物聯(lián)網(wǎng)在我國棉花產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

□文/董曉琳 楊淑萍

（德州學(xué)院 山東·德州）

物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的又一次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)被視為互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用擴(kuò)展，應(yīng)用創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展核心，以用戶體驗為核心的創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的靈魂。物聯(lián)網(wǎng)這個概念是1999年MIT-ID中心的Ashton教授在研究RFID時最早提出來的。2009年初，美國總統(tǒng)奧巴馬與美國工商業(yè)領(lǐng)袖舉行了一次“圓桌會議”，IMB首席執(zhí)行官彭明盛首次提出了“智慧地球”這一概念，之后，美國將新能源與物聯(lián)網(wǎng)列為振興經(jīng)濟(jì)的兩大重點。同年8月，溫家寶視察中科院無錫物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究所后，提出“感知中國”的設(shè)想，并將物聯(lián)網(wǎng)正式列為國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，寫入《政府工作報告》中。歐盟信息業(yè)與商業(yè)人士曾在歐盟總部布魯塞爾對物聯(lián)網(wǎng)展開了廣泛的討論，也提出了物聯(lián)網(wǎng)行動計劃。據(jù)新華社報道，在各省啟動的“十二五”規(guī)劃中，有23個省份將物聯(lián)網(wǎng)作為重要發(fā)展目標(biāo)。而中國作為一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實例證明，它可以降低人力、物力等資源的消耗，緩解對農(nóng)田環(huán)境的影響，實現(xiàn)科學(xué)化種植，推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的變化。筆者將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代棉花農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，以期為其發(fā)展帶來啟示。

一、物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)構(gòu)架及其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）概念。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，顧名思義，“物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；第二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信。因此，物聯(lián)網(wǎng)的定義是通過射頻識別技術(shù)（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)是互聯(lián)網(wǎng)，是互聯(lián)網(wǎng)延伸和擴(kuò)展的產(chǎn)物。

（二）物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)構(gòu)架。從技術(shù)構(gòu)架來看，物聯(lián)網(wǎng)可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。根據(jù)國際電信聯(lián)盟的建議，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架由感知層、接入層、網(wǎng)絡(luò)層、中間層和應(yīng)用層組成。而當(dāng)前普遍認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)可劃分為一個由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成的三層體系。

1、感知層。感知層的任務(wù)是感知、識別物體，它由各種傳感器以及傳感網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，通過RFID標(biāo)簽、CO2濃度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、智能卡、識別碼、二維碼等感知信息，大規(guī)模地采集信息，并進(jìn)行智能化識別，然后通過接入設(shè)備將信息與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行資源共享與互交。

2、網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層主要解決信息傳輸?shù)膯栴}，它由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、通信網(wǎng)和計算機(jī)平臺等組成，通過這些網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)的傳輸與計算。

3、應(yīng)用層。應(yīng)用層實現(xiàn)信息的處理和決策，解決特定的智能化應(yīng)用和服務(wù)問題，它是物和用戶（包括人、組織或其他系統(tǒng)）的接口，以實現(xiàn)物與物、物與人之間的感知與識別，發(fā)揮職能作用。

（三）物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的工作流程可細(xì)分為標(biāo)識、感知、處理和信息傳送四個環(huán)節(jié)，因此其每個環(huán)節(jié)涉及關(guān)鍵技術(shù)主要包括：RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等。下面主要介紹這幾項技術(shù)：

1、射頻識別（RFID）技術(shù)。RFID 技術(shù)是一種非接觸式自動識別技術(shù)，通過射頻信號，無需人工操作能自動識別特定目標(biāo)，并獲取所需的數(shù)據(jù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。一個典型的RFID系統(tǒng)一般由RFID標(biāo)簽、讀寫器和信息處理系統(tǒng)組成。當(dāng)物品（帶有電子標(biāo)簽）進(jìn)入通過讀寫器的區(qū)域時，標(biāo)簽會被讀寫器激活，發(fā)送出的無線電波將標(biāo)簽內(nèi)的信息發(fā)送至讀寫器被其讀取，讀寫器將信息解碼，并送至電腦主機(jī)，完成信息自動采取的工作。

RFID具有讀寫距離遠(yuǎn)（可達(dá)10米）、讀取速度快、無磨損、數(shù)據(jù)儲存量大、效率高（可同時處理多個電子標(biāo)簽）、可抗污染等顯著特點。因此，RFID在畜產(chǎn)品精細(xì)化養(yǎng)殖數(shù)字化系統(tǒng)、動物識別與跟蹤系統(tǒng)、農(nóng)畜產(chǎn)品安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、農(nóng)畜精細(xì)生產(chǎn)系統(tǒng)等很多方面已正式投入使用。

2、傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器一般由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，可通過CO2濃度、光線、溫度、濕度、聲音、力、位移等信號來感知，為物聯(lián)網(wǎng)的工作收集、分析、反饋最原始的信息。因此，傳感器是物體感知世界的“感覺器官”。

3、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)。并協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)的信息，將所感知的信息傳送到用戶終端，以達(dá)到“無所不在的計算”理念與目標(biāo)。傳感器的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)提供傳送通道，而如何在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行增強(qiáng)，以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的需求，是現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)研究的重點。與傳感網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的通信技術(shù)，常見的有IrDA、藍(lán)牙 、RFID、UWB、ZigBee、Wi-Fi、NFC，等等。

二、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

（一）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在國外農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)資源、監(jiān)測和利用方面，歐洲和美國利用衛(wèi)星對土地利用信息進(jìn)行實時監(jiān)測，并將檢測結(jié)果發(fā)送到各級監(jiān)測站，進(jìn)入信息融合與決策系統(tǒng)，達(dá)到大區(qū)域農(nóng)業(yè)統(tǒng)籌規(guī)劃的目標(biāo)。與此同時，在地面利用GPRS定位系統(tǒng)，對區(qū)域農(nóng)業(yè)的地理位置進(jìn)行標(biāo)定，實現(xiàn)對區(qū)域農(nóng)業(yè)的合理規(guī)劃。

法國工作者利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對土壤環(huán)境進(jìn)行精確的數(shù)據(jù)分析，根據(jù)種植品種的具體需求，調(diào)節(jié)并改善智能感知環(huán)境，以提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量。

（二）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在國內(nèi)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。目前，我國農(nóng)業(yè)正處于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的發(fā)展時期，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化、虛擬化、精細(xì)化、遠(yuǎn)程化成為可能。如農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的安全追溯、農(nóng)業(yè)大棚標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)監(jiān)控、農(nóng)業(yè)自動化節(jié)水灌溉等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)均已投入使用。

1、基于傳感網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的監(jiān)測與調(diào)控。近年來，物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中廣為應(yīng)用，關(guān)鍵技術(shù)有溫室控制模式和PC機(jī)監(jiān)控等。將無線傳感器及其他智能控制系統(tǒng)安置在農(nóng)業(yè)大棚或養(yǎng)殖廠內(nèi)，利用它們來度量室內(nèi)溫度、濕度、PH值、CO2濃度等，再由無線傳感器經(jīng)無線網(wǎng)關(guān)傳輸所采集的信息，通過互聯(lián)網(wǎng)或移動通信傳輸至監(jiān)控中心，形成數(shù)據(jù)圖表，工作人員通過手機(jī)或電腦獲得各項參數(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)變化，適時調(diào)整、反饋室內(nèi)環(huán)境，使作物的生長環(huán)境達(dá)到最佳水平。

2、基于RFID技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯中的應(yīng)用。農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全是重大民生問題，關(guān)系人民群眾的身體健康和生命安全，關(guān)系到社會的穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用則實現(xiàn)了對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的追溯，完成對農(nóng)產(chǎn)品從生產(chǎn)到流通每個環(huán)節(jié)的監(jiān)管，以保證農(nóng)產(chǎn)品在每個環(huán)節(jié)的質(zhì)量安全，將食品安全隱患降至最低。

在我國，已經(jīng)出現(xiàn)了RFID技術(shù)的應(yīng)用實例，2007年中國建立了肉牛生產(chǎn)全程質(zhì)量安全追溯體系，同時也完成了生豬的全程質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)（在RFID技術(shù)的基礎(chǔ)上），并在全國幾個城市內(nèi)進(jìn)行推廣，實現(xiàn)了生產(chǎn)-加工-運(yùn)輸-銷售環(huán)節(jié)的全程監(jiān)控，在全國城中并不斷進(jìn)行調(diào)整，來不斷確保農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全。2008年中國在奧運(yùn)會期間啟用了食品安全追溯系統(tǒng)，為整個奧運(yùn)會的食品安全提供了保障，促進(jìn)了國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也推動了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在中國農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。

3、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品儲運(yùn)中的應(yīng)用。在農(nóng)產(chǎn)品儲運(yùn)過程中，其儲運(yùn)的環(huán)境（溫度、濕度等）與農(nóng)產(chǎn)品的變化密切相關(guān)。經(jīng)研究表明，我國水果蔬菜等農(nóng)副產(chǎn)品在采摘、運(yùn)輸、儲存等物流環(huán)節(jié)上的損失率在25%～30%，而發(fā)達(dá)國家的果蔬損失率則控制在5%以下。如果能實現(xiàn)對儲運(yùn)過程中的環(huán)境條件進(jìn)行實時監(jiān)測，便能保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與安全，進(jìn)而減少經(jīng)濟(jì)損失。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可通過各個分散的傳感器進(jìn)行實時監(jiān)測，以控制環(huán)境中的溫度、濕度等參數(shù)，對倉庫或保鮮庫環(huán)境進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測；在農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸階段，對運(yùn)輸車輛進(jìn)行位置信息查詢和視頻監(jiān)控，以及時了解車廂內(nèi)外的情況和調(diào)整車輛內(nèi)的溫濕度，同時可以對車輛進(jìn)行防盜處理，一旦車輛出現(xiàn)異常便可自動進(jìn)行報警。Tao Y等設(shè)計了基于RFID技術(shù)的系統(tǒng)，用于實時監(jiān)測、記錄運(yùn)輸過程中的溫度，該系統(tǒng)監(jiān)測溫度范圍為-50℃～120℃，讀取距離達(dá)100m。

三、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于現(xiàn)代棉花農(nóng)業(yè)的發(fā)展分析

（一）物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于現(xiàn)代棉花農(nóng)業(yè)的意義?！笆濉币?guī)劃明確提出以加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹骶€，推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與研發(fā)。同時，棉花是我國第二大農(nóng)作物，其生產(chǎn)狀況是關(guān)系國計民生的戰(zhàn)略物資。棉花是涉及紡織工業(yè)和農(nóng)業(yè)的商品，也是每個消費者的生活必需品。因此，如何提高棉花農(nóng)業(yè)的質(zhì)量和產(chǎn)量成為棉農(nóng)的重要任務(wù)。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用則是解決這個問題的重要環(huán)節(jié)。

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到棉花生產(chǎn)和科研中是現(xiàn)代棉花農(nóng)業(yè)依托新型信息化應(yīng)用的一大進(jìn)步，可以將粗放的經(jīng)營管理方式改為精細(xì)化管理，提高對棉苗疫情、疫病防控的能力，從而引領(lǐng)現(xiàn)代棉花農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對現(xiàn)代棉花農(nóng)業(yè)發(fā)展具有一定的參考意義。

（二）技術(shù)層面分析

1、物聯(lián)網(wǎng)的感知層。在培育棉苗的智能溫室里，根據(jù)棉花農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程對感知設(shè)備提出的要求，按棉苗萌發(fā)四大要素（O2、水分、光照、溫度）部署，能夠適應(yīng)高溫、高濕等惡劣環(huán)境，其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度、精度等性能均能滿足棉花農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的具體要求的無線和有線傳感器。使他們能隨時測出室內(nèi)溫度，實時采集光照強(qiáng)度、溫度、濕度、CO2濃度、營養(yǎng)液（pH）等環(huán)境參數(shù)。同時，也配置一些可以遠(yuǎn)程控制的檢測器、移動噴灌機(jī)、自動剪葉機(jī)、排氣扇等。

根據(jù)O2傳感器的數(shù)據(jù)，實時掌握室內(nèi)O2濃度，避免N2、氯氣過高影響棉苗生長；根據(jù)光度、溫度傳感器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)棉苗當(dāng)前生長階段進(jìn)行相應(yīng)的遠(yuǎn)程環(huán)境調(diào)整，如拉起遮陽網(wǎng)等；根據(jù)棉苗不同生長階段和育苗環(huán)境，適時調(diào)節(jié)營養(yǎng)液濃度；通過濕度傳感器所得數(shù)據(jù)，適時調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度等。

目前，我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的無線和有線傳感器，如溫室內(nèi)部視頻信息監(jiān)測傳感器，如彩色一體攝像機(jī)；作物生理生態(tài)監(jiān)測傳感器，如葉面溫度傳感器，測量范圍 0～50℃，精度：±0.1℃；溫室外部氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測傳感器，如室外風(fēng)速傳感器，測量范圍 1～67m/s，精度 1m/s或±5%中較高值；國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心研制的溫室內(nèi)部環(huán)境監(jiān)測（包括光照、空氣和土壤）傳感器，如土壤濕度傳感器，量程0～100%，精度±3%；另外還有營養(yǎng)液成分感知和農(nóng)產(chǎn)品物流配送監(jiān)控等感知設(shè)備，共6大類，約30小類。這些傳感器實時或定時感知各節(jié)點數(shù)據(jù)，將其利用本地數(shù)據(jù)采集器顯示以及通過匯聚節(jié)點傳輸?shù)交乇O(jiān)控中心。

四、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于現(xiàn)代棉花農(nóng)業(yè)待解決的問題

雖然物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，在農(nóng)業(yè)中也得到應(yīng)用，而且前景廣闊，但就目前而言，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的推廣與普及還面臨著許多困難，存在了許多問題。其中主要有成本問題、技術(shù)人員缺失問題以及標(biāo)準(zhǔn)化體系缺失問題、存在安全隱患等。

成本問題：根據(jù)實驗過程中存在的困難和解決辦法，物聯(lián)網(wǎng)在我國棉花農(nóng)業(yè)應(yīng)用中存在諸如資源不足、傳感器和其他相關(guān)設(shè)備成本費用高、地理環(huán)境受到限制等很多問題。當(dāng)真正大規(guī)模將物聯(lián)網(wǎng)投入棉花農(nóng)業(yè)中時，解決這些問題需要大量的資金支持，而這些資金遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了棉花本身的成本。

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)人員缺失問題：首先，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)必然伴隨著發(fā)展通信技術(shù)，而各種系統(tǒng)的通信協(xié)議還未達(dá)成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，從物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)技術(shù)出發(fā)，目前主要缺失接口的標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)模型的標(biāo)準(zhǔn)化；其次，IPv4地址的不足，阻礙了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，就物聯(lián)網(wǎng)而言，將物與物連接，而且每個物品的電子標(biāo)簽信息最終都要傳輸?shù)綖榫W(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，因此每個物品都要有一個IP地址，所以IPv4是不夠的，必須使用IPv6，而二者的兼容與過渡在短時間內(nèi)很難完成；第三，中國是物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)起者，但我國的物聯(lián)網(wǎng)展業(yè)還處于初級階段，技術(shù)不夠成熟，缺乏大量技術(shù)人才。

五、結(jié)語

就農(nóng)業(yè)而言，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用正處于萌芽階段，隨著其技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用具有更大、更廣的發(fā)展空間。我國作為農(nóng)業(yè)大國，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其發(fā)展對我國農(nóng)業(yè)以及我國棉花農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有舉足輕重的意義。因此，我們更應(yīng)該抓住機(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)，緊跟時代發(fā)展的步伐，早日將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更廣泛地應(yīng)用于我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，廣泛應(yīng)用于我國現(xiàn)代棉花農(nóng)業(yè)。

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