乔晓军-设施农业信息化与物联网技术应用

设施农业信息化与物联网技术应用乔晓军博士，研究员国家农业信息化工程技术研究中心国家农业智能装备工程技术研究中心2015.7.7《设施农业联合会》2提纲一二三四信息化对农业现代化作用物联网技术在设施农业中应用对农业物联网价值的再认识发展趋势五单位简介一、信息化对农业现代化作用对农村科技推广人员的素质提出更高要求，他们不仅要提供农业技术或成果，还要帮助农民进行科学决策，提供与农业生产经营整个环节相配套的技术服务。农民的需求多元化，既需要市场信息、新技术、新成果，更需要推广人员帮助决策分析和解决实际生产经营问题，帮助他们实现增收致富和乡村综合发展。信息服务多样化需求希望获得自己关心的信息，对个性化服务需求日益增加信息服务个性化需求种植大户：种子产地；种子价格；种子适宜环境等信息农产品流通企业：农产品销量；农产品价格等信息一般农民：日常生活知识信息服务流动性、低成本需求农业生产流通用户地域分散，怎样以低成本方式提供随时随地的信息服务？农技推广效果每一项具体的农技推广活动，一般应包括两大要素，即推广技术内容和推广方法。内容与方法的有效结合是推广工作成败的关键，也是影响推广工作效率的主要因素，即：推广内容×推广方法×受众接受能力=推广效果内容(10)×方法(0)=0内容(0)×方法(10)=0内容(5)×方法(5)=25内容(3)×方法(8)=24农民接受能力效果信息技术-提高农技推广效率的手段效率取决于推广方式/方法。推广内容数字化，推广手段信息化，将大幅度提高推广效率将农业技术成果/知识/信息转化成易传播的形式计算机网路电话网络TV网络电信网络效率农技推广的信息化信息技术支撑的现代农业技术推广体系农业技术推广农民改变行为农业技术扩散推广教育培训信息传播展览会试验示范说服劝导其他沟通方法认识转变产生变革动机采纳新技术态度价值观转变成果转化为生产力新技术信息技术支撑从农技推广现状建立高效的推广体系2011农村地区人均收入6977元/人,比2010年增长11.4%，增量历史新高，增幅本世纪以来新高，连续两年增幅超过城市居民收入增幅“十二五”期间农村人均收入1000-1300美元前苏联学者帕尔凯维奇认为，当人均1000美元时，对信息将会表现出强烈需求农村信息化进入了快速推进期改革开放30年,中国已从低收入国家迈入中低收入国家行列，农业农村得到跨越发展.农业面临资源短缺、生态恶化、劳力短缺、食物安全压力，需要大幅度提高土地产出率、劳动生产率、资源利用率。农业信息化促进农业现代化传统生产方式落后：39.6%农村劳动力，创造11.3%的GDP种植业净利润(元/亩)低,[2008]稻谷235.6小麦164.5玉米159.2大豆178.5油菜308.5棉花-16.7甘蔗195.8苹果1945.5农村劳力缺乏，人工成本加大（%）小麦27.5稻谷38.6玉米42.1油菜48.0棉花48.8用信息技术和装备技术提升传统农业，转变发展方式，提高农业现代化水平，是我国农业的客观要求精准化/数字化DBS/MIS/MT，特征：数据库农业数据库/农业信息系统，功能：信息管理农业环境农业过程市场流通我国农业信息技术应用发展MT/SMT/DSS，特征：模型化决策支持/模型系统，功能：决策支持ES/CN/3S/VT/CT/CAD特征：网络化电脑农业/网络农业虚拟农业功能：优化/管理/服务精准农业空间信息技术网络通讯技术特征：智能化数字化功能：智能管理设计控制80年代前80-90年代90-00年代2000-2010数字农业农业物联网智慧农业？由传统向现代解决方案:智慧农业精准农业作业系统精准导航精准施肥精准施药拖拉机作物田间管理自动导航可节约肥料30%可节约用药60%大幅度提高作业质量我们落后20年！插秧机无人驾驶技术、拖拉机自动导航技术和基于机器视觉的导航技术在国外已经实用化拖拉机作物田间管理自动导航拖拉机耕地作业自动导航插秧机田间作业自动导航世界上167种农业机器人，我们占＜8%！半自动马铃薯移栽机(日本井关农机)英国智能喷药机器人英国蘑菇收获机器人挤奶机器人（带多种传感器装置）一个妇女可种10亩地提供:CCSInc.フェアリーエンジェル,日本颠覆传统的生产方式是普通日光温室的30倍是传统生产的50倍日本植物工厂项目对比工序数作业成本（元/公顷）作业速度（公顷/小时）1公顷作业时间（小时）平均故障间隔时间(小时）人工施肥6-7900.0520普通施肥机4-56820.540智能施肥机2-364.42.50.470人工施药7-81200.0812.5普通施药机4-580.240.2535智能施药机2-37660.260人工收割7-86000.0250普通收割机4-54590.5240智能型收割机2-34690.61.7100注：作业成本＝单位面积的（折旧费+修理提存费+油耗+人员工资+管理费）人工作业、传统农机具与智能农机具比较设施农业作业机械化程度仍然低，温室年平均用时达3600h/亩以上，人均管理面积仅相当于日本的1/5、西欧的1/50和美国的1/300。嫁接速度每天嫁接苗数年生产嫁接苗36万株完成时间成本人工嫁接每小时约120株/人960株360000/960=375天按人工费每天50元计，每年成本18750元自动嫁接机器人每小时500株/台4000株360000/4000=90天（3个月）售价4万，平均使用5年，每年成本8000-9000元产出效益：每株嫁接苗愈合后出售1.0元/株，每株净利润0.5元，即每年单台机器人嫁接苗盈利36×0.5=18万元。机器自动嫁接与人工嫁接比较6工人管理8万平米产量35-40Kg/m2欧洲奶牛场欧洲2工人管200头奶牛，我们是30头欧洲3工人管6000头猪我们是3人管100头猪二、对农业物联网价值的再认识•物联网：借助传感设备、互联网、移动通讯网联物（体），实现物与物，人与物，物与人之间的互连—物是没有主动感知与思考能力的，因此需要智能感知技术的支持每一个物体之间都可以通讯每一个物体都受计算机控制每一个物体都需要有独立地址每一个物体都可以感知与被感知耕種加工1999年美国麻省理工学院建立了“自动识别中心（Auto-ID）”，提出“万物皆可通过网络互联”，阐明了物联网的基本含义。物联网概念的提出2009年初，美国奥巴马政府提出了“智慧地球”计划，明确以物联网为基础；欧盟执委会发表了欧盟物联网行动方案；2009年7月，日本在提出物联网的“U-Japan”战略后又颁布了日本新一代的信息化战略“I-Japan”战略；2009年10月，韩国提出“U-Korea”战略后出台了《物联网基础设施构建基本规划》；新加坡启动了“下一代I-Hub”计划……当前发达国家纷纷瞄准农业等物联网重点领域、加强投入、抢占先机，有望在2020年形成统一的网络；发达国家对物联网的重视我国农业物联网的起步：•2010年1月5日，国家发改委委托中国工程院启动了“物联网发展战略规划研究”重大咨询研究专项---“精细农牧业物联网发展战略规划”2010年1月13日，中国工程院重大咨询项目“物联网及其在重要领域的应用”启动，包括物联网在农业领域的应用2010年4月11日，北京“物联网农业领域应用科技发展战略”高层研讨会“农业物联网技术与装备”已经纳入“十二五”863计划发展纲要,并已经首批启动立项。2011年国家发改委立项3个农业物联网示范（黑龙江，北京，无锡）2012年国家发改委立项物联网产业化项目，农业部在天津，安徽，上海做物联网应用示范2013年国家发改委立项物联网示范项目2014年国家物联网重大应用示范工程区域试点2011-至今工信部每年设立物联网专项我国要在未来全球农业竞争中立于不败之地，确保农业物联网核心专利、标准、技术、设备不受制于人，必须尽快由国家层面主导开展技术研究。●耕地数量质量监测管理●耕地保护监控与预警我国人均耕地1.37亩，耕地减少趋势不可逆转，18亿亩红线面临考验；耕地质量差，中低产农田占65%以上1998—2006减少耕地1.18亿亩(年均减少1475万亩）水土流失面积1/3沙化土地18%酸雨区面积30%19981999200020012002200320042005年2006年19.4519.3819.2419.1418.8918.5118.3718.3118.27单位：亿亩(亩/人)1.561.541.521.51.471.431.411.41.39农业物联网技术物联网农业应用P2910亿多亩耕地无灌溉条件，北方干旱、南方季节性干旱经常发生农业用水占总用水量的70%，灌溉水利用率47%（发达国家75%）每立方米水生产粮食不足1.0kg，而发达国家达到2.0kg以上。土壤墒情与水环境监测：旱情监测预警;节水灌溉…农业信息技术应用大面积灌溉农田中央远程控制与监测系统(西班牙),节水40%WSN控制1,500公顷灌溉农田7个分区分别由远程监测与控制单元控制各子系统之间和中央监控系统通过无线局域网通信2009年人均水资源量1784.9m3，少于全球平均水平的1/495-05气候灾害年均损失1779亿。干旱-53%；洪涝-28%；冷冻-7%。农业物联网技术土壤/水质/大气环境质量监测土壤本底调查与信息管理精准施肥管理，提高肥水资源利用率1996-2008年，化肥用量↑36.9%，粮食总产↑4.7%当季化肥利用率：N-30-35%;P-15-20%K-35-40%生态环境问题日渐突出，将成为制约农业持续发展的主要因素中东部地区受重金属污染土地占灌溉面积20%2009年我国氮肥消费量2800万吨（折纯），流失占16.9%农业物联网技术全程监管农产品与食物品质安全农产品品质安全是政府和百姓关注的重大问题。亚硝酸盐、重金属等有毒物质进入食物链，危及人类健康农业物联网技术农业物联网是农业信息技术领域的一次重大技术革命，是农业信息技术发展新的阶段，将彻底改变把“物理世界”与“IT世界”分离的传统思维。在农业物联网时代，农田、农机、生鲜农产品将与芯片、宽带、数据库系统实现整合，共同形成一个全新的“智慧农业基础设施”。未来农业的运转就在它上面进行，包括生产、管理、经营、服务等，有效服务农业全产业。物联网技术是推动信息化与农业现代化融合的重要切入点，也是推动我国农业向“高产、优质、高效、生态、安全”发展的重要驱动力。物联网技术应用可以实现合理使用农业资源、降低生产成本、改善生态环境、提高农产品产量和品质的目的，显著提高农业生产的科技贡献率。小结：农业物联网支撑现代农业发展三、物联网技术在设施农业中应用物联网的应用•设施生产智能化管理•设施环境远程感知、调控•设施病虫害预警及防控•农学专家远程可视指导•自然灾害预警与救灾指导•农药投入安全监管和溯源•生产、储运过程质量安全实时监测设施农业存在问题•生产过程管理粗放•生产效率低，劳动强度大•设施环境控制能力差•病虫害防控水平低•自然灾害防御能力低•配套技术服务体系薄弱•设施蔬菜质量缺乏保障产前产中产后投入品监管育苗管理肥水药投入设施环境控制病虫害防控收获指导配送过程质量监管质量追溯作物品质监管防灾减灾公众信息服务代表作物全国北京荷兰黄瓜(kg/m2)1518-2080番茄(kg/m2)10-1525-3060温度监测设施灌溉温室卷帘设备控制设施环境主要根据经验进行手工调控，管理手段落后，影响了产量和效益。缺乏先进的生物环境信息技术产品开展设施农业物联网技术研究应用具有重要的意义我国设施农业现状研究思路创新性技术内容：生物环境信息感测技术信息采集技术生产管理分析决策技术设施环境控制技术测控技术平台集成与应用系统定制叶片和茎秆测量装置图像采集中值滤波自适应背景分割区域生长Canny边缘检测植株水分胁迫分析图像处理形态学膨胀形态学细化茎秆直径实际值计算生物环境信息感测技术-生物信息创新性技术内容1研究了植株个体生命信息无损监测方法，实现了作物个体水分、蒸腾、器官生长速率的在线测量。叶