán)境、營養(yǎng)液的綜合調控系統。美國GreenAir公司生產的GHC100模型6溫室控制器基于TCP/IP通信實現了6連棟溫室的全方位環(huán)境控制。美國Electrodepot公司生產的Abacus128型溫室控制器實現了本地或遠程的網絡化溫室環(huán)境控制。

2.2國外物聯網技術在設施農業(yè)中的應用

美國很多大學在無線傳感器網絡方面開展了大量工作,如加州大學洛杉磯分校的CENS實驗室、WINS實驗室、NESL實驗室、LECS實驗室、IRL實驗室等。另外，麻省理工學院獲得了DARPA的支持，從事著極低功耗的無線傳感器網絡方面的研究；奧本大學也獲得DARPA支持，從事了大量關于自組織傳感器網絡方面的研究，并完成了一些實驗系統的研制；賓漢頓大學計算機系統研究實驗室在移動自組織網絡協議、傳感器網絡系統的應用層設計等方面做了很多研究工作；州立克利夫蘭大學（俄亥俄州）的移動計算實驗室在基于IP的移動網絡和自組織網絡方面結合無線傳感器網絡技術進行了研究。此外新加坡國立大學的無線傳感器網絡實驗室等也開展了無線傳感器網絡方面的研究。除了高校和科研院所之外，國外的各大知名企業(yè)也都先后參與開展了無線傳感器網絡的研究?？藸査共┕臼菄H上進行無線傳感器網絡研究的先驅之一，旗下的無線傳感器網絡硬件產品眾多，為全球超過2000所高校以及上千家大型公司提供無線傳感器解決方案。目前Crossbow公司與軟件巨頭微軟、傳感器設備巨頭霍尼韋爾、硬件設備制造商英特爾、網絡設備制造巨頭、著名高校加州大學伯克利分校等都建立了合作關系。此外德州儀器、微處理器制造商Atmel等也都在傳感器網絡領域投入極大的資金和科研力量。這些都為無線傳感器網絡進一步的發(fā)展以及最終的商業(yè)化奠定了堅實的基礎。近幾年，物聯網技術在設施農業(yè)中的運用卓有成效。位于加州Oxnard的草莓培育商NorcalHar-vesting安裝整套物聯網系統，實施追中植物的狀況，系統根據空氣和土壤的狀況，自動觸發(fā)相關行為，如澆水或調節(jié)溫度。這套系統由ClimateMinder開發(fā)，目前已被二百多家溫室和苗圃所采用。此外，該系統還在土耳其一家雞場、煙草存儲廠和冷藏倉庫使用?，F在這套系統正研究應用于高爾夫球場的可能性，如追蹤澆水量及草地是否被正確澆灌。

3國內物聯網技術的發(fā)展概況及在設施農業(yè)種植中的應用

3.1物聯網技術發(fā)展歷程

物聯網最早于1999年提出，即把所有物體通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理。2005年11月17日，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會上，國際電信聯盟(ITU)了“ITU互聯網報告2005：物聯網”，正式提出了物聯網的概念。物聯網概念被提出以后，迅速風靡全世界，已成為全球矚目的關鍵詞，被業(yè)界廣泛認為是繼計算機與互聯網后的又一次信息化浪潮。在中國，2009年8月7日，國務院總理在無錫微納傳感網工程技術研發(fā)中心視察工作時表示中國要抓住機遇，大力發(fā)展物聯網技術；2009年8月26日，工信部總工程師朱宏任在中國工業(yè)經濟運行2009年夏季報告會上表示，我國也正在高度關注、重視物聯網方面的研究；2009年9月11日，工信部傳感器網絡標準化工作小組的成立，標志著我國將加快制定符合我國發(fā)展需求的傳感網技術標準，力爭主導制定傳感網國際標準。2010年3月5日在十一屆全國人大三次會議上，總理又首次在政府工作報告中要求加快物聯網的研發(fā)應用。至此，物聯網建設上升到國家戰(zhàn)略高度。

3.2物聯網技術的發(fā)展概況及研發(fā)成果

一是技術國際標準制定方面。我國物聯網技術研發(fā)水平處于世界前列，具有重大的影響力。中科院早在1999年就啟動了傳感網研究，在無線智能傳感器網絡通信技術、微型傳感器、傳感器終端機、移動基站等方面取得重大進展，目前已擁有從材料、技術、器件、系統到網絡的完整產業(yè)鏈。在世界傳感網領域中，中國、德國、美國、韓國共同成為物聯網技術國際標準制定的主導國。二是無線通信網絡方面。無線通信網絡已經覆蓋了城鄉(xiāng)，從繁華的城市到偏僻的農村，從海島到珠穆朗瑪峰，到處都有無線網絡的覆蓋。無線網絡是實現“物聯網”必不可少的基礎設施，安置在動物、植物、機器和物品上的電子介質產生的數字信號可隨時隨地通過無處不在的無線網絡傳送出去。三是無線傳感網絡軟件方面。國內在基于國外的操作系統之上，開發(fā)自己的中間件軟件。實現了對MantisOS、TinyOS和SOS多操作系統的支持，屏蔽了不同操作系統的差異性，同時擴大了硬件節(jié)點的選擇范圍?！霸朴嬎恪奔夹g的運用，使數以億計的各類物品的實時動態(tài)管理變得可能。四是技術理論研究方面。國內研究機構對無線傳感器網絡網絡協議、算法、體系結構等方面，提出了許多具有創(chuàng)新性的想法與理論。在這方面，國內的南京郵電大學、哈爾濱工業(yè)大學、清華大學、上海交通大學、北京郵電大學等都取得了一些相關的理論研究成果。

4新疆物聯網技術在設施農業(yè)種植中的應用

4.1新疆物聯網技術在設施農業(yè)種植下的應用情況

在傳統農業(yè)中，人們獲取農田信息的方式很有限，主要是通過人工測量，獲取過程需要消耗大量的人力，而通過使用無線傳感器網絡可以有效降低人力消耗和對農田環(huán)境的影響，獲取精確的作物環(huán)境和作物信息。在現代農業(yè)中，大量的傳感器節(jié)點構成了一張張功能各異的監(jiān)控網絡，通過各種傳感器采集信息，可以幫助農民及時發(fā)現問題，并且準確地捕捉發(fā)生問題的位置。這樣一來，農業(yè)逐漸從以人力為中心、依賴于孤立機械的生產模式轉向以信息和軟件為中心的生產模式，從而大量使用各種自動化、智能化、遠程控制的生產設備，促進了農業(yè)發(fā)展方式的轉變。目前我區(qū)設施農業(yè)生產由于缺乏相應的智能化技術與設備，使得設施農業(yè)栽培技術和管理技術手段落后，無法實現設施農業(yè)精準化、自動化生產，設施農業(yè)智能化規(guī)模效益沒有形成。要實現高水平的農業(yè)，實現我國農業(yè)向精細化、集約化方向發(fā)展，利用科技進步，特別是重視信息技術在農業(yè)領域的應用至關重要。實現物聯網技術在農業(yè)領域中的應用是改善我國農業(yè)生產手段、提高農業(yè)生產效率和生產水平的有益嘗試。物聯網技術在農業(yè)中的應用，既能改變粗放的農業(yè)經營管理方式，也能提高動植物疫情疫病防控能力，確保農產品質量安全，引領現代農業(yè)發(fā)展。推動農業(yè)專業(yè)人才向農業(yè)加IT復合型人才轉變，為以后運行維護和改良改善打下堅實的基礎。

4.2新疆制約設施農業(yè)種植應用物聯網技術的因素及問題

(1)設施農業(yè)科技含量低，技術水平低下。設施農業(yè)是借助溫室及其配套裝置來調節(jié)和控制作物生產環(huán)境條件的新農業(yè)生產方式，是高產、高效、優(yōu)質和技術密集型的農業(yè)。近年來，國外如以色列、荷蘭等國在設施農業(yè)中研究和生產方面已達到很高水平。塑料大棚和日光溫室為主體的設施農業(yè)正迅速發(fā)展，但與國外相比，新疆地區(qū)設施農業(yè)普遍存在科技含量低、勞動強度大、生產水平和效益低下等缺點。因此，迫切需要技術改進，以提高設施農業(yè)發(fā)展的整體水平。

(2)信息化程度低，產業(yè)鏈不完善，從事研發(fā)、生產、應用、服務的機構和企業(yè)很少。新疆地區(qū)信息化的建設相對滯后，多數的研究是在實驗中完成的，沒有同實踐相結合，因此缺乏適用性。信息產品的研究是影響農業(yè)信息化發(fā)展的一個最主要因素，缺乏適用的軟件，應用時間短等因素使管理層面還沒有體會到信息技術帶來的效益，這在很大程度上影響了決策層的積極性。信息意識談薄、人員素質參差不齊也是影響信息化建設的一個重要方面，由于農業(yè)整體發(fā)展水平限制，條件艱苦等導致行業(yè)中十分缺乏經過正規(guī)教育的專業(yè)人才。

(3)信息資源共享不夠，物聯網成熟技術的先行先試推廣應用比較困難。物聯網本身標準制定工作滯后，不同企業(yè)同一技術產品不能互聯互通，影響到先進技術推廣應用的規(guī)模效益。

(4)物聯網信息安全技術和管理能力有待提升。使用無線識別智能設備時，數據泄漏、數據共享和無線監(jiān)聽的可能性和風險會上升。

5設施農業(yè)種植中物聯網技術的發(fā)展趨勢

5.1市場現狀及應用前景

要實現高水平的設施農業(yè)，實現我國農業(yè)向精細化、集約化方向發(fā)展，必須利用科技進步，特別是重視信息技術在農業(yè)領域的應用至關重要。實現物聯網技術在農業(yè)領域中的應用是改善我國農業(yè)生產手段、提高農業(yè)生產效率和生產水平的有益嘗試。物聯網技術在農業(yè)中的應用，既能改變粗放的農業(yè)經營管理方式，也能提高動植物疫情疫病防控能力，確保農產品質量安全，引領現代農業(yè)發(fā)展在現代化溫室栽培領域，物聯網技術精確地呵護果蔬和作物的秧苗。在這個過程中，溫度傳感器、濕度傳感器、pH值傳感器、光傳感器、離子傳感器、生物傳感器、CO2傳感器等設備，檢測環(huán)境中的溫度、相對濕度、pH值、光照強度、土壤養(yǎng)分、CO2濃度等物理量參數，通過各種儀器儀表實時顯示或作為自動控制的參變量參與到自動控制中，保證農作物有一個良好的、適宜的生長環(huán)境。在果蔬和糧食的儲藏中，溫度傳感器發(fā)揮著巨大的作用，制冷機根據冷庫內溫度傳感器的實時參數值實施自動控制并且保持該溫度的相對穩(wěn)定。由此可見，物聯網在農業(yè)領域具有廣闊應用前景，在農田、果園等大規(guī)模生產方面可借助物聯網技術把農業(yè)小環(huán)境的溫度、濕度、光照、降雨量等，土壤的有機質含量、溫濕度、重金屬含量、PH值等，以及植物生長特征等信息進行實時獲取傳輸并利用，而這對于科學施肥、灌溉作業(yè)來說具有非常重要的意義，已成為目前農業(yè)物聯網研究領域最主要的課題之一。

5.2效益分析

近年來，隨著智能農業(yè)、精準農業(yè)的發(fā)展，智能感知芯片、移動嵌入式系統等物聯網技術在現代農業(yè)中的應用逐步拓寬。在監(jiān)視農作物灌溉情況、土壤空氣變更、畜禽的環(huán)境狀況以及大面積的地表檢測，收集溫度，濕度，風力，大氣，降雨量，有關土地的濕度、氮濃縮量和土壤pH值等方面，物聯網技術正在發(fā)揮出越來越大的作用，從而實現科學監(jiān)測、科學種植，幫助農民抗災、減災，提高農業(yè)綜合效益，促進了現代農業(yè)的轉型升級。將物聯網布設于農田、園林、溫室等目標區(qū)域，網絡節(jié)點大量實時地采集溫度、濕度、光照、氣體濃度等環(huán)境信息，精準地獲取土壤水分、壓實程度、電導率、pH值、氮素等土壤信息，這些信息在數據匯聚節(jié)點匯集，為精確調控提供了可靠依據。網絡對匯集的數據進行分析，幫助生產者有針對地投放農業(yè)生產資料，智能地控制溫度、光照、換氣等動作，從而更好地實現耕地資源的合理高效利用和農業(yè)的現代化精準管理，推進我國耕地資源的高效管理和利用、農田管理水平和農業(yè)生產效能的提升。將物聯網技術應用于設施農業(yè)不僅具有重要的經濟效益，而且其獲取的詳細耕作信息有助于解決許多未知問題，不僅能減少溫室污染物排放，還降低病蟲害發(fā)生率10—20%，降低溫室生產成本30%以上，提高農民勞動生產率30%以上，提高溫室經濟效益20%以上?？蓮V泛應用于蔬菜、林果業(yè)、中藥材種植、食用菌培養(yǎng)和牲畜養(yǎng)殖業(yè)，是實現自治區(qū)“十二五”設施農業(yè)發(fā)展目標的關鍵技術。