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江 苏 农 业 科 学 ꢀ 2016 年 第 44 卷 第 10 期
知 、 无 线 传 输 、 自 动 控 制 、 智 能 作 业 于 一 体 的 农 业 生 态 系 统 , 实
现 自 动 化 、 标 准 化 、 集 约 化 和 智 能 化 的 精 细 智 慧 农 业 。 咨 询 机
构 Beecham Research 报 告 显 示 , 物 联 网 能 为 世 界 带 来 70% 的 粮
食 增 产 , 从 而 满 足 未 来 全 球 近 百 亿 人 口 对 粮 食 的 需 求 。 目 前 ,
各 国 纷 纷 加 快 信 息 化 步 伐 , 针 对 各 自 国 情 增 大 农 业 物 联 网 发 展
力 度 , 并 且 在 技 术 创 新 和 应 用 模 式 等 方 面 取 得 了 较 大 进 展 。
提 供 用 于 收 集 和 处 理 土 壤 、 害 虫 、 气 候 等 农 业 相 关 的 信 息 服 务
产 品 , 开 发 出 一 系 列 在 线 信 息 服 务 工 具 和 高 级 农 艺 应 用
[ 10]
App
。
美 国 硅 谷 新 型 创 业 公 司 FarmLogs 公 司 为 农 户 提 供
基 于 农 业 物 联 网 的 云 服 务 , 客 户 覆 盖 全 美 15% 的 农 场 。
目
前 , FarmLogs 公 司 已 为 自 己 获 得 1 500 万 美 元 的 融 资 。 Farm
Logs 公 司 让 农 民 通 过 互 联 网 和 手 机 移 动 应 用 平 台 , 把 农 户 耕
作 方 面 的 数 据 ( 包 括 耕 种 面 积 、 土 壤 状 况 、 作 物 长 势 、 气 象 数
据 等 ) 上 传 到 公 司 研 发 的 物 联 网 云 平 台 上 , 公 司 在 平 台 上 为
农 场 建 立 信 息 流 通 的 数 据 库 , 如 单 个 农 场 使 用 的 种 子 、 施 肥
量 、 种 植 方 法 、 环 境 因 素 以 及 最 终 的 产 量 等 , 基 于 这 些 数 据 , 为
农 户 提 供 农 业 生 产 方 面 的 信 息 数 据 和 全 面 透 明 的 视 角 , 从 而
为 农 户 提 高 作 物 的 种 植 效 率 提 供 决 策 支 持 。 硅 谷 的 创 业 公 司
CropX 在 密 苏 里 、 科 罗 拉 多 和 堪 萨 斯 州 的 近 2 023. 4 hm2 农 田
中 为 农 户 提 供 “ 土 壤 物 联 网 ” 服 务 , 产 品 为 探 测 土 壤 参 数 的 传
感 器 硬 件 与 帮 助 农 户 展 示 相 关 数 据 的 软 件 组 成 土 壤 物 联 网 系
统 。 最 重 要 的 传 感 器 有 3 个 , 分 别 收 集 地 形 、 土 壤 结 构 和 含 水
量 , 以 决 定 土 壤 对 水 的 需 求 量 。 软 件 App 可 以 将 云 端 的 计 算
结 果 呈 现 给 用 户 , 比 如 灌 溉 地 图 、 土 壤 水 分 状 况 , 农 民 也 可 以
通 过 更 改 相 应 参 数 来 计 算 不 同 区 域 所 需 的 灌 溉 量 。 目 前 ,
CropX 公 司 的 土 壤 物 联 网 业 务 刚 获 得 900 万 美 元 A 轮 融 资 ,
产 品 开 发 正 向 肥 料 供 应 、 作 物 保 护 、 播 种 和 收 获 预 期 等 方 向 扩
展 , 应 用 范 围 正 逐 步 扩 张 到 美 国 全 境 。
2ꢀ 先 进 国 家 农 业 物 联 网 技 术 创 新 及 应 用 模 式 发 展 分 析
2. 1ꢀ 美 国
美 国 农 业 的 生 产 方 式 和 生 产 力 水 平 都 处 于 世 界 最 发 达 之
列 , 是 世 界 上 最 大 的 农 产 品 生 产 国 和 出 口 国 。 美 国 的 经 济 实
力 使 它 始 终 保 持 农 业 技 术 的 领 先 地 位 。 20 世 纪 50 年 代 美 国
就 开 启 了 农 业 现 代 化 历 程 ; 80 年 代 美 国 发 展 了 基 于 微 处 理 器
的 计 算 机 温 室 控 制 系 统 , 开 始 将 计 算 机 应 用 于 智 能 灌 溉 和 生
产 管 理 。 在 新 兴 技 术 领 域 , 美 国 将 物 联 网 上 升 为 国 家 创 新 战
略 的 重 点 之 一 , 正 在 持 续 加 大 传 感 器 等 核 心 技 术 研 发 力 度 , 加
快 技 术 成 果 应 用 和 产 业 化 进 程 , 谋 求 在 国 际 竞 争 中 的 领 先 位
置 。 先 进 的 科 学 技 术 是 美 国 先 进 农 业 的 坚 实 后 盾 。 借 助 包 括
物 联 网 、 微 电 子 、 大 数 据 、 云 计 算 、 信 息 储 存 和 处 理 、 人 工 智 能 、
地 理 信 息 系 统 GIS、 遥 感 技 术 RS 等 现 代 信 息 技 术 , 美 国 不 但
持 续 地 提 高 农 业 竞 争 力 , 而 且 占 领 了 世 界 农 业 信 息 发 布 的 制
高 点 , 特 别 是 在 大 田 耕 作 农 业 领 域 , 注 重 农 业 物 联 网 的 大 规 模
[ 7]
产 业 化 应 用 , 并 创 造 显 著 的 经 济 效 益
。
以 传 感 器 为 核 心 的 感 知 层 在 物 联 网 架 构 上 处 于 基 础 支 撑
地 位 , 美 国 在 微 型 传 感 器 技 术 研 发 制 备 方 面 处 于 全 球 领 先 地
位 , 基 于 强 大 的 微 电 子 技 术 和 精 湛 的 制 备 工 艺 , 传 感 器 的 感 知
对 象 和 监 测 指 标 日 益 精 细 化 。 日 前 , 美 国 科 学 家 研 制 出 基 于
叶 片 水 分 感 知 的 智 能 微 芯 片 [ 11] , 将 这 种 轻 薄 的 智 能 芯 片 贴 在
植 物 叶 片 上 , 当 植 物 缺 水 时 , 会 发 出 报 警 声 音 信 息 , 同 时 向 农
户 的 手 机 或 电 脑 发 送 信 息 提 醒 , 农 户 可 根 据 信 息 提 醒 远 程 操
控 灌 溉 施 肥 设 备 。 试 验 结 果 显 示 , 此 项 新 型 技 术 可 节 约
10% ~ 40% 的 灌 溉 用 水 量 , 为 农 户 节 约 了 大 量 的 成 本 。 美 国
科 学 家 Gutierrez 等 开 发 了 基 于 特 定 离 子 传 感 器 的 液 体 肥 料
注 入 系 统 [ 12] , 系 统 主 要 包 括 离 子 传 感 器 和 智 能 决 策 芯 片 , 离
子 传 感 器 能 在 线 监 测 土 壤 和 作 物 中 多 种 离 子 ( 如 氯 离 子 、 钾
离 子 和 镉 离 子 等 ) 的 浓 度 , 系 统 根 据 所 测 量 特 定 离 子 浓 度 能
自 动 进 行 植 物 所 需 营 养 的 诊 断 和 补 给 。 美 国 1 家 农 业 机 械 公
司 开 发 1 种 土 壤 施 肥 机 器 人 系 统 , 通 过 在 田 地 土 壤 里 布 置 传
感 器 , 并 使 其 与 施 肥 机 器 人 上 的 芯 片 无 线 通 信 连 接 , 可 准 确 测
量 土 壤 实 时 肥 度 状 况 并 精 准 施 肥 , 可 大 大 减 少 施 肥 量 、 节 约 成
本 。 马 里 兰 大 学 科 学 家 研 究 制 备 了 一 种 基 于 纳 米 银 颗 粒 的 表
美 国 政 府 十 分 重 视 对 农 业 现 代 化 信 息 技 术 的 政 策 扶 持 ,
把 农 业 的 教 育 、 研 究 和 技 术 推 广 作 为 自 己 的 重 要 职 责 , 政 府 专
门 成 立 由 大 学 、 政 府 、 技 术 推 广 部 门 和 农 民 代 表 组 成 的 农 业 推
广 指 导 委 员 会 , 为 促 进 科 研 、 技 术 推 广 和 实 际 应 用 的 紧 密 结 合
[ 8]
提 供 了 制 度 保 障
。
研 究 显 示 , 美 国 大 农 场 对 信 息 技 术 的 采
在 农 业 生 产 区 域 , 美 国 州 立 农 业 技 术 推 广
[ 9]
用 率 高 达 80%
。
部 门 设 立 了 大 田 观 察 点 , 农 业 技 术 人 员 周 期 性 在 这 些 观 察 点
收 集 和 处 理 温 湿 度 、 病 虫 害 等 大 田 生 产 数 据 , 并 利 用 观 察 点 的
计 算 机 和 通 信 设 备 , 将 上 述 信 息 数 据 传 送 回 各 州 农 业 部 门 , 农
业 部 门 研 究 审 核 后 发 布 和 传 递 给 本 地 区 农 业 经 营 者 。 对 利 用
农 业 物 联 网 监 测 的 大 田 多 个 维 度 的 数 据 如 空 气 、 光 照 、 降 雨 、
土 壤 、 作 物 、 设 备 、 人 和 图 像 进 行 有 效 提 取 、 加 工 、 分 析 、 处 理 ,
就 能 对 作 物 未 来 的 生 长 趋 势 进 行 预 测 预 警 , 从 而 实 现 降 低 农
业 生 产 风 险 ( 天 气 状 况 如 冰 雹 、 台 风 等 ) 、 提 高 作 物 生 产 效 益
的 目 的 , 美 国 还 高 度 重 视 物 联 网 在 农 业 应 用 中 的 标 准 化 问 题 。
目 前 , 致 力 于 推 进 农 业 电 子 商 务 发 展 和 农 业 信 息 技 术 使 用 的
AgGateway 组 织 和 帮 助 农 民 管 理 和 应 用 数 据 的 工 程 0ADA 项
目 正 在 合 作 研 究 农 业 数 据 标 准 化 问 题 , 拟 建 立 农 业 数 据 可 操
作 标 准 , 使 任 意 不 同 农 业 物 联 网 设 备 能 相 互 识 别 、 格 式 兼 容 、
互 通 互 联 。
面 等 离 子 共 振 方 法 的 传 感 器 系 统 , 可 以 快 速 便 捷 、 高 灵 敏 度 地
[ 13]
检 测 食 品 中 的 农 药 残 留
。 随 着 科 技 发 展 , 农 业 生 产 管 理 过
程 中 对 动 植 物 生 长 发 育 状 态 、 土 壤 水 肥 状 况 、 重 金 属 离 子 浓
度 、 相 应 的 生 态 环 境 甚 至 作 物 全 息 信 息 的 实 时 获 取 技 术 和 传
感 器 正 在 不 断 发 展 。 美 国 农 业 传 感 器 的 发 展 趋 势 主 要 为 : 进
一 步 向 微 型 化 、 智 能 化 方 向 发 展 ; 嵌 入 式 、 可 移 动 性 趋 势 日 益
明 显 ; 监 测 对 象 和 指 标 进 一 步 精 准 化 ; 新 材 料 、 新 原 理 、 新 工 艺
的 新 型 传 感 器 研 发 层 出 不 穷 , 例 如 , 微 纳 米 技 术 的 发 展 不 仅 为
传 感 器 提 供 了 良 好 的 感 知 材 料 , 还 为 传 感 器 制 作 提 供 了 许 多
除 了 政 府 的 引 导 和 支 持 外 , 民 间 资 本 在 农 业 物 联 网 也 十
分 活 跃 , 并 展 现 了 旺 盛 的 生 命 力 。 美 国 农 业 器 械 供 应 商 如 约
翰 迪 尔 公 司 ( John Deere) 、 克 拉 斯 ( Claas) 和 凯 斯 纽 荷 兰 ( CNH
Global) 都 已 经 开 始 进 军 物 联 网 , 并 先 后 投 入 巨 资 。 美 国 农 业
种 业 巨 头 孟 山 都 公 司 ( Monsanto) 近 年 来 将 视 角 瞄 准 了 农 业 信
息 技 术 和 农 业 物 联 网 , 并 取 得 明 显 成 效 。 通 过 收 购 农 业 种 植
技 术 开 发 公 司 ( Precision Planting Inc. ) 和 意 外 天 气 保 险 公 司
新 颖 的 方 法 和 技 术 , 与 传 统 的 传 感 器 相 比 , 其 尺 寸 小 、 精 度 高 、
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万方数据
( Climate Corp) , 孟 山 都 正 在 朝 精 准 农 业 进 发 , 并 且 已 经 开 始
功 耗 低 , 具 有 较 大 的 优 势
。
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