热带农业物联网技术实践与发展

本书主要介绍现代物联网技术在热带农业领域的应用实践，并对未来新技术应用于热带农业进行了展望。在本书中，详细介绍了热区的相关定义及热带农业相关知识，接着引入现代物联网技术相关内容，热带农业现代化与物联网技术融合的内容。依托热带农业信息化示范基地与热带农业物联网标准示范园等现代热带农业信息技术实践基地，对现代物联网技术在热带作物产业化、热带大棚设施、育苗与立体种植、热带果木水肥一体化、中控与展示等方面的示范应用做了详细介绍。*后，提出大数据技术、智慧农业技术在热带农业技术方面的应用将是下一阶段热带农业发展的一大机遇。

李汉棠，男，湖南益阳人。1976年出生，电子与通信工程专业，硕士研究生学历，副研究员职称。现工作于中国热带农业科学院科技信息研究所，目前从事热带农业信息技术应用研究，近年主要在农业物联网、农业大数据处理等领域开展了较多的研究工作，取得了一些研究成果。

第1篇：基础篇——热区的科技梦()

1热带农业概述()
11什么是热区()

12热区作物科普()
2现代热带农业()

21现代农业发展状况()

22热带农业现代化发展状况及对策()
3农业物联网概述()

31物联网概述()

32农业物联网的发展趋势()

第2篇：技术篇——现代热区的技术要素()

4传感技术()
41农作物信息感知技术()

42农业本体信息传感技术()

43农业个体标识技术()

44土壤信息传感技术()

45农田环境信息感知技术()

46农业遥感技术()

47定位与导航技术()
5传输技术()

51农业信息传输技术概述()

52农业无线传感器网络()

534G、5G通信技术()

54LoRa与NB-IoT的区别()
6农业信息处理技术()

61信息处理技术概述()

62大数据时代下的信息处理技术()

63国内外农业信息技术现状()
7农业信息决策与分析()

71农业信息决策系统()

72农业信息决策系统类型()

73决策实施()

74定位精度()

第3篇：应用篇——让热区插上科技的“翅膀”()

8热带作物产业化物联网应用示范()
81基地建设情况()

82解决方案()

83经济效益()
9热带大棚设施物联网应用示范()

91基地建设情况()

92解决方案()

93经济效益()
10橡胶育苗及立体种植物联网应用示范()

101基地建设情况()

102解决方案()

103经济效益()
11热带物联网现代标准示范园()

111基地建设情况()

112解决方案()

113水肥一体化实施过程()

114实施水肥一体化工程的重要意义()

115经济效益()
12热带果木水肥一体化示范基地()

121基地建设情况()

122解决方案()

123经济效益()
13物联网中控展示决策中心()

131系统简述()

132系统特点()
14品质资源追溯平台()

141基地建设情况()

142解决方案()

143经济效益()

第4篇：未来篇——物联时代的热区机遇()

15物联网助力热带农业大数据()
151热带农业大数据的内涵()

152热带农业大数据的主要应用()

153热带农业大数据的主要任务()

154热带农业大数据的关键技术()

155热带农业大数据带来的思维转变()

156大数据对热带农业发展的重要意义()

157热带农业大数据发展的挑战与困难()

158对我国热带农业大数据发展的建议()
16物联网让热带农业更“智慧”()

161热带农业物联网关键技术()

162区块链技术()

163区块链在农业上的应用()

164人工智能对世界的改变()
参考文献()

前言
我国是一个传统的农业大国，农业是国民经济的基础，农业生产的发展关系到人类生存、社会安定、人民生活水平的提高。热带农业是中国农业重要组成部分，主要包括热带作物、热带水产品和畜产品等产业，是生产重要的国家战略资源和日常消费品的产业，同时也是中国50万km2热区的重要经济支柱。
物联网概念早于1999年被提及，即把所有物体通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。而农业物联网则随着物联网概念的提出应运而生。同时像朗坤物联网这种专做农业物联网领域建设的企业也如雨后春笋般快速发展起来。在传统农业中，获取耕种田信息的方式很有限，主要是通过人工测量，获取过程需要消耗大量的人力。现代农业中，应用物联网可以实时地收集温度、湿度、风力、大气、降水量，精准地获取土壤水分、压实程度、电导率、pH值、氮素等土壤信息。从而进行科学预测，帮助农民抗灾、减灾，科学种植，提高农业综合效益，实现农业生产的标准化、数字化、网络化。随着智能农业、精准农业的发展，通信网络、智能感知芯片、移动嵌入式系统等技术在农业中的应用逐步成为研究的热点。
物联网在农业上的应用非常广泛：主要包括智能化培育控制，农产品质量安全，设施农业病虫害生物控制，环境和动植物信息监测，粮食物流，农业信息化应用等多个方面。应用物联网技术通过各种传感器采集信息，可以帮助农业从业者及时发现问题，并且准确地确定发生问题的位置，这样农业将逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。应用农业物联网可以有效降低人力消耗和对耕种田环境的影响，获取精确的作物环境信息，将从降低人工成本、节约能源、提升产品品质、提高产量等方面促进农业的发展，加速实现农业农村现代化。
农业是我国的基础性产业，大部分的农业劳动都是由人工完成的，其智能化水平比较低。物联网是继计算机互联网之后的第三次产业革命。随着物联网技术的引进与应用逐步实现了现代农业的智能化控制，农业生产在信息化应用的基础上跨出了一大步，从而将粗放的农业管理方式转向了信息化和集约型的管理控制，降低劳动力成本，保证农产品的质量安全，促进现代农业的迅速发展。随着国内外互联网的快速发展，计算机以及网络通信等技术拉近了人们之间的距离，增强了人与人之间的相互沟通。而物联网的应用与快速发展，更进一步地加深了人们对万事万物的了解。物联网可以将各种信息传感设备与互联网相连接，从而实现其智能化识别与管理。在人类生活和生产过程中，具有信息感知特点的物联网将会拥有更加广阔的应用前景。就现阶段而言，物联网已经成为我国的新兴产业。

我国是发展中国家，热带农业的发展是关系到我国国计民生的基础性产业，其信息化和智能化的程度不可忽视。把物联网引入和应用到科学研究和农业生产中，对加快农业智能化生产的发展，提高预防各种自然灾害的能力，建设现代化农业具有深远的意义和非常大的作用。目前，我国在热带农业生产、资源利用以及其他方面的科学研究都采用了多种信息技术，并且都取得了很大的发展。尽管如此，与发达国家的热带农业进行比较而言，我国仍存在较大的差距。发达国家的平均单位产量比我国高出30%，我国的单位产量成本反而比发达国家多出50%，这主要是因为我国农村的信息基础设施相对落后，比如信息的获取、保存、传输、处理等过程，大部分还使用传统的手工方式，利用计算机等现代化设备处理信息的比率还比较低。所以，我国的农业生产效率比较低。农业从业者往往不能及时地得到相关的信息，信息传播不及时。应该根据不同地区的不同特点，进行有目的有针对性的改善和发展，将农业信息化限度地利用起来。
本书是一本较为全面、系统阐述热带农业物联网技术实践与发展的科普读物。全书共分为4篇：篇为基础篇，主要介绍热带农业及物联网的基础知识与现状和发展趋势；第二篇为技术篇，主要介绍现代热区的主要技术要素，包括传感技术和传输技术；第三篇为应用篇，主要介绍了物联网技术在热区作物上的示范应用，包括热带物联网现代标准示范园、热带果木水肥一体化示范基地及品质资源追溯平台的建设应用；第四篇为未来篇，展望物联网时代下的热区农业发展机遇，物联网让热区农业更智慧！
本书借鉴和吸收了学术界广大同人的有关研究成果，限于篇幅，除书后列出的参考文献外，还有很多参考资料无法一一列出，在此谨致谢意。希望我们的研究能为热区农业的发展起到一定的促进作用。热带农业物联网技术实践与发展虽然不是什么拓荒之举，但仍然算一个崭新领域，也是一个涉及面广、实践性强的领域，限于作者水平和掌握的资料不足，书中有疏漏和不当之处，敬请广大读者批评指正。

1热带农业概述
11什么是热区
热带地区简称为“热区”，指南北回归线之间的地带，地处赤道两侧，位于南北纬23°26′之间的热带，面积占全球总面积的398%。特点是全年高温且温度变幅很小。在回归线上，本地带太阳高度终年很大，在两回归线之间的广大地区，一年有一次太阳直射现象，其他热带地区，一年内有两次直射，而且，这里正午太阳高度终年较高，变化幅度不大，因此，这一地带终年能得到强烈的阳光照射，气候炎热，称为热带。赤道上终年昼夜等长，从赤道到南北回归线，昼夜长短变化的幅度逐渐增大。在回归线上，长和短的白昼相差2小时50分。
热带地区除个别部分外，人口稀疏，大城市少，经济发展比较缓慢，许多地方为单一的种植业，有广阔的未开发土地。热带光热气候资源充足，作物生长周期短，单位面积年净生产力高。热带的动物和植物种类多，矿产资源十分丰富，开发潜力大。
热带气候与农业生产密切相关。世界上能够进行热带作物种植的土地面积约5亿多公顷，由于热带地区高温多雨、全年长夏无冬、水热资源丰富、植物生长繁茂，世界主要热带作物有天然橡胶、油棕、椰子、木薯、胡椒、槟榔、香荚兰、咖啡、可可、香蕉、芒果、菠萝、番木瓜、油梨、腰果等多种。热带地区主要是种植园大规模种植单一经济作物的密集型商品农业，种植园农业往往从事的是大规模生产。园内拥有一套完整的生产、生活设施，不少种植园不仅有农业和运输机械，还有园内的道路系统、农产品加工厂、农机具维修厂、供电供水以及教育、卫生设施。在这些地区有许多特殊的植物资源，如咖啡、可可、茶;香蕉、菠萝、芒果;油棕、剑麻、烟草、棉花和黄麻，它们在世界的经济作物中占有重要地位。
热带农业普遍具有作物生长季节长，种类及品种繁多，且富于热带性，四时宜农，作物经济价值高等特点。世界热带农业主要分布在东南亚及南亚，南美洲的亚马逊河流域，非洲的刚果河流域及几内亚湾沿岸等地。因受社会经济、历史条件的影响，上述地区除发展少数商品性热带种植园经济外，绝大部分地区仍以传统农业为主，部分地区尚处于原始农业形态。
111世界热区科普
1111气候特点
全年气温较高，四季界限不明显，日温度变化大于年温度变化。
1112气候分布
（1）热带雨林气候主要分布在赤道附近地区，全年高温多雨，且各月均匀。

1热带农业概述
（2）热带草原气候主要分布在非洲和南美洲赤道雨林气候的南北两侧。终年高温，一年中有明显的干季和雨季(降水分干湿两季)。
（3）热带季风气候以亚洲南部、东南部的印度半岛和中南半岛为显著。这种气候终年高温，一年中也可以分为旱雨两季，风向随季节而变化。旱季，风从陆地吹向海洋，干旱少雨;雨季，风从海洋吹向陆地，降水集中。
（4）热带沙漠气候主要分布在南北回归线附近的大陆西岸和内陆地区，这种气候降水量稀少，终年炎热干燥，地面有大片的沙漠。
1113热带地区国家分布情况
亚洲:中国(海南岛，台湾、广东、云南等省部分)、越南、老挝、泰国、柬埔寨、缅甸、马来西亚、新加坡、文莱、菲律宾、印度尼西亚、东帝汶、印度(部分)、孟加拉国(部分)、斯里兰卡、马尔代夫；
大洋洲:大洋洲除澳大利亚中南部、新西兰外全属于热带；
非洲:非洲地区除了北非诸国和南非外，大都属于热带；
拉丁美洲:除了阿根廷、智利大部、墨西哥北部不属于热带外，其他都属于热带。
112中国热区科普
我国热区地域辽阔，55个少数民族中有36个少数民族集中分布在热带地区。
中国热带地区包括海南和云南省南部的西双版纳、红河，广东的雷州半岛，广西壮族自治区（全书简称广西）、福建、湖南、四川省河谷南端地带、南海诸岛及台湾省南部。这些地区地形复杂，气候多样，光热充足、降水丰沛，属热带季风气候，有“天然温室”的美称。
12热区作物科普
热带作物一般具有多年生习性，多起源于或长期栽种于热带，一般要求较高的热量条件。热带作物分为热带经济作物类、天然橡胶类、硬质纤维类及热带作物机械类。主要包括天然橡胶、木薯、油棕等工业原料，香蕉、荔枝、芒果等热带水果以及咖啡、桂皮、八角等香（饮）料，是重要的国家战略资源和日常消费品。
121热带经济作物类
（1)热带经济作物主要包括热带水果和坚果，热带香辛饮料，热带油料，热带观赏植物，热带块茎作物，糖料，南药及其他。
（2)热带水果和坚果：香蕉、芒果、龙眼、荔枝、菠萝、杨桃、红江橙、毛叶枣、番石榴、番木瓜、番荔枝、西番莲、木菠萝、澳洲坚果、榴莲、黄皮、莲雾、腰果、红毛丹、山竹、火龙果等。
（3)热带香辛饮料：咖啡、胡椒、可可、香荚兰、苦丁茶等。
（4)热带油料：椰子、油棕等。
（5)热带观赏植物：花卉等。
（6)热带块根（茎）作物：木薯、槟榔芋等。
（7)糖料：甘蔗等。
（8)南药：槟榔、益智等。
（9)其他：牧草、芦荟、四棱豆、石斛等。
122天然橡胶类
天然橡胶是一种重要的世界性的大宗工业原料和战略资源，具有很强的弹性、良好的绝缘性、耐曲折的可塑性、隔水隔气的气密性、抗拉伸和坚韧的耐磨性能等，是一种综合性能优良的弹性材料，被广泛用于工业、国防、交通、民生、医药和卫生等领域。产地主要集中在泰国、印度尼西亚、马来西亚、中国、印度、斯里兰卡等少数亚洲国家和尼日利亚等少数非洲国家。我国的天然橡胶产地主要分布在海南、云南、广东、广西和福建等地区。
天然橡胶是由人工栽培的三叶橡胶树分泌的乳汁经凝固、加工而制得，其主要成分为聚异戊二烯，含量在90％以上，此外还含有少量的蛋白质、脂肪酸、糖分及灰分。天然橡胶按制造工艺和外形的不同，分为烟片胶、颗粒胶、绉片胶和乳胶等。但市场上以烟片胶和颗粒胶为主。
天然橡胶因其具有很强的弹性和良好的绝缘性、可塑性、隔水隔气、抗拉和耐磨等特点，广泛地运用于工业、农业、国防、交通运输、机械制造、医药卫生领域和日常生活等方面，如交通运输上用的轮胎；工业上用的运输带、传动带、各种密封圈；医用的手套、输血管；日常生活中所用的胶鞋、雨衣、暖水袋等都是以橡胶为主要原料制造的；国防上使用的飞机、大炮、坦克，甚至尖端科技领域里的火箭、人造卫星、宇宙飞船、航天飞机等都需要大量的橡胶零部件。
1221世界天然橡胶技术发展趋势
天然橡胶产业关联度大，涉及交通运输业、国防工业、建筑业、消费类产业和医疗业等，世界上主要的天然橡胶生产国和消费国都在采用各种方式加紧争夺对天然橡胶资源及高端技术的实际控制权，并试图以此驾驭全球天然橡胶市场。在未来一段时间，天然橡胶生产将面临着世界性的环境变化、劳动力短缺与合成橡胶等产业竞争的挑战和可持续发展的压力，天然橡胶生产技术呈现出多元化发展趋势。
（1）育种目标和手段趋向多元化。随着全球气候变化和天气现象增多，植胶园区向非传统植胶区发展、刺激割胶常规化以及对橡胶制品质量和品种的需要，橡胶树选育种需要从过去的生长、产量选择，扩大到抗风、抗寒、抗旱、抗病、耐刺激和胶乳特性等的选择，育种目标渐趋多元化。
此外，由于国内外大量研究发现砧木对接穗生长、产量和抗逆性具有显著影响，橡胶树选育种也将从以往关注地上部分——接穗的遗传改良，到关注砧木的改良。随着组织培养技术的不断完善，接穗—砧木一体化育种将成为橡胶树育种研究新方向。
（2）胶园管理趋于精细化。关于长期植胶而导致的土壤肥力降低、理化性质恶化问题日益受到关注，胶园土壤管理与施肥技术趋于精准化、高效化态势。近期已开展利用遥感影像解译出橡胶园图，同时对胶园土壤性质和胶树营养状况进行详查，绘制出详细的胶园土壤品质和养分分布图，然后利用橡胶树龄、种植密度、土地指数等参数调整肥料模型，为土壤管理和施肥等精准化管理提供依据。在橡胶树专用肥料研发方面，也向着浓缩化、缓效/长效化、多功能化发展，以满足橡胶树割胶生产期对养分的不同需要。
（3）采胶趋于高效安全化。为解决割胶工短缺和死皮病高发问题，高效、安全是未来采胶技术发展的目标。在未来一段时间，低频率、短割线和安全高产刺激技术是采胶技术研究的重点。化学刺激已取得了骄人的成就，更为高效安全的化学刺激尚有待相关理论的突破，而物理刺激是一个崭新的领域。此外，为应对割胶工短缺问题，20世纪90年代由马来西亚首先提出了气刺微割技术，经过10多年的试验与示范，已显示出其在提高割胶劳动生产率上的优势。目前各主要植胶国家都开展了该技术的试验示范。
（4）病虫害防治趋于统防统治。随着全球气候变化和植胶区生态安全水平下降，胶园常见病虫害发生的面积和频次逐年增加，新的危险性病虫害不断出现，次要病虫害上升为主要病虫害。而同时鉴于产业化水平的提高和生态环境安全的实际需求，在新的发展时期，胶园病虫害防控将向专业化统防统治方向发展，包括抗逆种植材料培育、区域种植结构优化、天敌资源的开发与利用、植株抗逆性诱导、多效无害化防控技术研发、利用遥感技术等，以减少农药施用对环境造成的危害。
（5）加工技术趋于清洁化和节能化。为降低天然橡胶初加工能耗，减少环境污染，满足对初产品质量和品种要求，在近期乃至今后一段时间，天然橡胶初加工技术主要致力于低能耗清洁加工技术研发，如机械脱水、天然气辅助沼气等清洁能源的利用。同时设计封闭式自动化生产线，开发低蛋白橡胶、恒粘橡胶、环氧化胶等新产品。此外，加工与上游的育种开始寻找结合点，如培育适合生产环氧化天然胶乳和恒粘天然橡胶的品种，减少加工所需成本及环节。