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关于物联网技术在设施农业中的应用研究

2016-12-02 09:20 长春市农业信息中心 信息中心

摘要:我国是农业大国,农业始终是国民经济的基础。实现农业持续稳定发展,长期确保农产品的有效供给,根本出路在于利用农业高新科技发展现代农业。近几年来,随着物联网技术的逐步应用,带来了精准

我国是农业大国,农业始终是国民经济的基础。实现农业持续稳定发展,长期确保农产品的有效供给,根本出路在于利用农业高新科技发展现代农业。近几年来,随着物联网技术的逐步应用,带来了精准、便捷、高效的环境控制方法。设施农业是通过设施设备对环境进行控制,而物联网技术能够为设施农业的环境精准控制提供很好的解决方案。对物联网技术在设施农业中应用进行调研,了解我市物联网技术在设施农业中的应用和产品开发现状,促进物联网技术在设施

农业中的应用推广,是需要我们关注的一个重要课题。

一、长春市物联网技术在设施农业中应用的基础条件分析

(一)物联网技术在设施农业生产中的含义及特点

从广义上,农业物联网一般应用是将大量的传感器节点构成监控网络, 通过各种传感器采集信息, 以帮助农民及时发现问题, 并且准确地确定发生问题的位置,这样农业将逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式,从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。其特点主要表现以下几个方面:一是在大棚控制系统中,运用物联网系统的温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光传感器、CO2传感器等设备,检测环境中的温度、相对湿度、PH值、光照强度、土壤养分、CO2浓度等物理量参数;二是通过各种仪器仪表实时显示或作为自动控制的参变量参与到自动控制中,保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境;三是远程控制的实现使技术人员在办公室就能对多个大棚的环境进行监测控制;四是采用无线网络来测量获得作物生长的最佳条件,可以为温室精准调控提供科学依据,达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。从上述农业物联网在农业生产建设中的含义和特征分析归纳,农业物联网是以感知为前提,实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络,是在物体上植入各种微型芯片,用这些传感器获取物理世界的各种信息,再通过局部的无线网络、互联网、移动通讯网等各种通信网路交互传递,从而实现对世界的感知。

(二)长春市物联网技术在设施农业中的应用现状

长春市农业物联网在信息化建设中的工作,已由起步阶段转入逐渐建设阶段。其显著特征主要表现在以下几个方面。

1、绿园区长春皓月清真肉业股份有限公司已经建设了皓月牛肉食品质量安全追溯系统平台项目。该项目以皓月集团为标杆,对长春、德惠等5个生产基地,长春皓月绿色生态育肥牛养殖基地、德惠市养殖基地、永吉县双河皓月育肥牛养殖基地等10个养殖基地,15个销售分公司、1000家销售门店进行信息化改造,实现集养殖、屠宰、分割、仓储、运输、销售全程以RFID为核心的皓月牛肉食品质量安全追溯系统,系统与长春皓月在建的ERP系统进行融合,建设接口池,实现对政府各监管部门接口、销售门店接口、对物流企业接口、对仓储企业接口、物联网终端接口、形成可为公众提供食品溯源信息查询功能、为政府提供监管元数据、为企业提供生产管理数据的全链条的牛肉溯源平台。从而推进企业智能信息化的系统管理。

2、宽城区吉林荣发生态集团-荣发都市农业采摘园是集种植蔬菜和水果、荣发农业观光园、荣发花卉、荣发种苗为一条龙的生态发展企业。园区内蔬菜、花卉等大规模生产方面都可借助物联网技术,通过设置的传感器采集数据,把农业小环境的温湿度、光照、降雨量、土壤的有机质含量、重金属含量、PH 值以及植物生长特征等信息进行实时获取传输并利用。园区内监控、生产、选种、育苗的过程也有了一套科学的管理方法,水、肥料和生物制剂的选择都是通过农业物联网技术进行严格的管理控制。随着农业现代化的快速发展,温室大棚正朝着智能化控制的方向发展。我国农业也逐渐地从传统农业向高产、优质、高效为目的的现代化农业转变。而这对于科学发展农业生产具有非常重要的意义,已成为目前农业物联网研究领域最主要的课题之一。

3、朝阳区乐山镇的金德乐公司是特色农业示范基地,占地30万公顷,大棚和温室各60栋,今年市农委补贴30万元资金,用以支持设施农业信息化物联网的建设,区政府计划给金德乐公司上这个项目,用现代化物联网的技术手段来控制大棚和温室的温湿度,植物长势等相关的情况。

4、我省在物联网技术应用方面,已开发了玉米和水稻及设施蔬菜三个产业物联网技术服务系统,正在组织开发人参产业物联网技术服务系统,已建成4个玉米和水稻产业物联网应用示范点,今年在建玉米、水稻、设施蔬菜物联网应用示范点26个,到年底物联网应用示范点数量可达82个,并选择在部分县市推广应用。目前省里与试点县市、生产主体等可通过计算机、平台大屏幕、手机等实现对相关产业的农情监控、生产信息管理、产品溯源等,并对示范点15项数据指标进行自动化采集、分析应用和预警处理。玉米产业物联网示范点,可自动采集包括视频图像、空气温湿度、土壤温湿度、降雨量、光照等14项环境数据指标,通过系统对自动采集的数据和人工录入的数据进行分析处理,实现对农情(土壤墒情、苗情、病虫情、灾情等)信息进行分析、查询、预警预报和生产指导管理,以及农产品的信息溯源。并通过平台的互联互通,共享共用,真正实现对全省农业生产的决策和指挥调度,进而促进吉林省现代农业的快速发展。

(三)农业物联网的社会需求

农业物联网是推进信息化与农业现代化交融的主要切入点,是推进我市精密农业运用于实习的主要驱动力,是农业信息化运用优先发展的范畴,将变成将来农业经济社会发展的主要方向。

1、科学栽培:经过传感器数据剖析可断定土壤适合栽培的作物种类,经过气候环境传感器能够实时收集作物成长环境数据。

2、精准操控:经过布置的各种传感器,体系迅速依照作物成长的请求对栽培基地的温湿度、二氧化碳浓度、光照强度等进行调控。

3、进步功率:与传统农业栽培方法不一样,物联网农业栽培方法可以主动完成体系智能化和长途化,比手工栽培模式更精准更高效。

4、绿色农业:传统农业很难将栽培过程中的一切监测数据完好记录下来,而物联网农业可经过各种监控传感器和网路体系将一切监控数据保存,便于农产品的追根溯源,完成农业绿色无公害产品的生产。

三、长春市物联网技术在设施农业中的应用目标及发展方向

(一)应用目标

应用传感技术、无线通信技术、计算机网络技术、专家智能分析技术、农业资源数据库技术等,在农业科技园区管理、环境监测、设施作物种植、设施动物养殖、食品加工、大田生产、安全防护等方面实现基于物联网的设施规模农业智能监控,建立物联网技术应用技术规范体系规范和标准规范,面向广大农村开展综合服务和推广应用,引领农业生产方式的转变和现代农业发展,推进农业产业化,促进农业增效、农民增收。

优先选择具备良好设施规模化条件的农业科技园区为实施示范基地,以大田作物、设施蔬菜、食用菌、规模设施动物等为实施对象,集成应用物联网实时感知与监测技术、自组织通信网络技术、智能管理决策技术、综合信息服务技术、云计算与云服务技术等,建设以物联网技术装备综合应用为显著特征、与高效集约和绿色低碳生产技术相结合的高水平智能化、产业化、标准化现代智能农业示范基地。

以构建农产品生产安全保障体系为重点目标,以国家食品安全标准为核心内容,应用物联网溯源与质量控制技术,对示范区农业资源与生长环境实施智能监控,为安全生产提供技术支撑; 对农业生产过程及农产品产后初加工、包装、物流、配送实施全程智能跟踪标识,构建从产地到餐桌全过程、从生产到消费全流程的集中管控与质量认证体系和检验检测体系,为消费者提供农产品安全保障。

(二)发展方向

1种植领域联网以引领设施作物向高产出、高效益、安全优质、低碳环保方向发展为宗旨,综合部署和集成应用信息采集识别技术、实时监测与数据传输技术、智能调控与分析处理技术等,实施作物生长过程的优化控制,协调温室大棚蔬菜生长自然环境与植物生理需求之间的矛盾,实现作物生产过程信息感知采集、传输汇聚和分析处理的智能化、精细和集约化,达到作物产值最大化、产品品质最优化的目标。

2殖领域联网用。现代畜牧业的发展特点是规模化、集约化、产业化、自动化和信息化。物联网应用为农业设施养殖业的高效、健康发展提供了前所未有的先进技术手段。通过应用研究和示范,要解决在规模精细养殖条件下,物联网应用系统架构、网络结构、生长环境感知技术、智能监控技术、溯源数据标准与管理、推广模式等,形成动物规模精细养殖物联网技术与服务体系。在动物养殖全过程中,实现传感技术、通信技术、数据处理技术的集成化应用,实现养殖资源环境的自动远程监控;对饲喂、疫病、繁殖、粪便清理等环节自动化、智能化、精准化监控,对动物产品质量可追溯。

 3、农业资环境监联网用。农业资源环境物联网应用包括影响动物、植物生长的各种自然环境因子,如空气、土壤、水体、气象等信息的检测、监测、跟踪、预警、预报等。通过应用传感识别、数据汇集、智能分析等关键技术,建立农产品生长环境质量监测与评价应用体系,通过无线传感网络部署和多源性数据处理,实现农产品产地关键性环境参数的智能采集、环境实时监控与跟踪。通过产地环境质量评估专家智能分析系统,对农产品生长过程、农产品加工直至消费环节提供质量溯源综合服务。

4、农产品加工联网用。在农产品加工企业,应用无线传感网络和计算机网络构建监控系统,对工程中心区的环境、设备的卫生状况进行严格的监控,建立安全实时可靠的农产品加工监控与警报系统。建立产品电子标签、识读、检测等标准化体系,保证农产品从产地到餐桌的安全。

5、农村信息推送服务联网集成与整合农业科技资源、信息资源、智力资源,建立基于物联网、互联网的农业科技创新与信息服务平台,面向“三农”,应用智能推送技术,推广应用科技成果,开展农村现代远程教育等信息咨询和知识服务。

6、开发能管统。应用网络技术、数据库技术、信息分析技术等,实现农业园区行政办公、安全管控、土地管理、资源调度、档案管理、人员管理、资产管理、生活管理的信息化、智能化。通过综合应用物联网自主组网技术、宽带传输技术、云服务技术、远程视频技术等,将示范区域内各类智能化应用子系统集成于一个综合平台,实现远程实时展示、监控与统一管理。

(三)制约性问题的思考

1、优质农业专业传感器的缺乏。目前我国农用传感器种类不到世界的10%,国产化率低、缺乏市场规模效应。在覆盖面、适用性等方面还有很大提升空间,国产传感器良莠不齐,性能不够稳定,使得检测数据不够准确,又没有权威的评价标准,因此农业生产者很难信赖物联网设备。

2、资金投入大,回报周期长。目前物联网技术在设施农业中的应用刚刚起步,应用情况复杂多样,设备设施不尽完善,推广应用速度较缓慢。农业物联网建设不仅一次性资金投入大,需要长期更新维护,而且回报周期长。对于普通农民来讲,物联网设备价格偏高,很难推广,只有规模经营或者高效种养殖业更有利于物联网技术的推广应用。

3技术标准难题。物联网建设需要依赖大量的传感器监测传输数据。而信息的获取、传感器与数据平台应用和人机交互接口等方面还没有出台统一的国家技术标准,厂家没有办法按照统一标准规模化生产,终端成本降不下来,已成为制约物联网在农业中推广的重要因素。

4、多部门协同合作问题。物联网技术在农业上的应用是一个涉及面广泛的复杂的系统工程,农业物联网采集的信息广泛,需要气象、环境、检验等部门和政府、企业、农户等进行大量信息的传递、共享和分析。如何保证物联网在不同的环节都可以建立信息采集点, 有效整合多部门的信息及功能是农业物联网需要解决的关键问题之一。

5、商业模式问题。目前,农业物联网应用主要有3种模式:运营企业做的示范性项目,由运营企业买单;农业主管部门推动的项目,由农业主管部门买单;一些有需求的大型农场为自己的物联网应用买单。这3种模式都未能很好地解决成本高、产业链参与不够主动等问题。如何激励产业链各方参与者,构建更为合理的商业模式,还需要进一步深入研究。

四、推进农业物联网在设施农业建设中的对策建议

物联网技术虽然是一个新型的交叉学科, 但是它的几个关键技术都比较成熟, 并分别得到了广泛的应用。农业物联网技术的应用是现代农业发展的需要,也是未来农业发展的方向。物联网技术对于农业应用来说不是噱头,而是机遇。正如20 世纪80 年代生物技术在农业领域的应用推动了农业科技的跨越式发展一样,物联网科技的发展也必将深刻影响现代农业的未来。

(一)加强以农业物联网为代表的农业信息化技术应用

我国发展现代农业面临着资源紧缺与生态环境恶化的双重约束,面临着资源高投入和粗放式经营的矛盾,面临着农产品质量安全问题的严峻挑战,迫切需要加强以农业物联网为代表的农业信息化技术应用,实现农业生产过程中对动植物、土壤、环境从宏观到微观的实时监测,提高农业生产经营精细化管理水平,到达合力使用农业资源、降低生产成本、改善生态环境、提高农产品产量和品质的目的。物联网农业领域应用应优先在农业资源利用、农业生态环境监测、农业生产精细管理、农产品与食品安全管理及溯源等领域发展。

(二)加强农业物联网应用技术创新

1农业物联网技术自主创新目标。农业物联网应用要以采用自主创新产品为主,包括传感器、物联网中间件、智能专家决策系统、数据库管理系统、智能信息推送系统、设施栽培工程技术等。通过实践创新,形成一批新的具有自主知识产权的物联网农业应用技术产品,逐步构建农业智能化设施种植和养殖应用技术体系,包括物联网监控技术、设施工程技术、智能大棚作物(蔬菜、园艺作物等)高产高效优质栽培管理技术、动物规模养殖环境下的智能监控管理和安全溯源技术、农村智能信息推送服务技术和专家咨询技术等。同时,加快形成有竞争优势的农业物联网专业化技术人才队伍。

2基于物联网的基础设施布局和架构研究应用。网络基础设施是智能农业总体架构的底层,主要包括信息感知层和网络传输层2 层。感知层由各种类型的末端感知节点和感知终端组成,其主要功能是感知农业生产相关的温度、湿度、光照、土壤、水资源等环境信息以及作物和动物生长状态等信息,并通过短程通信接口实现信息传递,执行上层应用发出的控制指令。网络传输层由个域网( PAN) 、局域网( LAN) 和城域网(WAN) 三大类传输接入网络构成,通过有线、无线等接入方式,综合利用电信、移动、联通、广电等异构接入网络,实现物联网感知层与上层基础信息库和应用的双向信息贯通。根据物联网应用领域和对象的不同特点和需求,在感知、传输和信息处理不同环节采用适合的软硬件配置,保证基础信息双向畅通速达、反应灵敏。

3建立农村综合信息服务平台设计。开发农村信息智能服务综合管理系统软件,集现代农村远程教育、农业远程视频诊断、农村信息定制服务、农民电话咨询等功能为一体。以集成化的农业知识库群为信息资源保障,以有线网络与无线网络相结合,构建信息服务管理中心,实现对前台应用系统的数据支持和集中管理,以及信息的发布和内部传递,集信息推送、资源管理、终端远程维护等功能为一体。建立农业综合信息服务平台示范应用基地,利用信息服务智能终端开展现代农村远程教育、农业远程视频诊断、电话热线咨询等面向农民的信息服务,实现对农村社区(村)、专业合作组织等信息智能推送服务。

4建立农业物联网应用公共支撑平台。平台主要功能是提供农业对象感知数据接入标准、农业物联网应用服务接口规范和构件组装规范、农业物联网安全监管与服务质量保障技术、农业物联网典型应用服务及构件开发技术,并实现不同领域农业物联网应用系统的快速搭建等功能。

5实施基于物联网的智能农业应用体系。智能农业应用体系包括农业资源环境监测系统、大田种植生产系统、设施蔬菜和食用菌智能管理系统、设施规模养殖智能生产管理系统、农产品加工安全监测溯源系统、综合管理系统( 办公管理、资源调度管理、安全保卫管理、资产配置管理、水电资源管理、生活服务管理等) 、现代农业综合信息服务系统平台及智能农业展示中心等。

6建立智能农业关键技术( 产品) 支撑和配套体系。关键技术( 产品) 主要包括农业物联网软硬件产品、农业智能决策模型、数据融合云处理技术、自主网络部署与信息处理技术、信息感知与识别技术等。配套体系主要包括智能农业标准规范、智能农业服务平台、智能农业示范基地、展示中心管理平台等。以上各子系统不是孤立的,要通过有效接口把诸子系统连接起来,整合成一个综合平台,并充分发挥统一协调功能。

课题组组长:宋占龙    

课题组成员:于连军  王春梅  李文东  于蕴吉

执笔人:于蕴吉

责任编辑:信息中心

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