来源：中国果树（本文摘编自《中国果树》2023年第1期“物联网技术在果园生产中的应用分析”）
作者：杨晓慧，张国海，姚嘉，廉佶潭，邓玉杰，王）
我国是果树种植及果品出口大国，果树产业的发展速度关系到农业产业经济结构的调整和农村经济发展水平的高低。目前，我国正处于由传统农业向智慧农业快速转变的关键时期，传统的果树种植方式存在应对自然灾害能力差、机械化水平低等问题，不能满足当前优质果业和高端市场的发展需求。随着物联网技术的快速发展，智慧物联网产业园、无人农场、智慧果园等现代化生产模式在国家政策及智慧农业的创新驱动下，逐渐被更多人所接受。将信息感知层、传输层及应用层为一体的物联网技术应用到果园实际生产中，利用物联网技术所建立的农业专家系统、监测报警系统、水肥精量管理系统以及农产品精准溯源系统，可改善传统果园所面临的大部分问题，推动实现果树种植标准化、管理精准化、决策智能化、销售品牌化的“四化”目标，从而推动当前果园种植生产走向自动化、智能化、无人化。
1.农业物联网技术
农业物联网
狭义的农业物联网主要体现在技术层面，指应用射频识别技术、传感技术、网络通信技术等对农业生产经营过程中涉及的内外部信号进行感知，通过互联网技术对其感知到的信号数据分析处理，实现农业信息的智能识别和农业生产的高效管理。广义的农业物联网指的是管理层面，指农业生产系统中智能化生产、生活和管理的社会综合体，在广义物联网的概念中，自然界的所有信息都是通过传感设备和技术系统来感知的，它是信息社会中农业领域发展的更高形态。
我国农业物联网萌芽于20世纪80年代，21世纪初得到快速发展。2008年IBM“智慧地球”战略以及2009年8月“感知中国”的提出，掀起了传感器、智能农业在各领域中的应用研究浪潮；2011年，农业部发布了《全国农业农村信息化发展“十二五”规划》，在规划中提出要重点开展物联网、传感器等现代信息技术的应用与发展；2013年，国务院发布了《关于推动物联网有序发展的指导意见》，从政策领域标志着物联网产业的发展方向。截至2020年，我国农业物联网体系已经进入成熟阶段，农业物联网产业基本形成。2022年农业物联网行业发展报告中指出，到2025年，基本建成天地空一体化观测网络、农业农村基础数据资源体系、农业农村云平台等数字化体系，增强农业数字经济比重，有力支撑数字乡村战略实施。
农业物联网的工作原理
在农业物联网中，通过传感器、FRID、GPS对自然界中的光、热、湿度以及病虫害信息等进行采集，通过ZigBee、LoRa等将采集到的农业生产信息传输至云平台的数据处理中心，利用Python程序挖掘有用数据后进行有效利用，实时查看果园生产状况，真正实现被窝里种果树。物联网的具体结构框架见表1。
物联网结构框架图主要由数据层、服务层、业务层、通讯层、设备层以及应用层组成。数据层由各类数据库组成，保证数据的存储容量及存储安全；服务层包含系统组件及服务引擎，保障数据的有效采集和无误传输，信息采集包含地上信息的采集以及地下信息的采集；业务层是具体的应用组件，包含园区监控系统、精准作业系统、智能节水灌溉系统以及安全溯源系统；通讯层起承上启下的作用，与设备层的终端设备相连，将传感器所采集的信息通过光纤传输至设备层进行分析处理；农业物联网系统的最高层次即应用层，可根据用户需求搭建不同的运营平台，通过信息技术与行业的深度融合，实现农业集约、高产、优质、高效、生态、安全的目标。
2.物联网技术在果园中的应用现状
在果品生长环境方面的应用
果园物联网技术不仅可以对环境温度、土壤墒情等指标进行数据采集，还可以分析土壤质量的变化趋势。在果树生长过程中，根据土壤质量变化及时进行水肥供给。同时，恶劣天气也会影响果树的生长发育。苹果树树体在开始生长、花序分离、开花、坐果等重要时期，对低温特别敏感，抗冻性较弱。如出现昼夜温差大、气温突变等情况，容易对果树造成不可逆损伤，导致大面积减产。通过物联网技术将果品生长环境进行数据采集并分析，可有效降低环境对果品造成的损伤。
国外将物联网技术应用在果品生长环境等方面起步较早。美国smart公司设计开发了SMART肥料管理软件，使种植者和作物顾问能够不断优化作物肥料管理并实现利润最大化。Awtoniuk等采用Pt100传感器设计了一套可提供连续信息的气温监测系统，通过反距离加权插值（IDW）方法测量所有传感器的温度值来计算果园中任何地方的温度，传感器可根据适当的权重进行校正，减少误差，实现传输更快、测温更精准。在波兰，为了最大限度地减少误差预防冻害，环境监测系统可实现精准绘制果园温度图，在预警的同时启动移动式空气加热器预防冻害发生。该系统可有效减少温度对果树的影响，但移动式空气加热系统造价成本较高，不适合我国丘陵山区的果园种植。
国内近几年才将重心转移到果品生长环境监测上。目前传统的果园水肥采用的是开沟施肥、大水漫灌的方式，水肥利用率低、易伤根且易造成土壤板结。为了解决上述问题，谢秋菊研究了可自动完成母液配制、水肥循环、水肥灌溉的水肥一体化系统，为丘陵地区的果园管理提供了切实可行的灌溉方案。张宝峰等利用物联网技术通过土壤传感器实时采集土壤信息，对土壤水分、钙磷钾含量以及pH值进行检测，在服务器中及时分析并更新当前土壤情况，以便用户及时进行补水施肥。针对果园环境复杂、网络覆盖条件差等问题，曾镜源等利用物联网技术设计了一套山地果园灌溉实时监控系统，将NB-IoT和LoRa技术进行整合，有效解决了信号覆盖盲区的问题。水肥一体化系统的重难点还在水肥的配比以及智能控制方面，宋新财针对此问题设计了一套精简的水肥一体化设备，实现了精准调控水肥配比以及精准控制施肥量，同时搭载Arduino控制中心，实现了远程控制。
为了对果园环境进行及时预警，谢娜在果园中布置环境节点主板，利用ZigBee技术进行数据精准采集，设置数据的阈值，达到阈值后，系统会自动发出预警信号，指导农户及时采取措施预防灾害发生，其果园环境监测与报警系统的拓扑图如图1所示。但因传感器的数量和位置问题，会产生较大误差。当前国内的环境监测系统还在推广实验阶段，在环境监测方面只实现了预警，精准性和数据传输问题仍然突出。
图1 果园环境监测与报警系统的拓扑图
在果品质量方面的应用
随着生活水平的提高，人们对于水果品质的要求也越来越高。将物联网技术应用于果树生长过程中病虫害监测以及果实品质提升是目前国内外学者新的研究方向。Agarwal等利用线粒体细胞色素c氧化酶亚单位I（COI）基因的新的环介导等温扩增（LAMP）分析方法，可快速、简单、低成本、准确地鉴定植物是否被秋黏虫侵害。Nanni等提出了一种基于CNN和Adam优化变体的昆虫分类方法，在害虫数据集上训练了6种优化功能不同的CNN架构，研究表明Adam优化变体可减少过度拟合，提高对害虫幼虫识别的准确性。Yousefi等采用遥感技术识别橡树林中的害虫，可有效进行森林中虫害的检测及监测。
国外虽能实现幼虫的识别诊断，因其诊断时间长、造价昂贵以及缺乏专业监测人员等问题，一直存在瓶颈；相对国外来讲，国内的病虫害识别技术大数据管理水平低且识别准确度较低，在昆虫种类识别方面未能实现真正的智能化监测。针对国内外的巨大差距，我国学者进行了详细的研究。
为了保证病虫害监测系统的时效性，李震等设计了基于物联网的病虫害监测与预警系统，由智能捕虫器、监测终端、远程终端及移动终端组成（图2）。监测设备终端用来暂时储存来自智能捕虫器节点的监测信息，根据用户所设定的时间间隔，及时将汇总的监测信息通过GSM/GPRS服务发送至远程终端设备，当所捕捉的害虫达到一定数量或种类时，系统会触发报警机制，提醒果农进行及时防控。
图2 果园病虫害监测与报警系统结构图
除上述系统结构外，卜宇飞等通过探测仪侦听昆虫声音来实现病虫害监测的系统，通过检测虫害爬行、取食、自卫等情况，提高果园虫害识别的效率。施盛华研制出一种基于物联网与图像识别的太阳能果园虫害监测系统，通过图像识别，形成一种有效分割昆虫图案的方法，通过技术手段对昆虫的特征进行提取，提高果园虫害识别的准确率。但因气候问题，病虫害越冬成活率提升，第2年大面积暴发病虫害的风险增大，加之外来入侵病虫害种类的增多，给病虫害的监控和预警提出新的挑战。
除了利用物联网技术监测果实生长过程中的病虫害外，张平川等利用物联网技术设计了果熟期降温系统。该系统是在6—8月果熟期的夜间，在空气中弥撒16℃低温水雾。弥撒水雾可降低果园夜间的环境温度，促进水果有机物积累和糖分转换，从而提高果实的糖度以及干物质的含量，改善果品品质。姜正旺等在猕猴桃优质栽培的探索中也提出在当前果树种植中，改善果品质量是当务之急，但目前国内外的研究主要集中于果品质量的智能化检测和分类方面，对于采用物联网技术提升果品品质方面的研究还较少。
在果品精准溯源方面的应用
近些年来，随着经济全球化以及地球村战略的发展，很多国家开始重视农产品的溯源管理，纷纷建立了果品溯源标准和体系。国内外的溯源体系大多是对RFID识别技术研究的不断扩大，但RFID技术本身存在着成本较高、技术标准难以统一等问题。
Panebianco等采用元素成分对食品的认证进行产品溯源，因为食品的营养和感性器官都与食品的原产地密切相关，通过用X射线荧光（XRF）技术建立快速且可重复的番茄果实来源和质量评估程序，对属于同一生产批次的番茄的不同部分进行测量，主成分和聚类分析结果表明，样品与生产批次相应聚类，可达到溯源的目的。Bhutta等搭建了基于区块链的SCM系统，利用物联网和区块链技术在运输过程中对农业食品供应进行安全识别、可追溯性和实时跟踪，在溯源的同时还能对易腐烂产品进行质量监控。
相对于国外，国内农产品溯源对RFID技术还存在较强的依赖。王东亭设计了脐橙全程追溯信息管理系统，设定“人、事、时、地、物、所属”６个基础追溯信息因子，着力解决当前特色农产品质量监管中存在的监管效率低、检验检测能力弱等问题。刘丹等将区块链的不易篡改与去中心化的特性运用到农产品的追踪溯源中，以此提高数据完整性，以此解决消费者与生产者之间的信任危机。目前产品的追踪溯源装置在计算机系统的带领下，进一步朝着嵌入式、多功能、智能化的方向发展，不断降低科技成本，满足了当前实时追踪、便携采集的要求。
溯源管理的产业链涉及生产者、监管机构、流通企业以及消费者，产业链主体较多且环节复杂，当前国内农产品的溯源标准化程度较低且监管缺乏常态化，在水果运输贮藏过程中滥用添加剂、伪造原产地标识以次充好等现象层出不穷，法律意识淡薄且缺乏统一正规的标准化管理体系。
3.物联网技术在果园生产中存在的问题及
解决方案
我国当前的智慧农业发展水平与欧美等发达国家差距较大。根据国际咨询机构研究与市场研究所的预测，到2025年，全球智能农业的市场价值将达到300.1亿美元，其中亚太地区（中国和印度）发展最快。在全球趋势的带动下，寻求短板加强整体技术水平尤为重要。综合上述物联网技术在果园中应用现状的阐述，现将其存在的主要问题总结如下。
农业物联网技术标准缺乏，农用传感器落后
2020年江苏省成立物联网标准化技术委员会，提到物联网通用功能体系及标识设计方法急需立项，我国的物联网标准体系正在逐步完善。但物联网标准的建立仍处于战略层面，缺乏详细的数据支撑，在信息感知及数据传输和应用层面，没有统一的HTML数据交换标准和格式转换方法。除此之外，由于我国农业作业的季节性、作业环境的复杂性以及传统观念根深蒂固的束缚，农业物联网的行业技术标准很难统一，发展模式模糊。针对上述问题，相关部门应结合各地区物联网发展现状，借鉴国外物联网标准体系，制定和完善全国通用的农业物联网技术标准，以标准化推进我国物联网体系搭建及快速发展。
目前，我国自主研发的农业传感器数量不到世界的10%，起支撑作用的领头企业少，所生产的传感器稳定性较差，整体质量水平亟待提升。根据市场调研反馈，果园农用传感器大多在户外或地下工作，作业环境对传感器损伤较大，传感器在果园中的电池续航能力和信号稳定性问题突出。除此之外，我国传感器的自主研发能力较弱，因研发周期较长，试错成本较高，降低了研发人员的积极性。对此，政府机构要加强科研经费的补助，企业要致力于提高传感器研发能力，加强对无线传感器的研发。
农业物联网建设成本较高，商业可持续性低
果园物联网设备的应用还处于“试点”时期，虽然架构体系成熟且投入市场的物联网系统很多，但因搭建价格昂贵且效用无法预估，现有的大多是政府支持，企业运营。在农业物联网系统建设过程中，环境传感器及动植物本体生理信息传感器的市场价格普遍较高，其主要成本来自研发、测量、实验及应用推广等环节，加上物联网的数据传输系统、通讯设备、服务器以及数据库和各类费用，搭建一套物联网系统价格昂贵。加之设备长期在自然环境中作业，直接暴露在烈日暴雨中，后期的维护成本也较高。
其次，农业振兴意识淡薄，农户与中间商、中间商与购买者之间存在信任危机，农业精细化以及智能化发展方面人才短缺等问题，也影响着果园物联网的商业可持续性。政府除了要加强财政资金倾斜及政策引导之外，还应建立教育培训、规范化管理和政策扶持三位一体的物联网专业农民培训体系，将农业物联网人才纳入新型农民培训计划，建设以农业物联网为主体的家庭农场示范队伍，提高农业经营主体素质。高校及科研单位要加强农业基础学科人才培养，在承担关键技术难题和科研任务的基础上，培育未来智慧农业发展主力军。
农业大数据技术水平低，信息安全问题突出
国外很多国家都有自己的农业大数据中心，在数据中心通过对相关农业数据的挖掘分析，指导本国农业生产。如美国的Farmers Business Network的农事信息网、克罗地亚的Farmeron网站、以色列的Phytech数据平台等。而国内的农业产业主体是农民，果园物联网作业环境大多在户外，山区、农村等地区大数据基站建设难度大，4G/5G信号传输不稳定以及电池组模块供电时间短等问题，导致农业物联网整体大数据管理水平及信号传输性能较差，农业数据建设滞后且数据标准缺失。除此之外，农业知识模型及控制阈值缺乏等问题，同样影响着农业物联网数字化的整体性能。
在物联网体系应用中，信息安全问题同样重要，现实的应用与虚拟网络的交互沟通，涉及很多安全和隐私性问题。一是生产作物核心数据的泄露，会导致作物在生长过程中受到人为损害。如病虫害的监测预警，假设有人修改数据信息，会导致作物发生病虫害，造成减产或颗粒无收。二是在农作物销售阶段发生数据泄露，部分加工商会利用数据漏洞，将不合格的产品流入市场，造成市场混乱，进而引发食品安全及粮食安全问题。
4.果园物联网未来发展趋势
传感器及网络传输配套技术的创新
加强传感器研发及网络传输配套设施建设，实现实时监控。传感器是果园物联网的核心技术，处于物联网系统的支撑地位。研发具有自主知识产权的传感器，着力解决传感器供电问题，打破技术瓶颈，是当前所要面对的首要问题。要鼓励并支持农用传感器向廉价、实用以及体积小等方向发展，降低传输感应设备的技术成本，加强研制针对农村地区的农业物联网产品，积极宣传当前农业物联网发展现状及优势，让农户敢用、会用。
加强物联网数据系统的兼容性，增强物联网数据传输的可靠性，增强硬件自给能力，缩短传输时间。根据各地实际情况应用网络传输的配套技术，加强网络基础设施建设，建立农业大数据的可操作标准，使不同的农业物联网设备能做到相互识别、格式兼容、互通互联。同时需要注意网络传输的安全问题，数据安全问题存在于果品生长前、生长中以及生长后期的销售溯源等过程中，不仅如此，网络自身的安全问题以及人为操作失误引发的安全问题也同样影响着物联网系统的正常运转。针对安全问题，我们应当强化防护意识，有效借助防火墙技术，及时进行网站及软件杀毒以及数据的加密保存，以保证物联网系统的高效正常运转。
农业知识模型和应用控制，阈值模型的构建
加强农业知识模型和应用控制阈值模型的构建，实现精准分析。以当前国内农业需求为导向，加强农业知识模型和应用控制阈值模型的构建，通过系统模型的设定代替传统经验，可以在一定程度上解决专业人员缺乏、农户上手难等问题。目前我国农业知识模型和深度大数据挖掘算法的实用性不强，难以实现按需动态控制和多指标控制，应用系统的智能化程度有待提高。果园农业的数字化模型相比于设施农业来讲，因其环境条件多变，日光温度以及气流场分布不稳定，建设难度较大。控制阈值模型的建设，在果园监测与预警方面发挥着重大的作用，因为果园种植业的地区性较强，病虫害的发生以及自然灾害的发生季节性明显，需针对各地区实际情况设立相关阈值，提前预警防灾。同时探索智能采摘以及智能套袋的可行性。
农业物联网技术标准体系的建立
加强农业物联网标准体系建设，全面支撑农业产业现代化转型需求。我国未来物联网需要一套与国际接轨、技术标准统一且自主化程度较高的技术标准体系。在国际上，发达国家和地区高度重视物联网标准的制定，目前也形成了IEEE、EPC global、ETSI M2M、ITU-T等有国际影响力的标准体系，涵盖了M2M通信、标签数据、空中接口、无线传感网等。而我国在农业物联网标准制定方面，因全国范围内的物联网产业园较分散，所存在的农业数据较混乱，缺乏统一的国家标准和数据传输转换方法。在未来物联网的发展中，一方面我国必须加快组织农业物联网相关标准的研究与修订工作，缩短与行业内发达国家达成共识的时间，统一农业物联网的技术和接口标准，掌握物联网农业市场的主动权；另一方面，加强国际合作，积极参与到国际物联网标准的建设工作，借鉴和引进国际先进标准，争取占领国际物联网标准建设制高点。
5.总 结
果树生产在农业经济结构中占据重要地位，发展果树生产可有效优化我国农业结构。果园物联网的搭建技术日趋成熟，可实现对果树种植环境的实时监测，能够对果实生长过程中的虫害进行有效预警，还可以通过监控调节温度提升果品品质。但因技术和人才的局限，存在技术标准缺乏、物联网模式模糊及物联网产业链不健全等问题。结合我国目前物联网技术在果园农业中的应用现状，提出以下几点展望：一是要统一物联网标准体系建设，完善物联网顶层设计，建立物联网产业生态，增强物联网的产业供给能力；二是加强专业人才培养，增强物联网行业从业人员的推广意识，着力解决农户与专业人员之间的信任危机，为果园物联网产业化建设保驾护航。
