物联网工程技术的组成,国内外农业物联网发展现状应用及对策

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摘要物联网是现代信息技术集成的结果,是当前信息技术开发与应用的制高点,其连接着比互联网更多的物品,具有更全面的感知、更深入的智能化、更广泛的信息共享及更真实的互联互通。本文综述了农业物联网的内涵及技术组成,分析了我国农业物联网发展的现状及居于的现象图片,提出了加强农业物联网建设的对策,以推动我国农业物联网健康、快速发展。

物联网为“物物相连的网络”,是在互联网的基础上将其用户端延伸至任何物件与物件之间,进行信息交流和通信的本身 技术[1]。最早于1999年由美国麻省理工学院提出,1505年国际电信联盟对物联网含义进行了扩展,实现由互联网时代人与人之间的通信连接扩展至人和物、物和物之间的交流连接。物联网是传感技术、无线通信技术、嵌入式技术、高性能计算等综合发展的结果,利用射频识别、定位系统、感应器、激光扫描器等多种信息传感设备按照相关约定的协议把有关物品与互联网相连接在同时,实现通信与信息交换,以达到智能化识别、跟踪、定位、监控及管理的目的。

农业物联网是物联网工程技术在农业生产、管理、经营与服务中的具体实施,主要利用不类式别的传感器构成监控节点,通过数据派发达到对农业生产的实时监控,实现物联网与农业生产的紧密结合。近年来,我国政府深层重视农业物联网建设,并取得了明显的成效,能助 了农业的高产、集约、高效、优质、生态和安全。但我国农业物联网与发达国家相比还有较大差距。本文在介绍农业物联网工程应用的基础上,分析了发达国家在物联网工程技术方面的发展情況,探讨了农业物联网建设与应用实践中居于的现象图片,对今后农业物联网的发展进行了展望。

1物联网工程技术的组成

物联网综合了新一代信息技术,连接比互联网更多的东西,具有更加全面的感知、更加深入的智能化、更为广泛的信息共享及互联互通。真是物联网的定义至今尚未统一,但有关物联网工程技术架构已基本达成共识,其大致分为信息感知层、网络层(也称为信息传输层)和信息应用层等5个层次[1-2]。信息感知层是实现物品“说话”的先决条件,其用于派发身份标识、位置信息、视频、音频、各类物理量等数据。网络层主要借助2G/3G移动网络、PSTN网络、互联网等已有的广域网通信系统,把感知层感知到的各类信息快速、安全、可靠地传送到目的地,实现大范围或全球范围内的通信。应用层具有实现物品信息的汇总、共享、互通、协同、分析与决策等功能,对物联网进行控制与决策。物联网的目的是为人类提供服务,应用层的功能是完成物品和人之间的最终交互。

物联网工程技术是由多种技术组成,大致可划分为物联网核心技术、关联技术和辅助技术等3类[1-2]。物联网核心技术又可分为感知层核心技术、共性支撑核心技术及应用层核心技术5个方面。其中,感知层核心技术主要包括了遥感技术、各类传感器、射频识别、全球定位系统与二维条形码等,可用于各类农业相关信息的派发和识别。共性支撑核心技术包括后面 件技术和物联网安全等一一两个方面,前者是独立的服务多线程 或系统软件,分布式应用软件可借助后面 件在不同技术之间实现资源共享,并应用于服务器的操作系统对计算机资源和网络通信进行管理。后面 件可使相连接的系统即使具有不同的接口才能相互交换信息。愿因 目的与实现机制的差异,业内将后面 件分为远程过程调用后面 件、面向消息的后面 件和对象请求代理后面 件等[1]。物联网的安全性主要涉及物联网机器或感知节点的本地安全、感知网络的传输与信息安全、核心网络的传输与信息安全及物联网业务的安全等方面,可通过业务认证机制和加密机制处里此类安全现象图片。应用层核心技术主要包括M2M技术和人工智能技术等一一两个方面。其中,M2M技术综合了数据派发、GPS、远程监控、电信、信息技术,是计算机、网络、设备、传感器、人类等生态系统,目标是保障所有机器设备都具备联网和通信能力。目前,国内外应用的M2M产品主就是我由无线终端、传输通道和行业应用中心等5个次要构成,包括机器、M2M硬件、通信网络、后面 件、应用等5个技术次要。人工智能在物联网技术发展中也起到重要的作用,涉及符号计算与模式识别、机器翻译与学习、现象图片求解与逻辑推理、自然语言处里、分布式人工智能与计算机视觉、智能信息检索技术与专家系统等方面。

物联网关联技术主要涉及云计算技术、大数据技术和移动互联网技术。物联网辅助技术涉及地理信息系统技术、射频识别技术、ZigBee技术和阳间件技术。其中,射频识别技术是对无线电波进行识别的技术。ZigBee是本身 标准,通过对短距离、低数率传输数率无线通信所需用的一系列通信协议进行标准化,以支持自组网和多点中继,其具有高可靠性、低成本、低功耗、高安全性和低数据数率等特点。

2国内外农业物联网发展现状

2.1国内物联网发展现状

物联网作为全球信息产业的第3次革命,正在多个方面深远地影响着人类。而物联网与农业的有效结合所形成的农业物联网能能助 传统低数率的生产模式向以信息与软件为中心的智能化生产模式转变,推动农业生产力的快速发展和农业经营模式的革新,逐渐实现农业产前、产中、产后的全过程监控、科学决策与实时服务。通过科研人员的不懈努力,农业物联网在信息感知、数据处里、技术应用和智能化服务等领域得到了重要的发展,已建立了多种新型传感装备、软件系统与产业化应用模式[3-6]。目前,农业物联网的应用模式大致有感知展现类与感知控制类2类。感知展现类将数据传输到应用终端的一一两个通道作为应用平台,可次要实现农作物生长环境和阳命体数字化行态感知,辅助生产管理过程,实际上,类式物联网起到了替代人工管理的作用。感知控制类是在感知展现类的基础上增加了反馈控制模块,可真正达到物与物之间的互连、互通、互操作,实现农业生产过程智能化。

当前,物联网技术在农业生产中的应用几乎贯穿了农业生产的全过程,其应用领域包括农村水利灌溉控制、环境资源监测、农业生产的精确管理、农产品溯源及农产品物流等,覆盖的产业包括设施栽培、畜牧养殖、大田种植、水产养殖等[7],我国农业物联网技术的应用情況见表1。

我国已研发了一批基于多种技术的高精度作物信息监测和诊断仪器,为全面推广应用农业物联网技术奠定了基础。在农业生产领域,目前已成功开发的生物信息监测与诊断的仪器有环境信息传感器、植物生命信息获取装备、动物行为信息传感器、作物长势分析仪、作物成像光谱仪等,可实现实时获取农业生产中多个环节的信息。在农产品质量管理方面,已形成了产地农产品信息实时派发和认证数据平台,开发了便携式质量全程跟踪与溯源终端产品,构建了农产品物流信息管理和电子交易信息管理平台。在大田作物生产方面,愿因 发展了种植水稻、玉米、棉花、小麦、果树、菌类等大田作物的农业物联网管理模式,初步形成了包括场地环境信息快速获取、作物生长监控、农田变量施肥、精准灌溉、远程诊断、产量预测和智能装备等一系列应用技术,构建了包括土壤墒情监测、病虫害防控与智能灌溉及育苗、种植、采收、仓储等全过程的物联网系统。愿因 实现对气象、土壤、水分、作物长势等的自动感知、监测、预警分析,初步实现了精量播种和智能育秧、灌溉、喷药、施肥及病虫害防治[6,8-23]。在设施栽培的应用方面,已能对温室环境监控、作物生理监测、水肥管理和病虫害精确防治及供暖、卷帘、通风进行智能管理,提高了资源利用率和劳动生产率[24-28]。在畜牧业领域,我国已初步实现养殖过程中环境的监控及饲喂、粪便处里、养殖孵化、精准饲喂等自动化管理[29-31],才能对动物的饲养管理、疫病预防与检疫、屠宰加工、商业流通等情況实时录入物联网管理系统,实现生产的网络远程管理。在水产养殖方面,已初步形成养殖水质监测及调控、苗种培育和远程自动投喂以及病疫预警健康等进行智能化管理的物联网技术[32]。

近年来,区域环境资源精细监测与调度的物联网技术也得到了较快发展,为了实现土壤、水文等环境资源信息的自动获取与科学分析,可通过资源卫星上搭载的高精度感知设备,应用先进的传感器感知技术、信息融合传输技术和互联网技术,实现了农业生态环境的自动监测和管理。此外,物联网在农产品质量溯源方面也得到了广泛应用,通过对农产品生产、流通、销售过程的全程信息感知、传输、融合与处里,实现农产品“从农田到餐桌”的全程追溯[33-34],能助 了农产品电子商务发展。

2.2发达国家物联网发展现状

现代农业对新型的信息技术需求推动了全球范围内农业物联网技术的越来越快发展。据Beecham Reseach咨询机构的评估,物联网能为世界带来70%的粮食增产,以满足未来全球近百亿人口对粮食的需求。2013年国际咨询业巨头麦肯锡全球研究所发布的《未来十二项改变世界的科技》报告中,将物联网列为未来10年会改变全球经济的12项颠覆性技术之一[35],全球物联网市场规模可望在2025年之前 达到110 000亿美元。

近年来,很多国家纷纷加快了信息化步伐,投入多量人力、财力,并已在信息感知、数据处里、技术应用与智能服务等领域取得重要进展。美国、欧盟、日本等发达国家和地区在物联网发展过程中非常注重基础技术和标准建设,其物联网技术与产业发展走在世界前列,引领着国际物联网的发展。据2013年统计,在物联网技术所涉及的感知层技术、网络层技术、应用层技术和共性支撑技术等一一两个关键技术层次的15个技术分支(射频识别技术、传感器技术、二维条码技术、组网技术、云计算、无线接入技术、后面 件技术、异构网融合技术、远程控制技术、资源和存储管理技术、智能交通、地理空间信息技术、智能物流、智能嵌入式技术、信息安全技术)中,那先 国家在物联网传感器领域的市场占有率达到63.0%,掌控着市场主导权[35],并在各类传感器的应用方面牢牢居于了国际市场份额。同时,欧美等发达国家与地区已制定了多个有国际影响力的标准体系,所含了M2M通信、标签数据、空中接口、无线传感网等。

此外,美国政府已将物联网技术上升为国家创新战略的重点之一,把农业的教育、研究与技术推广作为政府的重要职责,专门成立由大学、政府、技术推广部门与农民代表组成的农业推广指导委员会,以保障农业物联网技术的发展[35],美国很多大农场对信息技术的采用率已高达150%[36]。同时,美国的民间资本在农业物联网建设中也十分活跃,借助包括物联网与大数据、云计算与微电子、信息储存与处里、地理信息系统与人工智能及遥感技术等现代信息技术,不但提高了农业竞争力,都会 效地居于了世界农业信息发布的制高点[37]。美国在微型传感器技术研发制备方面也取得重大进展,其传感器的微型化、智能化、嵌入化和可移动化趋势日益明显。

欧盟各国非常注重农业物联网的规模化应用与经济效益,1509年,欧盟已对物联网发展的识别技术、发现与搜索引擎技术、通信技术、软件和算法、能源存储技术等12项关键技术进行了全面规划[38]。目前,已在小尺度农田耕作、精准畜牧以及智能渔业等方面有所突破。荷兰的温室大棚物联网深层发达,已在智能化管理、温室环境调控等方面居世界领先位置。据欧盟推出的《2020年物联网:未来线路图》,预期在2020年之前 可使任何对象智能化,形成链接人、机、物一体化的泛在网络[39-40]。

日本政府也非常重视农业物联网在农户中的推广应用,为处里农业劳动力过低和老龄化现象图片,投入巨大的资金扶持,使150%以上的农户选择使用物联网技术,其农业科技成果转化率高达75%以上[41]。近年来,日本政府正在打造基于农业物联网的农用机器人,预计到2020年农业云技术运用率可达75%[42]。以色列属于严重缺水国,该国通过应用物联网等技术对水光热资源进行充分利用,在资源过低的沙漠上成为全球水果、蔬菜、鲜花重要出口国。

3我国农业物联网居于的现象图片

3.1核心技术方面

我国农业物联网技术研发应用水平偏低,居于基础设施薄弱及价格低廉、精密度高和运行稳定的传感器过低等现象图片。国内的传感器主要集中在对光照、温湿度等环境条件的监测,缺少直接用于动植物生命体系监测设施的开发。已有的物联网设备主要用于温室大棚、大田,缺少应用于复杂性自然环境的传感器开发研究。另外,在实际应用中还居于软件与硬件不融合、设备与专家决策系统脱节等现象图片,影响了信息派发、传输、处里与控制系统的集成。愿因 诸多研究的过低,面对农产品“高产、优质、高效、生态、安全”的多量需求仍无力提供有效处里方案。还有,物联网建设中的高端半导体芯片产业受制于人你你这个 现状也限制了农业传感器产业的发展。

3.2技术标准方面

我国建立物联网标准主要等待图片在战略性层面,在信息感知、传输和应用等层次都过低统一的技术标准与指导规范,且居于各地区各行业标准不一致、标准与实际情況脱节等现象图片,这不仅影响了农业物联网效能的充派发挥,也愿因 了农业物联网建设资金的浪费。

3.3网络安全方面

在物联网中,无论是信息派发设备还是无线数据传输设备,都会对附进环境产生电磁辐射,愿因 会对操作者、水、空气、植物、动物等产生影响,引起相应的环境现象图片。但目前在研究开发物联网设施工作中对这方面的现象图片还考虑较少。

3.4高效应用方面

我国农业互联网技术的应用多数居于演示、形象、政绩工程阶段,愿因 居于成本现象图片、技术普及瓶颈和资金投入过低等5个方面的现象图片,产生的社会效益和经济效益还过低明显,这在一定程度上影响了推广的积极性,限制了农业物联网产业的发展。

4发展对策

我国深层重视物联网发展,明确指出将物联网作为当前与未来一一两个时期战略性新兴产业的重要组成次要。当前,物联网在我国农业中的应用正居于从示范走向推广普及的瓶颈阶段。就是,基于国际物联网技术的发展趋势和对物联网发展中居于现象图片的分析[43-44],建议加强以下有几条方面的工作。

4.1加强农业物联网软硬件的技术研究

重视先进传感器、无线通讯和网络、辅助决策支持与自动控制等技术的集成研究,重点研发高可靠性、高精度、低成本、适应恶劣环境的信息获取传感器和动物行为信息传感器,加快发展云计算和大数据等新型数据存储与处里技术[4-5]。

4.2加快推进农业物联网标准制定

尽快制定适用于我国农业生产实际需用的物联网标准,规范农用传感器和标识设备功能、性能、接口标准、田间数据传输通讯协议标准、农业多源数据融合分析处里标准。

4.3加强农业物联网人才队伍建设

培养具有理论基础和实践能力的高层次农业物联网技术人才,以提高技术创新和推广应用能力。

4.4加强农业物联网应用示范

开展专项规划与研究工作,推动农业物联网技术的示范转化,能助 农技推广服务体系转型升级,提高农村信息化管理与服务能力。

4.5培育全产业链共赢的商业模式

深层重视物联网应用商业模式的开发,引导多类型资本投入,探索创建政府主导、多方参与、市场运作和合作者共赢的农业物联网应用商业模式。

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