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物联网:传感器改变农业“靠天吃饭”的传统

发布时间:2013/7/22 13:26:55 | 阅读次数:2366

关键字:物联网、农业、传感器

摘 要:从北疆到南陲,从东海到西防,中国复杂的地理、气候环境,决定了农业也以不同的形态呈现出鲜明的地域特色,即便如北京这样的政治、经济、文化中心,亦有独具个性的都市农业发展思路。这种多样性给了ict技术极大的用武之地,比如物联网。物联网技术并非新生事物,早年的传感网就是其雏形。近几年来,无线通信技术和数据处

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        从北疆到南陲,从东海到西防,中国复杂的地理、气候环境,决定了农业也以不同的形态呈现出鲜明的地域特色,即便如北京这样的政治、经济、文化中心,亦有独具个性的都市农业发展思路。这种多样性给了ict技术极大的用武之地,比如物联网。

  物联网技术并非新生事物,早年的传感网就是其雏形。近几年来,无线通信技术和数据处理技术的发展,使得传感网逐渐演进为今天的物联网(internet of things)。经典的物联网模型基本可以分为传感、传输、存储、计算四个环节,近两年兴起的移动互联、云计算、大数据等概念和物联网也密不可分。某种意义上,数据量的爆发式增长正是因为泛在的联接,由此对传输、存储和计算能力提出了新的要求。

  当物联网遇上农业,一般人首先想到的可能是用传感器获取温度、湿度、光照、风力等数据进行作物监控管理,或者在牛耳朵上打上rfid耳标进行动物溯源。但今天,看似简单的物联网技术对农业的渗透其实远超常识,因为应用场景的不同,物联网渐渐改变着古老农业“靠天吃饭”的传统。

  农机有“智慧”

  我国重要的粮食主产地东北,是应用大型农机装备的主要区域。在东北,粮食生产主要以农场为单位,比如黑龙江红星农场、856农场、闫家岗农场等。由于耕地面积广大,农场的生产经营与“一亩三分地”式的小农作业完全不同。

  比如土地平整和起垄作业,一方面对拖拉机手的技术和经验提出了很高的要求,因为这直接决定了作业质量如直线度、平整度;另一方面由于作业过程中需要注意力高度集中,造成劳动强度很大,非常需要拖拉机在作业过程中减少人为操作。

  因此科研人员想到给拖拉机安装传感器、激光仪、导航设备等,赋予拖拉机“智慧”,使得拖拉机在导航状态下自动走直;利用激光发收设备结合传感器精确完成土地平整作业。

  除了生产作业之外,农场的管理同样需要借助物联网。据黑龙江红星农场技术负责人孙洪江介绍,基于精准农业和现代化大农业的发展趋势,红星农场近年引进了一套机车监管服务系统。

  孙洪江说,红星农场属于国营农场,行使国家土地管理职能。农场把土地承租给农户,机车由农户自己购买,农场实行统一管理,每辆机车在农场有编制。农场根据农户的作业量进行结算。

  以往每年耕种时节,是由农机统计员手工统计每个农户的工作量,但因为耕种面积大,往往一块地有3~5台机车作业,有的车干得多,有的车干得少,统计员就偷懒取平均数,农户吃大锅饭。

  因此,为了能准确获取每个农户每天的工作量,农场和国家农业智能装备工程技术研究中心合作,给每台机车上安装一个传感器和gps定位,传感器能实时获取机车作业数据并传送到机载终端,终端把数据发送到农场的系统平台。

  孙洪江说,就是这样一套系统,一方面能让农场管理者实时了解机车的田间位置、作业轨迹、农户的作业量,系统自动生成日、月、年报表,给核算提供支持;另一方面由于机载终端可以自动生成作业报表,农户自己也可以很清楚地知道每天干了多少活,产生了多少效益。

  美国风河公司认为,利用物联网等技术使农田与农机网络化、为农场主提供决策支持是未来智能农业的发展趋势。未来不管是火星上的探测车、空中的飞机还是田间的农机,都需要具备一些基本能力——物联网中每一个终端设备都需要网络互连性、可管理性和安全性。

  孙洪江对这样的趋势看得很清楚,但多年的实践也让他深切体会到理论与现实的差距。他以精准农业中的变量施肥为例指出,困扰变量施肥的瓶颈在土壤取样和化验,虽然国外提供了土壤取样机和快速化验的设备,但误差率高,所以精确的变量施肥依然没有从技术上解决。

  温室与节水

  如果说大型农场的物联网技术还有些“粗犷”,那么对于温室种植而言,物联网加上自动控制技术,已经让整个生产过程变得智能化。

  在北京瑞正园种植部经理穆金星眼里,如今的草莓种植与十几年前已完全不同。穆金星介绍,他手下的一位草莓技术员种了20多年草莓,来瑞正园之前一直在辽宁老家种。“3个棚五亩地,一天看三次,夫妻二人忙得没时间扭秧歌。”穆金星笑说。

  在草莓种植过程中,湿度控制很关键,所以农户都会在大棚里放湿度计。“湿度不够就要浇水,所以人得成天在棚里呆着。”

  北京瑞正园成立于2008年,创始人张建国称最初的想法就是让家人吃上健康食物,养鸡种菜。后来渐渐涉足有机蔬菜水果的种植,基地面积从最初的160亩发展到现在2000余亩,投资超过3亿元。

  2011年瑞正园和北京市农林科学院、国家农业信息化工程技术研究中心合作利用物联网技术种植草莓,在大棚里装上可以探测土壤和空气温度、湿度以及光照强度的传感器,通过无线网络把数据实时传到监测系统,系统自动调节棚内的温度、湿度和光照。

  穆金星说,瑞正园的草莓一共156个大棚,技术管理员有52人,平均一个人管理三个棚,生产效率大为提高。

  节水灌溉是农业生产中相当重要的技术热点。在重庆忠县柑橘种植过程中,智能灌溉控制系统围绕“信息监测—决策控制—系统集成”三个关键环节,根据柑橘种植特征,对不同海拔高度柑橘生理生态信息及本地气象进行实时监测,同时配套灌溉施肥系统,为柑橘生长提供了最优的水肥保障。

  柑橘园相关负责人表示,这套系统的运行实现了果园信息采集自动化,信息管理远程化,生产经营决策智能化,大幅度提高了柑橘栽培与经营的效益,为柑橘产业现代化提供了基础数据源。

  尝到甜头的瑞正园,接下来还要把物联网及自动控制技术引入到葡萄等其他水果蔬菜的种植中。但是穆金星也承认,目前有些工作机器仍然没法替代人工,比如摘除老化的叶片、梳花梳果。

  蜜蜂的启示

  把传感器安装在田间地头并不困难,但要在动物身上放传感器就不那么容易了。一个有趣的例子是在蜜蜂身上贴rfid标签,这是伦敦大学queen mary学院的一项动物行为学研究。研究人员把实验室的几百只黄蜂贴上rfid标签,当黄蜂寻蜜时,安装在蜂箱或者假花里的阅读器就可以获取黄蜂的rfid数据。

  获取这些数据后就能更好地研究诸如“一个蜂房内可以容纳多少只蜜蜂”、“蜜蜂可以连续在外活动多久”、“蜜蜂‘迷巢’现象的原因”等蜜蜂行为学的课题。这改变了传统用颜料标识导致速度慢、精度差的弊端。

  国内的rfid企业远望谷(002161,股吧)在2009年与江西农业大学蜜蜂研究所合作建设了“基于rfid的蜜蜂研究信息平台”,在国内尚属首例。

  给蜜蜂贴上rfid芯片的例子大大拓展了传感器应用场景的想象空间,尽管这只是一项学术研究。在实践中,除司空见惯的给牛羊贴rfid耳标外,日本富士通公司给韩国的牛蹄绑上计步器观察“牛的发情行为学”,则产生了不小的商业价值。

  据韩国首尔韩畅牧场社长金希澈解释,对于畜牧农户而言,通过牛的发情期来支配怀孕、分娩的管理方法是直接影响销售的关键。

  牛的发情周期为21天,其中可孕时间仅有16个小时。如果错过这一时间段,就必须再等21天。在传统管理模式下,为了观察牛的发情征兆,牧场工作人员需要随时确认牛的状态。而牛的发情时间主要在夜晚和凌晨,即使安装有摄像头,依然难以有效观察。实际上,即便是经验丰富的工作人员,在肉眼观察时,平均发现率也只有58%。

  相比肉眼直接观察,富士通牛步系统使用计步器能准确掌握牛的生理周期。事实上,有发情征兆的牛步伐数会比平时增加。安装计步器后,每头牛的步伐数信息会通过发射器搜集到牛棚一边的接收器上。每隔一小时,接收器所采集的信息会传输到富士通的平台进行分析,得到的分析结果又传送给牧场管理员。

  金希澈说,牛步系统大幅降低了牧场的工作量,为工作人员赢得了更多时间。而最重要的收获是:发情发现率达到几乎100%,大大提高了繁殖率,增加了销售额。

  天安样本

  很多从事农业生产经营的管理者一直存有某种观念,认为物联网等ict技术只是农业生产管理某一环节的“锦上添花”,但在北京天安农业副总经理刘雁飞看来,ict技术已经全方位渗透到了农业全产业链的所有环节,旧有的农业模式正在被颠覆。

  天安农业始建于1984年,其前身为北京市农业局组建的小汤山特菜基地,2006年成立了北京天安农业发展有限公司,主要从事蔬菜的生产、加工和销售。据刘雁飞介绍,公司目前以有机蔬菜种植为主,全北京约有基地3000亩,140多家合作商超,并配备了自有物流。

  刘雁飞认为,传统的农业生产与市场销售是基本脱节的,农民的种植完全根据经验,“供不应求”或者“菜贱伤农”的现象经常发生。天安打破了这一模式,按照工业生产方式“以销定产”,由公司搜集市场需求,继而指导农户种植。

  “比如我预计今年需要提供1000斤黄瓜给市场,那我就会根据这个指标换算成具体每个种植单元的种植面积,然后与农户签订合约。同时我要对农户的生产全程管控,保证食品安全。”刘雁飞说,“这就需要依靠信息技术。”

  为此,天安农业引入了多个信息管理系统,如生产管理系统、销售管理系统、erp管理系统、温室管家系统、二维码追溯系统、配送管理系统等。据天安农业信息工程部经理李长春介绍,公司每年沉淀的数据量已经从4年前的40g提升到现在的100g,“老的sql server数据库已经跑不动了。”

  为此,天安将上马sap公司新推出的基于内存计算技术的高性能实时数据计算平台hana,这也是hana在sap business one平台的首次应用。刘雁飞回忆,2008年,天安在考察了用友、金蝶等软件企业之后,决定采用sap business one系统,天安也成为sap中小企业中的经典用户。

  “一旦走上了信息化这条路就没有退路,只能前行。”刘雁飞开玩笑称,“现在没有系统不知道怎么干活了。”

  天安模式下,一切都是数据:蔬菜水果品类、销售价格利润、农户种植面积、温室环境因子、消费者购买行为……这些数据如何关联分析产生商业价值,不光对天安,对所有的致力于农业信息化的企业,都是未来的课题。

  刘雁飞说,农业是一个看起来很美,做起来很累,沉下去又觉得乐在其中的行业。

 

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