农业物联网体系架构及其技术应用与效益分析

　　0 引言

　　自美国麻省理工学院( MIT) 自动识别中心( Auto－ID Center) 教授凯文·艾什顿( Kevin Ashton) 于 1999首次提出物联网( Internet of Things，IoT) 概念以来，美国、欧盟、日本、韩国和中国等国家和地区高度重视物联网技术的发展和应用，纷纷将其纳入产业发展规划或政策支持范围，并将其视为全球经济新的增长点。
　　物联网技术也从最初物流领域的应用逐步扩展到交通、医疗、工业、农业等领域，取得了明显的进展。其在农业领域的应用也称为农业物联网，受到我国各级政府的高度关注，当前通过项目和基地示范建设的方式，取得了明显的阶段性成效。但当前学界对农业物联网的研究还主要集中在技术实现和商业模式等领域的探讨，而对农业物联网自身社会经济效益的研究较少。为此，通过对农业物联网技术架构及其技术应用的解析，探讨其技术应用所带来的社会经济效益。

　　1 文献回顾

　　农产品的供给和安全事关人类基本生活质量和安全，世界各国都高度重视农业生产效率的提升和食品安全保障。近年来，信息技术尤其是物联网技术为提高农业生产效率和保障食品安全提供了重要契机。
　　早期农业利用信息技术主要基于“3S”技术对农地定位、测量土地面积、监测土壤营养状况和作物长势、预测产量。发达国家除了注重“3S”技术的应用外，还加强了农业信息化体系建设，如专家系统、市场信息发布系统等。物联网技术的发展为实现更加精确化、数字化和智能化的物联网农业提供了条件。
　　不少学者在不同技术及其应用领域进行探索研究，如射频识别技术( ＲFID)、传感器件在现代化农机中的嵌入应用技术、智能生产监控技术、设施农业中的技术应用、作物营养无损感知和自组织网络技术等。部分学者对农业物联网技术应用情况做综述类研究，还有部分学者对物联网企业的商业模式展开研究。以上这些研究对于揭示农业物联网的技术细节、可能的应用领域、关键技术及其难点、未来发展方向以及企业如何应用农业物联网实现商业价值等方面具有积极意义; 但对农业物联网技术如何给人类带来社会经济价值以及带来哪些社会经济价值缺乏系统解释。

　　2 农业物联网体系架构及其技术应用

　　2． 1 农业物联网体系架构

　　在农业物联网体系架构层次划分上，大多学者采用物联网技术通用架构层次划分法，将其划分为感知层、传输层和应用层 3 个层次。笔者认为，这种通用划分法主要有两个缺陷: 一是无法表征物联网技术在各具体产业应用中的特色和差异; 二是无法体现具体用户的特征和差异。为了克服这种缺陷，笔者将农业物联网体系架构划分为 5 个层次，即用户层、应用层、传输层、感知层和对象层。其各层的功能、构成和逻辑关系如图 1 所示。 　　1) 用户层。部分学者在对用户层的认识上容易局限在农业生产者这一核心用户范畴，而忽视产业中其他环节的用户。笔者认为，农业物联网的用户不仅包括农业生产者，也包括系统管理员、远程专家、物流运输者、农产品加工者、经销零售商、终端消费者等各个环节使用者，各环节用户使用的技术类别和实现的技术功能有所差异。
　　2) 应用层。应用层主要包括 3 部分: 一是终端设备; 二是由各模块集成的管理信息系统; 三是云端中心。其中，终端设备主要指农业物联网各级用户使用的各类网络计算机、智能手机、其他手持终端以及其他身份识别标签读取设备。集成管理信息系统主要包括环境感知、无损感知、过程感知、灾害感知、专家咨询、安全溯源、视频监控及专家系统等功能模块。云端中心主要指提供云计算、云存储、云服务和云应用的物联网云端中心。
　　3) 传输层。传输层主要指网络传输层，具有两种主要网络传输类型: 一是无线网络传输。包括无线传感网 络 ( 如 Zigbee、WiFi、6LoWPAN、Bluetooth、3G、GPＲS 等无线网络传输技术) 和卫星通信网络( 如遥感技术) ; 二是有线网络传输: 包括有线广域网( WAN) 、局域网( LAN) 和个域网( PAN) 等网络传输技术。具体传输过程主要是由传感器件、遥感设备和身份识别技术标签等获取感知监测对象的各种数据信息，传入无线传输网络，经由其通过网关传入有线网络，由有线网络传入物联网云端中心进行加工和存储等。
　　4) 感知层。感知层是利用卫星遥感技术、射频识别、二维码、传感器件、GPS 等技术实现对农业生产监测对象实施感知和监控的环节。遥感技术可以用来对土地资源的营养状况、墒情、作物长势等信息进行实时感知监测。射频识别和二维码技术可以将标识物的信息通过读卡器传入无线传输网络。传感器件( 如温、湿、光、PH 值、光谱等传感监测仪器) 通过对农业生产监测对象所处环境或其自身进行实时信息监测，以便于进行预警或施加影响，以适应其生长需要。
　　5) 对象层。对象层是指农业物联网的作用对象，不同农业产业其具体作用对象不同。一般根据农业产业大类可以将作用对象分为 4 种: 设施农业、水产养殖、畜禽养殖和大田作物。其中: 在设施农业领域农业物联网技术应用最为广泛; 在水产养殖和畜禽养殖领域的应用近年发展较快; 在大田农业领域，除了智能灌溉技术外，其技术应用水平还较低，不少技术应用还处在探索阶段。
　　综上所述，农业物联网技术应用作用原理可以总结如下: 农业物联网应用射频识别、二维码、电子耳标等身份识别技术，以及卫星遥感技术、传感器件技术和 GPS 等感知和监测技术对农业生产对象进行实时感知和监测，并将感知和监测信息通过传输层传到物联网云端中心进行加工和存储。农业物联网用户借由各种终端设备使用集成管理信息系统各个模块，访问物联网云端中心，获取其所要感知和监测的数据，以达到实时感知和监测目标对象及其环境的目的; 并根据需要对环境或对象本身施加影响，从而使农业生产、流通和交换等各环节更加远程化、智能化、数字化和可溯源化。

　　2． 2 农业物联网技术应用

　　当前，农业物联网技术主要应用于设施农业、水产养殖、畜禽养殖和大田作物 4 大领域。从其实现的技术功能来看，主要应用在 4 个方面: 一是农产品安全溯源; 二是精准化农业生产管理; 三是远程、自动化农业生产管理; 四是农产品智能储运。
　　1) 农产品安全溯源。使用射频识别、二维码和电子耳标等身份识别技术，可以对农产品进行身份标识，并对农产品的生产、加工、交换和流通等各环节进行全程跟踪记录，进而将记录的数据信息存储在农业物联网云端中心的服务器上，供终端消费者实时验证查询。农业物联网农产品安全溯源这一技术功能已在多个地方得到广泛应用。例如，江苏省宜兴市应用二维码技术对螃蟹、白菜等农产品进行安全溯源; 江阴市应用电子耳标技术构建“放心肉”安全信息追溯平台，实现食品安全溯源功能。
　　2) 精准化农业生产管理。传统农业的生产管理主要基于感性经验，不管是在生产投入、过程管理还是结果统计上，都呈现粗放型特征。农业物联网技术的应用则可以实现生产投入、过程管理和结果统计三位一体的精准化生产管理。在生产投入上，农业生产者可以通过遥感、传感器件等技术对生产作业的土地、水域、空间或养殖对象进行准确信息参数感知，进而精准确定水、肥、药、食等要素的投入水平，实现投入精准化。江苏省宜兴市在水产养殖上采用农业物联网技术，实时监控池塘内的溶解氧含量等水质参数，在溶解氧含量最佳的时候进行精确投喂，实现投入的精确化。在过程管理上，通过对生产对象及其环境的实时信息感知，对生产对象或环境施加影响，使生产对象处于精确优化的生长状态，实现生产管理过程精准化。当前，不少地方的智能温室大棚可以实时感知温室内的温度、湿度和光照，生产者可以根据精确数据信息及时调整环境参数; 通过使用光谱分析技术可以对作物的营养状况实时感知，为生产过程中的营养投入决策提供科学依据。在结果统计上，借助“3S”和传感器件技术可以精确测定农业生产的产出结果。例如，在农业收割机械上嵌入传感器件，可以精确统计农产品的收成数据; 在奶牛挤奶收集设备上装上计量传感器，可以精确统计奶牛的产奶量。
　　3) 远程、自动化农业生产管理。农业物联网技术与信息控制、人工智能和自动化控制等技术结合，实现农业生产管理的远程化和自动化。如在智能温室大棚中，通过农业物联网智能控制技术，可以实现智能自动打开、关闭遮阳板来调整光照强度，通过智能自动打开、关闭加热设备或通风设备来调节温度。江苏省宜兴市的智能水产养殖监控系统可以根据池塘水中溶解氧的含量自动或远程增氧，甚至进行远程自动化投喂。这种远程、自动化生产管理方式使得生产者即使远在外地，也可对生产对象进行远程自动化管理。这种自动化还体现在对气候或病虫灾害的智能化监测预警上; 而远程化则体现在农业生产者可以借助农业物联网实现远程专家咨询功能; 农业生产者通过农业物联网系统立即将病虫害等症状信息发给远程专家，远程专家就可以及时进行远程诊断和处理。
　　4) 农产品智能储运。智能储运功能分为智能物流和智能存储两个方面。智能物流通过应用身份识别和 GPS 等技术对农产品进行远程标识和跟踪，实现对农产品的非接触式物流管理，即无需手动扫描识别和搬运等，而借助于自动控制技术实现农产品的智能自动化分类、分拣、装卸、上架、追踪和销售结算等。
　　智能存储应用方面，由于农产品的存储需要控制温度、湿度、光照等条件，来实现保鲜和防腐。智能储运一方面可以保障食品安全，另一方面也可以实现节约能源的目标。如冷冻食品运输过程中，需要对食品进行冷冻降温保存，温度过低则会浪费电能，温度过高则会造成食物腐败，农业物联网应用智能化温度控制系统，采用精确智能的温度控制，既节约了电能又实现了防腐的目标。

　　3 农业物联网的社会经济效益

　　农业物联网技术实现了食品安全溯源、农业生产管理的精准化、远程化和自动化及农产品智能储运等技术应用功能，这些技术功能具有一定的社会经济效益。在经济效益方面，主要表现在其有利于提高生产效率、降低循环流转成本、节约能源资源投入成本、增加农产品附加价值、带动农业物联网技术相关设备和软件产业的发展等; 在社会效益方面，主要表现在其有利于保护生态环境、保障食品安全、节约能源资源、引导产业结构均衡发展和实现“人”的进一步“在场”解放。农业物联网技术功能与社会经济效益的逻辑结构和内在关系如图 2 所示。

　　
　　3． 1 经济效益

　　1) 生产效率提升。农业物联网实现了生产管理的远程化、自动化以及智能物流运输，生产管理和流通过程更加快速、高效，提高了单位时间的生产效率。同时，还实现了生产管理的精准化，提高了单位面积、空间或单位要素投入的产出比率，即提高了投入产出效率。
　　2) 循环流转成本降低。这里的循环流转成本主要指物流成本、交易成本和代理成本。借由农业物联网技术，农产品具有了身份标识，其生产、管理、交换、加工、流通和销售等各环节的产品信息实现无缝对接，可以实现农产品的自动归类、分拣、装卸、上架、跟踪以及自动购买结算等，降低了物流成本。不仅如此，农业物联网技术的应用还实现了农业各循环流转环节的远程化、数字化和智能化，使得农产品信息发布和对接更加便利，甚至可以实现农业生产与电子商务的直接对接，既为减少其循环流转环节提供了重要契机，也为降低循环环节中信息的不对称性提供了有力保障，从而为农产品交易成本、代理成本的降低提供了较大空间。
　　3) 能源资源的成本节约。过去基于感性经验的农业生产和管理方式，能源资源浪费较为普遍，农业灌溉、施肥、用药、喂食过度等行为产生了能源资源的浪费问题，增加了能源资源投入成本。物联网技术的应用使精准化农业生产管理方式得以实现，能源资源投入成本得以节约。智能存储技术也为流通环节的能源节约提供了巨大空间; 而生产管理的远程化和智能化减少了农业从业者到达现场的必要性，为降低基于人的实体流动而产生的能源资源消耗提供了条件。
　　4) 农产品经济附加值的增加。农业物联网技术下，农业生产和管理精确可控，肥料和农药、饲料添加剂等用量精确科学可控，其残留率可得到有效控制。智能储存技术在流通环节为农产品的保鲜和防腐提供了技术支撑，而食品安全溯源技术为农产品安全的全程溯源提供技术保障，从而农产品质量安全得到保障，经济附加值得到提高。
　　5) 带动农业物联网技术设备及相关产业经济发展。农业物联网技术除了提升农业产业自身的发展外，还可以带动其相关物联网技术设备和软件产业的发展。

　　3． 2 社会效益

　　1) 保护生态环境。农业物联网技术改变了过去基于感性经验的农业生产管理方式，通过精确、科学的数字化控制手段进行农业生产和管理，可以有效避免用药、施肥、灌溉等行为的过度化和滥用，从而避免对生态环境的破坏，起到保护生态环境的目标。药物的滥用会导致对农业生态系统中其他生物的生存带来危机，肥料的滥用会带来土壤结构失衡和环境污染，过度灌溉则会导致土壤的板结和盐碱化。基于精确数字化控制的物联网农业技术的应用，可以避免和减少这种生态环境破坏问题。
　　2) 保障食品安全。农业物联网技术的应用实现了农业生产管理的精准化，可以有效控制投入的化肥、农药和饲料添加剂等危害健康的物质残留问题。流通环节的智能储运技术为农产品的保鲜和防腐提供了技术支持，而食品安全溯源技术更是为食品安全监控提供了保障。所以说，农业物联网技术的应用可以有效保障食品安全。
　　3) 节约能源资源。农业物联网技术所带来的能源资源节约除了具有节约经济成本的经济效益外，从能源和资源保护的视角看，也具有积极的社会效益。
　　4) 精确农业产出的预测和统计，引导农业产业结构平衡发展。农业物联网技术通过应用遥感技术进行产量预测，通过将传感器件集成到机械装备上可实现精确测产，使得农业产业产量预测和精确测产技术得以广泛应用，有助于引导产业结构平衡发展，避免因信息不对称所导致的产业结构失衡，进而引发农民增产不增收等问题。
　　5) 实现“人”的“在场”解放。农业物联网技术实现了农业生产管理的远程化和自动化，减少了农业从业者到生产现场进行作业的必要性; 而农产品智能储运技术也使流通环节的从业者的“在场”参与必要性大大降低。“人”得以从“在场”的束缚中得到进一步松绑。这里的“人”既包括农业生产管理者，也包括提供咨询诊断服务的专家，还包括物流搬运人员以及销售终端的结算人员等。这种“人”的进一步解放对于人类突破改造自然活动的实体“在场”限制具有极其重大的社会价值和意义。

　　4 结语

　　农业物联网通过应用射频识别、二维码、电子耳标等身份识别技术对农业生产对象进行身份标识，通过传感器件实时感知和监测生产对象及其环境，继而根据感知和监测结果手动或自动对生产对象及其环境施加影响，以使农业生产、管理、加工、流通和销售等各循环流转环节更加智能化、数字化和远程化，使传统基于感性经验的农业生产作业方式逐步向智能精确的方向发展。农业物联网技术的应用提高了生产效率，降低了循环流转成本，节约了能源资源，提高了农产品经济附加值，带动了农业物联网相关技术设备和软件业的经济发展，产生了明显的经济效益。同时，农业物联网技术的应用还有利于实现农业领域的生态环境保护、食品安全保障、能源资源节约、农业产业结构平衡以及实现“人”的进一步解放等社会效益。
　　本研究有助于深化人们对农业物联网技术架构体系、技术应用及其社会经济效益的认识，对加强我国农业物联网技术的宣传和推广工作、推动其从示范走向普及、加速实现我国农业现代化具有积极价值和意义。
　　但也要看到，农业物联网社会经济效益的充分实现和发挥还有赖于农业生产经营的规模化和集约化，这也是农业物联网技术推广普及中有待进一步研究和解决的问题。

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