高萬林 張港紅 張國鋒 黃峰 吳德華 陶莎 王敏娟

摘? ?要：智慧農(nóng)業(yè)是充分運(yùn)用人的智慧發(fā)展農(nóng)業(yè)的新形態(tài)，它是農(nóng)業(yè)發(fā)展的新階段、新模式和新業(yè)態(tài)。農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的發(fā)展是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然要求，以農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、農(nóng)業(yè)等離子體等新一代技術(shù)可以賦能智慧農(nóng)業(yè)，為智慧農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展提供了新技術(shù)、新手段和新方案。農(nóng)業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)化是引導(dǎo)農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步與創(chuàng)新的前提，是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切需要;農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)專用芯片是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)及裝備;農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)與云計(jì)算是海量復(fù)雜農(nóng)業(yè)信息處理的有力技術(shù)支撐;農(nóng)業(yè)信息安全與區(qū)塊鏈?zhǔn)潜Ｕ限r(nóng)業(yè)信息安全、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證與農(nóng)業(yè)安全的關(guān)鍵;農(nóng)業(yè)人工智能是提高農(nóng)業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)力、降低資源消耗、智能高效生產(chǎn)的必然選擇;農(nóng)業(yè)等離子體技術(shù)是發(fā)展健康農(nóng)業(yè)、提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)切實(shí)有效的新手段。智慧農(nóng)業(yè)核心關(guān)鍵技術(shù)原始創(chuàng)新自主可控，必將引領(lǐng)智慧農(nóng)業(yè)健康發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè);農(nóng)業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)化;農(nóng)業(yè)專用芯片;農(nóng)業(yè)信息安全;農(nóng)業(yè)等離子體技術(shù)

中圖分類號(hào)：S24? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：201812-SA015

高萬林， 張港紅， 張國鋒， 黃? ?峰， 吳德華， 陶? ?莎， 王敏娟. 核心技術(shù)原始創(chuàng)新引領(lǐng)智慧農(nóng)業(yè)健康發(fā)展[J]. 智慧農(nóng)業(yè)， 2019， 1（1）： 8-19.

Gao W， Zhang G， Zhang G， Huang F， Wu D， Tao S， Wang M. Original innovation of key technology leading healthy development of smart agricultural[J]. Smart Agriculture， 2019， 1（1）： 8-19. （in Chinese with English

abstract）

1? 引言

人類智慧的不斷進(jìn)步一直促進(jìn)著農(nóng)業(yè)的發(fā)展。特別是作為人類智慧結(jié)晶的科學(xué)技術(shù)極大地推動(dòng)了農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，使現(xiàn)代農(nóng)業(yè)進(jìn)入了智慧農(nóng)業(yè)的新階段。智慧農(nóng)業(yè)是在農(nóng)業(yè)產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后閉環(huán)全產(chǎn)業(yè)鏈中充分運(yùn)用人的智慧發(fā)展農(nóng)業(yè)的新形態(tài);是全面、系統(tǒng)運(yùn)用人類智慧，因地制宜、因力而行、因時(shí)而作、因需而為的農(nóng)業(yè)發(fā)展新階段;是應(yīng)用新一代信息技術(shù)等對(duì)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集識(shí)別清洗獲取有價(jià)值的信息，再對(duì)信息進(jìn)行甄別挖掘處理得到體系化的知識(shí)，通過人的智慧分析判斷綜合形成系統(tǒng)化的結(jié)果，持續(xù)作用于農(nóng)業(yè)智慧經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新模式;是不斷提高農(nóng)業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低資源消耗、提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、防范農(nóng)業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、保障農(nóng)業(yè)安全的實(shí)踐路徑和新業(yè)態(tài);是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的理念和目標(biāo)，是傳統(tǒng)農(nóng)耕文化的傳承與創(chuàng)新，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)文明的價(jià)值趨向、文化訴求和演進(jìn)方向。

智慧農(nóng)業(yè)的典型應(yīng)用模式是以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)感知農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)[1]， 通過云計(jì)算、大數(shù)

據(jù)等手段進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能決策[2-4]。當(dāng)前，以人工智能技術(shù)應(yīng)用為代表的智慧農(nóng)業(yè)則是通過強(qiáng)大的計(jì)算力模擬人類思維活動(dòng)，并對(duì)現(xiàn)有知識(shí)進(jìn)行不斷學(xué)習(xí)，不斷更新自身的知識(shí)體系，進(jìn)而提升決策精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全面指導(dǎo)。例如，在農(nóng)產(chǎn)品行情預(yù)測(cè)中，通過建立市場(chǎng)價(jià)格趨勢(shì)模型，將農(nóng)產(chǎn)品規(guī)模、市場(chǎng)需求作為輸入預(yù)測(cè)價(jià)格走向來指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn);在生產(chǎn)管理方面，以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無處不在的感知技術(shù)為基礎(chǔ)，充分地獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，建立其與產(chǎn)量、品質(zhì)等指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，通過輸入實(shí)時(shí)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)農(nóng)事生產(chǎn)管理的智能決策。

近年來，我國以互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等為代表的信息技術(shù)發(fā)展取得了比以往更加顯著的進(jìn)步，但與世界先進(jìn)技術(shù)水平相比，很多方面還有較大差距，特別是原始創(chuàng)新技術(shù)能力差距較大。核心信息技術(shù)原始創(chuàng)新和自主可控是我國信息化建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是保護(hù)信息安全的重要基礎(chǔ)，也是實(shí)施強(qiáng)國戰(zhàn)略根本之路。只有大力提高原始創(chuàng)新能力、關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新能力和系統(tǒng)集成能力，擁有專有技術(shù)和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，才能在國家間的科技競(jìng)爭中，在國際產(chǎn)業(yè)分工和全球經(jīng)濟(jì)格局中占據(jù)戰(zhàn)略制高點(diǎn)，牢牢把握經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主動(dòng)權(quán)，把握經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整與增長方式轉(zhuǎn)變的主動(dòng)權(quán)。

新一代信息技術(shù)為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展注入了新活力、新思維、新動(dòng)力。在眾多的核心信息技術(shù)中，農(nóng)業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)化是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展階段的迫切需要，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)專用芯片為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供核心技術(shù)與裝備，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)與云計(jì)算為處理海量復(fù)雜農(nóng)業(yè)信息提供了有力的技術(shù)支撐，農(nóng)業(yè)信息安全與農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈?zhǔn)潜Ｕ限r(nóng)業(yè)信息安全、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全認(rèn)證與農(nóng)業(yè)安全的必然選擇，農(nóng)業(yè)人工智能可以提高農(nóng)業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)力，保障農(nóng)業(yè)高效智能化生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)等離子體技術(shù)是發(fā)展健康農(nóng)業(yè)、提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)切實(shí)有效的新手段。因此，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)專用芯片、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)與農(nóng)業(yè)云計(jì)算、農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈、農(nóng)業(yè)人工智能、農(nóng)業(yè)等離子體技術(shù)作為主要的前沿核心關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有巨大的引領(lǐng)作用，必須大力加強(qiáng)自主原始創(chuàng)新能力，尋求技術(shù)創(chuàng)新突破。同時(shí)，智慧農(nóng)業(yè)必須結(jié)合自身業(yè)務(wù)特點(diǎn)和安全需求，不斷推進(jìn)農(nóng)業(yè)自主可控信息系統(tǒng)的研制與應(yīng)用。通過建立政府主導(dǎo)、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)支撐、農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈參與、消費(fèi)者可信的國產(chǎn)化信息安全生態(tài)圈，保障智慧農(nóng)業(yè)核心技術(shù)的自主可控及信息安全。

智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)完成自主可控研發(fā)過程，但要滿足農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域更大規(guī)模、更復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景的需求，將面臨著大量的技術(shù)攻關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等多方面難題，也會(huì)面臨新的挑戰(zhàn)。本文重點(diǎn)分析了農(nóng)業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)化和以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)專用芯片、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)與云計(jì)算、農(nóng)業(yè)信息安全與農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈、農(nóng)業(yè)人工智能、農(nóng)業(yè)等離子體技術(shù)為代表的技術(shù)對(duì)智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的巨大推動(dòng)作用，并綜合當(dāng)前科技發(fā)展和時(shí)代背景，提出只有自己掌握了核心技術(shù)，才能談農(nóng)業(yè)信息安全、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，要實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)健康發(fā)展，必須堅(jiān)定走核心信息技術(shù)原始創(chuàng)新的道路。

2? 農(nóng)業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)化

信息化是充分利用信息技術(shù)，開發(fā)利用信息資源，促進(jìn)信息交流和知識(shí)共享，提高經(jīng)濟(jì)增長質(zhì)量，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展轉(zhuǎn)型的歷史進(jìn)程。農(nóng)業(yè)信息化是指在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域全面地發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，使之滲透到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理與服務(wù)以及農(nóng)村社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生活等各個(gè)具體方面的全過程。信息技術(shù)和農(nóng)業(yè)技術(shù)集成產(chǎn)生了眾多的應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序幾乎包含農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中所有信息化程序[5-7]， 這些信息化程序?qū)r(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。因此，發(fā)展農(nóng)業(yè)信息化是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的必要手段。

標(biāo)準(zhǔn)是人類文明進(jìn)步的成果[8]， 伴隨著經(jīng)濟(jì)

全球化深入發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)在支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展、促進(jìn)科技進(jìn)步、規(guī)范社會(huì)治理、引導(dǎo)技術(shù)進(jìn)步、助推創(chuàng)新發(fā)展中的作用日益凸顯。我國在智慧農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立和完善方面存在巨大缺失，標(biāo)準(zhǔn)化已成為產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展迫切需要解決的重大戰(zhàn)略問題。

農(nóng)業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)化是信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)支撐，信息化的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息共享和管理自動(dòng)化。沒有農(nóng)業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)化，無法實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)共享，就不能實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化。只有以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為基礎(chǔ)，做好農(nóng)業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)化工作，才能有效降低農(nóng)業(yè)信息資源開發(fā)成本，大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和發(fā)展水平，實(shí)現(xiàn)信息交流和資源共享。同理，智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的自主創(chuàng)新依賴于農(nóng)業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)化，農(nóng)業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)化又會(huì)促進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)科技的進(jìn)步，引導(dǎo)智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

然而，目前我國農(nóng)業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展相對(duì)緩慢。以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的智能傳感器為例，智能傳感器的核心是微處理器和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，具有自動(dòng)感知、數(shù)據(jù)處理、雙向數(shù)據(jù)通信等功能。智能傳感器作為智慧農(nóng)業(yè)信息源的采集終端，存在種類繁多、信號(hào)處理復(fù)雜、傳輸方式多樣等問題，應(yīng)用中不同品牌產(chǎn)品協(xié)議不兼容、可維護(hù)性差、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一無法共享、設(shè)施系統(tǒng)低水平重復(fù)建設(shè)等矛盾突出。因此，如何為智能傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)一套標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議和實(shí)現(xiàn)模

型[9-12]成為一個(gè)重要問題。

綜上所述，農(nóng)業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)化可以引導(dǎo)農(nóng)業(yè)信息核心技術(shù)的規(guī)范化，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和信息資源利用率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，從而引領(lǐng)智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。

3? 核心信息技術(shù)及在智慧農(nóng)業(yè)中應(yīng)用

3.1? 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)專用芯片

3.1.1? ?智慧農(nóng)業(yè)中的物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用場(chǎng)景

智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后[13]的信息管理與服務(wù)主要是利用物聯(lián)網(wǎng)、智能分析等技術(shù)，將種植對(duì)象的溫室或大田空氣溫濕度、光照度、土壤溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)和株高、葉片參數(shù)、葉綠素、水分脅迫等生物信息數(shù)據(jù)[14]進(jìn)行采集和處理，并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種氣象與環(huán)境數(shù)據(jù)、圖像視頻的實(shí)時(shí)采集與遠(yuǎn)程傳輸，有效提高農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)水平和農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性;實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴灌、科學(xué)施肥、生物防治病蟲害等科學(xué)化管理，提高作物種植水平，便于生產(chǎn)者及時(shí)掌握農(nóng)作物、園藝作物、蔬菜、果樹等生長動(dòng)態(tài)與災(zāi)害情況，并進(jìn)行快速診斷和預(yù)警;實(shí)現(xiàn)集感知、監(jiān)測(cè)、智能預(yù)警與分析為一體的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程信息監(jiān)管和服務(wù)。

基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與專用芯片的智慧農(nóng)業(yè)典型應(yīng)用場(chǎng)景可描述為：根據(jù)大田、溫室、畜牧場(chǎng)等典型應(yīng)用場(chǎng)景的農(nóng)作物和牲畜等不同對(duì)象的需要，搭建視頻圖像信息獲取和生產(chǎn)環(huán)境信息獲取系統(tǒng)，利用圖像、視頻、光譜以及溫濕度、酸堿度（pH）值、光照強(qiáng)度、風(fēng)速、降雨量、氮濃縮量、氣壓等各種傳感器獲取數(shù)據(jù)，通過互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云端服務(wù)器，并通過數(shù)據(jù)融合機(jī)制，統(tǒng)一、規(guī)范地存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上，通過計(jì)算與分析平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控分析決策功能，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精細(xì)化、遠(yuǎn)程化、自動(dòng)化與智能化，改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)粗放的生產(chǎn)方式。

典型應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示，主要包括種植業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和養(yǎng)殖業(yè)物聯(lián)網(wǎng)兩種應(yīng)用。

（1）在種植業(yè)中的應(yīng)用

種植業(yè)物聯(lián)網(wǎng)根據(jù)種植場(chǎng)景不同分為設(shè)施種植業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和大田種植業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

設(shè)施種植業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境相對(duì)封閉，基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化程度高，通過傳感器、控制器、信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)境的精準(zhǔn)監(jiān)控、智能決策與調(diào)控，降低運(yùn)維成本。典型代表是智能型數(shù)字植物工廠，其綜合集成了現(xiàn)代裝備工程、生物技術(shù)、信息技術(shù)、營養(yǎng)液栽培技術(shù)等多種高新技術(shù)，被國際公認(rèn)為農(nóng)業(yè)高技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一[15]。

大田種植業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行在復(fù)雜、瞬變、開放的自然環(huán)境中，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及技術(shù)要求更高。大田物聯(lián)網(wǎng)可以根據(jù)植物（如小麥、玉米、大豆、花卉等）不同生長階段特性和生長環(huán)境的光、溫、水、氣、土壤等數(shù)據(jù)信息，通過部署專業(yè)攝像頭，定時(shí)抓拍固定角度、固定位置具有代表性的植物圖像，實(shí)時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸、存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心和控制中心，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)查看現(xiàn)場(chǎng)近景圖像情況，并為遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)提供基礎(chǔ)圖像和視頻信息。

（2）在養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用

養(yǎng)殖業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要分為畜禽養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)與水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)兩部分。畜禽養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)主要實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖舍內(nèi)環(huán)境信息（包括CO2濃度、NH3濃度、H2S濃度、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、氣壓、粉塵等）的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、智能分析、預(yù)警等功能;實(shí)現(xiàn)舍內(nèi)通風(fēng)、濕簾、照明等設(shè)備的手動(dòng)控制、智能自動(dòng)控制以及遠(yuǎn)程控制，使養(yǎng)殖環(huán)境處于最適宜狀態(tài)。

水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)則是對(duì)水體環(huán)境進(jìn)行定期、不間斷地采集，包括水溫、pH值、溶解氧（DO）、濁度、光照、鹽度、水位等參數(shù)。同時(shí)，在養(yǎng)殖塘邊架設(shè)視頻監(jiān)控?cái)z像頭，對(duì)養(yǎng)殖塘實(shí)時(shí)監(jiān)控，提供水產(chǎn)養(yǎng)殖管理的預(yù)警與干預(yù)服務(wù)和智能分析服務(wù)。

總之，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控，由環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器（溫度、濕度、光照、CO2濃度、土壤水分等）、攝像頭、智能通訊終端、智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控平臺(tái)組成，掌握設(shè)施農(nóng)業(yè)的病蟲害情況和農(nóng)作物生長環(huán)境情況，提供病蟲害防控體系、農(nóng)作物生產(chǎn)服務(wù)體系和設(shè)施農(nóng)作物評(píng)價(jià)體系，減少農(nóng)藥使用，實(shí)時(shí)獲取并遠(yuǎn)程控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，使農(nóng)產(chǎn)品處于適宜的、安全的生長環(huán)境中，并通過作物生長模型與病蟲害生長模型判斷病蟲害發(fā)生概率的方法，避免病蟲害侵害;通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析農(nóng)產(chǎn)品的生長情況，根據(jù)農(nóng)作物生長積溫與發(fā)育關(guān)系預(yù)測(cè)成熟度及成熟時(shí)間，提供適時(shí)采摘標(biāo)準(zhǔn)，保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。通過智能化農(nóng)場(chǎng)管理改善農(nóng)作物生長環(huán)境、提高農(nóng)作物品質(zhì)、減少化肥農(nóng)藥使用量、提高生產(chǎn)管理效率、保護(hù)生態(tài)環(huán)境安全，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來經(jīng)濟(jì)效益。

3.1.2? ?物聯(lián)網(wǎng)芯片硬件結(jié)構(gòu)及芯片現(xiàn)狀

（1）信息采集設(shè)備典型硬件結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)信息采集設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，農(nóng)業(yè)專用處理器芯片是信息采集設(shè)備的核心，負(fù)責(zé)與其他設(shè)備模塊的通信及數(shù)據(jù)處理水平。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，從農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的不同階段來看，無論是從產(chǎn)前準(zhǔn)備還是產(chǎn)中維護(hù)和產(chǎn)后服務(wù)，都可以用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來提高工作效率和精細(xì)化管理水平，尤其是農(nóng)業(yè)專用處理器起到核心作用。

（2）處理器芯片現(xiàn)狀分析及建議

根據(jù)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景和面向解決的關(guān)鍵問題，可以將處理器芯片主要分為兩類：一類是以控制與驅(qū)動(dòng)傳感器為目的的控制芯片，如單片機(jī)、嵌入式處理器芯片等;另一類則是針對(duì)邊緣端計(jì)算力問題的專用處理器芯片，如ASIC、FPGA、DSP等，此類芯片主要針對(duì)無人機(jī)、機(jī)器人等計(jì)算能力有限，難以實(shí)現(xiàn)邊緣端設(shè)備的智能判斷或決策問題，且傳感器大多工作在邊緣端，需要足夠的性能和較低功耗長時(shí)間運(yùn)行的硬件。

芯片已經(jīng)滲透至物聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)層面，成為物聯(lián)網(wǎng)集成與應(yīng)用的關(guān)鍵核心技術(shù)，農(nóng)業(yè)信息從感知到傳輸再到應(yīng)用都離不開芯片，物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用將會(huì)引領(lǐng)芯片廠商的創(chuàng)新發(fā)展[16]。然而，當(dāng)前農(nóng)業(yè)上使用的處理器芯片都是按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，功耗、性能、成本和功能需求等都受到不同程度制約和限制。

國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)芯片廠商更專注于通信、支付、安全等領(lǐng)域，還沒有針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)開發(fā)專用的物聯(lián)網(wǎng)芯片。我國已經(jīng)高度重視農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和芯片技術(shù)發(fā)展，發(fā)布了多項(xiàng)支持政策。在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等相關(guān)部門頒布的《“十三五”農(nóng)業(yè)科技發(fā)展規(guī)劃》主要農(nóng)業(yè)領(lǐng)域關(guān)鍵突破技術(shù)和核心指標(biāo)任務(wù)中明確要求，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)國產(chǎn)處理器芯片與傳感器核心部件市場(chǎng)占有率達(dá)到30%以上[17]?！掇r(nóng)機(jī)裝備發(fā)展行動(dòng)方案（2016-2025）》提出，到2025年，機(jī)械化率要提升至75%以上，關(guān)鍵零部件自給率達(dá)到50%左右[18]。工業(yè)和信息化部于2014年就頒布了《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》指出，加快云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興領(lǐng)域核心技術(shù)研發(fā)，開發(fā)基于新業(yè)態(tài)、新應(yīng)用的信息處理、傳感器、新型存儲(chǔ)等關(guān)鍵芯片及云操作系統(tǒng)等基礎(chǔ)軟件，搶占未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點(diǎn)[19]。

發(fā)展以農(nóng)業(yè)專用處理器芯片為核心器件的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是智慧農(nóng)業(yè)的基本要求，也是農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的重要獲取途徑，更是發(fā)展農(nóng)業(yè)人工智能的基礎(chǔ)。因此，掌握處理器芯片的核心科技，研發(fā)針對(duì)農(nóng)業(yè)特定場(chǎng)景下的專用處理器芯片是實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)信息全面感知、智能處理的重要手段。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)一方面應(yīng)加大力度發(fā)展傳感器節(jié)點(diǎn)核心芯片、嵌入式操作系統(tǒng)、智能計(jì)算等核心技術(shù)，另一方面則應(yīng)加快標(biāo)準(zhǔn)制定和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，在未來農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模發(fā)展及國際競(jìng)爭中占據(jù)有利位置。從農(nóng)業(yè)信息安全和知識(shí)產(chǎn)權(quán)的角度考慮，研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)專用處理器芯片[20]， 對(duì)于我國智慧農(nóng)業(yè)所需核心

設(shè)備的自主可控性具有重要意義。同時(shí)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的處理器芯片可大幅降低芯片成本，進(jìn)而推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

3.2 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)與云計(jì)算

農(nóng)業(yè)是一個(gè)動(dòng)態(tài)開放、復(fù)雜多變的生命系統(tǒng)，存在大量的瞬變數(shù)據(jù)。采集、存儲(chǔ)、分析這些數(shù)據(jù)，并建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)活動(dòng)、規(guī)避生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)面向的處理對(duì)象主要為農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的各類結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，具有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大、復(fù)雜度高的特征。因此，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)主要技術(shù)攻關(guān)在以高性能處理器芯片為核心的并行存儲(chǔ)技術(shù)、高性能對(duì)象存儲(chǔ)技術(shù)和并行I/O訪問技術(shù)等方面。同時(shí)，在農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的算法層面上，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)挖掘算法不斷發(fā)展，支持向量機(jī)（Support Vector Machine， SVM）、反向傳播（BackPropagation， BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等得到了廣泛的研究。

大數(shù)據(jù)的核心技術(shù)是基于存儲(chǔ)的計(jì)算，從本質(zhì)上來說，大數(shù)據(jù)主要解決海量數(shù)據(jù)的搜集、存儲(chǔ)、計(jì)算、挖掘、展現(xiàn)和應(yīng)用等問題[2]。大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算提出了新的挑戰(zhàn)，而云計(jì)算技術(shù)為其提供了新的解決方案。云計(jì)算是將繁重的計(jì)算任務(wù)部署在由大量的計(jì)算機(jī)構(gòu)成的資源池中，使得用戶能夠使用終端獲取其計(jì)算能力與存儲(chǔ)能力。實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的分析與建模是農(nóng)業(yè)云計(jì)算的主要任務(wù)，處理器計(jì)算力的強(qiáng)弱是影響其發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)。高效的并行計(jì)算在一定程度上提高了云計(jì)算的性能。然而，針對(duì)海量的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)集時(shí)，傳統(tǒng)的并行計(jì)算模型已經(jīng)不能滿足其發(fā)展的需要，越來越多的技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)，如流式計(jì)算[21，22]與實(shí)時(shí)計(jì)算[23]等，這些都需要進(jìn)一步發(fā)展，為智慧農(nóng)業(yè)提供服務(wù)。

結(jié)合大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)，利用農(nóng)產(chǎn)品物理指紋圖譜對(duì)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行智能辨別意義重大。農(nóng)產(chǎn)品物理指紋圖譜是能夠鑒別農(nóng)產(chǎn)品個(gè)體之間差異的電泳圖譜，具有高度的個(gè)體特異性和環(huán)境穩(wěn)定性，就像人的指紋一樣，因而被稱為“指紋圖譜”[24]，多采用無損檢測(cè)技術(shù)獲得農(nóng)產(chǎn)品的信息并對(duì)其進(jìn)行二次編碼。

目前對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的多因素判定，如品質(zhì)鑒定、產(chǎn)地溯源、年份判定等，主要根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品的光譜特征進(jìn)行定性和定量分析，但是農(nóng)產(chǎn)品的物理指紋圖譜不僅受基因的影響，還與外界環(huán)境等各方面因素有關(guān)。因此，研究建立農(nóng)產(chǎn)品物理指紋圖譜數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，并建立完整的農(nóng)產(chǎn)品物理指紋圖譜數(shù)據(jù)庫，利用仿生模式識(shí)別方法建立通用可靠的農(nóng)產(chǎn)品物理指紋圖譜分析模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)、產(chǎn)地等多因素判定及認(rèn)證，以此保證人們的飲食安全。

3.3? 農(nóng)業(yè)信息安全與農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈

3.3.1? ?農(nóng)業(yè)信息安全重要性及研究方向

信息安全不僅是發(fā)揮信息革命帶來的高效率、高效益的有力保證，更是抵御信息侵略的重要屏障。信息安全問題全方位地影響我國的政治、軍事、經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)、文化、社會(huì)生活的各個(gè)方面，是一個(gè)不容忽視的國家安全戰(zhàn)略。

農(nóng)業(yè)信息不僅是農(nóng)業(yè)及農(nóng)業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的信息集合，而且是包括與農(nóng)業(yè)信息生產(chǎn)、采集、處理、傳播、提供和利用有關(guān)的各種數(shù)據(jù)資源。農(nóng)業(yè)信息安全就是要保護(hù)農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的計(jì)算機(jī)硬件、軟件、數(shù)據(jù)及應(yīng)用等不因偶然或惡意的原因而遭到破壞和更改;保護(hù)農(nóng)業(yè)信息資源不會(huì)被非法閱讀、修改和泄露，即保證信息的安全性。由于農(nóng)業(yè)信息從來源上看主要包括農(nóng)用地信息、農(nóng)產(chǎn)品信息、糧食信息、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程信息、生產(chǎn)者信息及消費(fèi)者信息等，因此，保護(hù)農(nóng)業(yè)信息的安全就是保護(hù)土地安全、糧食安全、社會(huì)安全及國家安全。由此可見，農(nóng)業(yè)信息安全是國家安全戰(zhàn)略的重要組成部分，農(nóng)業(yè)信息安全核心技術(shù)的掌握必須堅(jiān)持走自主創(chuàng)新之路。

為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的獲取、傳輸、處理、應(yīng)用全流程安全保護(hù)，需要加強(qiáng)以下研究工作：一是針對(duì)農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)信息傳輸中的數(shù)據(jù)安全和用戶隱私問題，研究構(gòu)建面向海量數(shù)據(jù)和用戶的數(shù)據(jù)和隱私保護(hù)基礎(chǔ)理論和技術(shù)體系;二是研究生物系統(tǒng)表型與環(huán)境數(shù)據(jù)保護(hù)理論模型，包括基于群上秘密共享算法的數(shù)據(jù)機(jī)密性和可靠性高效保護(hù)方案、基于新型密碼算法的數(shù)據(jù)訪問控制機(jī)制、加密數(shù)據(jù)的關(guān)鍵詞搜索方法、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性驗(yàn)證方法等;三是研究農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)隱私保護(hù)理論模型，包括隱私數(shù)據(jù)刻畫和甄別、數(shù)據(jù)發(fā)布隱私保護(hù)、標(biāo)識(shí)符匿名保護(hù)、位置數(shù)據(jù)隱私保護(hù)、數(shù)據(jù)脫敏處理等理論和技術(shù)方法，制定農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)隱私保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

新一代信息技術(shù)處理的核心是數(shù)據(jù)，而農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、種類多、來源廣等特點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展，必須首先保障農(nóng)業(yè)的數(shù)據(jù)安全和信息系統(tǒng)安全，在此基礎(chǔ)上才可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)、精準(zhǔn)管理、智能決策等，更好地促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)發(fā)展。

3.3.2? ?農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈及應(yīng)用

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)分布式賬本，一種通過去中心化、去信任的方式全網(wǎng)維護(hù)一個(gè)可靠數(shù)據(jù)庫的技術(shù)方案，是建立在P2P（Peer-to-Peer）網(wǎng)絡(luò)之上，利用分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、共識(shí)機(jī)制、加密算法、智能合約等核心技術(shù)保障系統(tǒng)安全高效的新型技

術(shù)框架，主要解決多方合作和可信處理的核心

問題[25，26]。

區(qū)塊鏈技術(shù)來源于信息安全，反哺信息安全。農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈為農(nóng)業(yè)信息安全保障提供了新的技術(shù)手段和發(fā)展機(jī)遇。農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈?zhǔn)抢脜^(qū)塊鏈去中心化、公開透明、數(shù)據(jù)不可篡改、數(shù)據(jù)共享、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)燃夹g(shù)特點(diǎn)，將用戶、認(rèn)證機(jī)構(gòu)、加工企業(yè)、銷售企業(yè)、物流企業(yè)等加入到鏈上，每個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上的信息形成一個(gè)信息和價(jià)值的共享鏈條，可做到信息全程可追溯，使得溯源平臺(tái)信息更加公平、公正、透明、輕量、高效地達(dá)成共識(shí)。同時(shí)，農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈?zhǔn)抢脜^(qū)塊鏈技術(shù)來改造傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)信息化基礎(chǔ)設(shè)施，研究建立安全高效的共識(shí)機(jī)制改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)信用體系;設(shè)計(jì)符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理的智能合約提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、降低運(yùn)行成本;利用分布式賬本和加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)全局?jǐn)?shù)據(jù)的隱私保護(hù)、安全共享，從而保證農(nóng)業(yè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，以農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的業(yè)務(wù)流（信息流）、資金流、物流數(shù)據(jù)的真實(shí)性，服務(wù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村農(nóng)民，服務(wù)農(nóng)業(yè)實(shí)體經(jīng)濟(jì)。

共識(shí)機(jī)制作為核心技術(shù)是區(qū)塊鏈的靈魂，是區(qū)塊鏈系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)之間建立信任、獲取權(quán)益的數(shù)學(xué)算法，包括工作證明（Proof of Work）、股權(quán)證明（Proof of Stake）、股份授權(quán)證明（Delegated Proof of Stake）、拜占庭容錯(cuò)等[17]。智能合約是一種旨在以信息化方式傳播、驗(yàn)證或執(zhí)行合同的計(jì)算機(jī)協(xié)議。智能合約允許在沒有第三方的情況下進(jìn)行可信交易，這些交易可追蹤且不可逆轉(zhuǎn)。研究農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)理賠、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)認(rèn)證、農(nóng)業(yè)服務(wù)合同簽訂等場(chǎng)景下的智能合約簽訂，將提升農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的智能化水平，促進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展。

3.4? 農(nóng)業(yè)人工智能

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是指用計(jì)算機(jī)模擬或?qū)崿F(xiàn)智能行為，最終制造出能以與人類智能相似的方式做出反應(yīng)的智能機(jī)器[27]。20世紀(jì)70年代，以專家系統(tǒng)為代表的人工智能技術(shù)就出現(xiàn)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，專家系統(tǒng)作為人工智能的一個(gè)重要分支[28]，是指應(yīng)用于某一專門領(lǐng)域，擁有該領(lǐng)域相當(dāng)數(shù)量的專家級(jí)知識(shí)，能模擬專家的思維，能達(dá)到專家級(jí)水平，能像專家一樣解決困難和復(fù)雜的實(shí)際問題的計(jì)算機(jī)（軟件）系統(tǒng)[27]。我國2016年開始全面實(shí)施《中國制造2025》[29]，2017年7月國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確提出“發(fā)展智能農(nóng)業(yè)，建立典型農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)智能決策分析系統(tǒng)，開展智能農(nóng)場(chǎng)、智能化植物工廠、智能牧場(chǎng)、智能漁場(chǎng)、智能果園、農(nóng)產(chǎn)品加工智能車間、農(nóng)產(chǎn)品綠色智能供應(yīng)鏈等集成應(yīng)用示范”[30]。

農(nóng)業(yè)為人工智能技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，如非受控環(huán)境下智能設(shè)備部署及測(cè)試、與環(huán)境的協(xié)同感知及交互等。同時(shí)，農(nóng)業(yè)應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性、多變性等對(duì)人工智能技術(shù)的建模能力、魯棒性、穩(wěn)定性提出了更高的要求[31]。如今，深度學(xué)習(xí)技術(shù)[32]已成功應(yīng)用于農(nóng)業(yè)人工智能系統(tǒng)，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）和生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）等深度學(xué)習(xí)算法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，解決了目標(biāo)識(shí)別、任務(wù)規(guī)劃、傳感器的數(shù)字化和優(yōu)化等常規(guī)農(nóng)業(yè)難以解決的任務(wù)，真正實(shí)現(xiàn)了多機(jī)器人協(xié)作、人機(jī)協(xié)作、虛擬農(nóng)場(chǎng)等目標(biāo)[33-39]。新一代人工智能技術(shù)可以用于優(yōu)化無人機(jī)自動(dòng)駕駛算法，促進(jìn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空技術(shù)發(fā)展[40，41]等。

目前，人工智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域不斷發(fā)展，已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力發(fā)展的新引擎。在農(nóng)業(yè)病蟲害防治過程中，采用智能算法對(duì)以往樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與建模，從而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出病蟲害的發(fā)生周期與病蟲害種類，進(jìn)而指導(dǎo)農(nóng)民部署相關(guān)的防治措施，有效提高病蟲害的防治效率;通過終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的生長情況及其環(huán)境狀況，通過定時(shí)采集圖像、紅外影像，再利用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)傳輸至云端農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)，云端農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)通過建立專家模型庫，分析計(jì)算農(nóng)作物的生長情況和環(huán)境狀況，同時(shí)使用氣象模型和環(huán)境數(shù)據(jù)模型，分析處理氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和環(huán)境變化數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)出農(nóng)作物的生長走勢(shì)，并制定相應(yīng)的生產(chǎn)措施;農(nóng)業(yè)機(jī)器人通過智能算法，實(shí)現(xiàn)在作業(yè)區(qū)自主導(dǎo)航，規(guī)劃行駛路徑，自動(dòng)完成作業(yè)動(dòng)作，可有效降低勞動(dòng)力成本。在新一代人工智能的引領(lǐng)下，動(dòng)植物生長環(huán)境信息模型得到了進(jìn)一步的挖掘，逐步形成以機(jī)器學(xué)習(xí)為主要算法的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理智能決策系統(tǒng)，大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度。

3.5? 農(nóng)業(yè)等離子體技術(shù)

3.5.1? ?農(nóng)業(yè)等離子體技術(shù)概述

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展，化肥、農(nóng)藥、生長激素的使用對(duì)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)及防病蟲害等起到了重要作用，但由此也帶來了環(huán)境污染、食品安全等負(fù)面效應(yīng)，使農(nóng)業(yè)的發(fā)展面臨新的困境。為了解決這些問題，人們正在積極探索環(huán)境友好型、產(chǎn)品質(zhì)量安全型的現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)。等離子體系統(tǒng)中含有正負(fù)離子、電子、自由基、基態(tài)和激發(fā)態(tài)的分子等，易于和所接觸的物質(zhì)表面發(fā)生反應(yīng)，使得它在農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用[42]。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，等離子體技術(shù)可以運(yùn)用到農(nóng)業(yè)產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后的各產(chǎn)業(yè)鏈中（如育種、土壤修復(fù)、水處理、農(nóng)藥降解、植物生長、病蟲害防治、殺菌消毒、食品保鮮、貯藏等），增產(chǎn)增效，成本低，且不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染?？梢哉f，等離子體技術(shù)是一種安全、無污染、高效的綠色農(nóng)業(yè)技術(shù)。

3.5.2? ?等離子體育種

在農(nóng)業(yè)產(chǎn)前階段，等離子體育種[43-46]可提高種子的活力，刺激種子發(fā)芽率增多，苗期提前，促進(jìn)早熟，增加粒重粒數(shù)，提高產(chǎn)量改善品質(zhì)。其操作簡單、無污染、成本也遠(yuǎn)低于生物制劑和化學(xué)制劑的處理。離子束育種是產(chǎn)生等離子體后通過引出系統(tǒng)引出離子束作用于種子[47]。離子具有質(zhì)量、能量和電荷。當(dāng)荷能離子注入生物體后，會(huì)產(chǎn)生質(zhì)、能、電共同作用于生物體的集體效應(yīng)，引發(fā)生物學(xué)效應(yīng)[47，48]。離子束能量會(huì)引起生物體DNA的損傷，從而誘導(dǎo)和激發(fā)細(xì)胞對(duì)損傷DNA的修復(fù)，引起基因突變。離子束誘變育種具有損傷輕、突變率高、突變譜廣等優(yōu)點(diǎn)。

3.5.3? ?等離子體防治病蟲害

在農(nóng)業(yè)產(chǎn)中階段，植物病蟲害會(huì)引起農(nóng)業(yè)產(chǎn)量降低和經(jīng)濟(jì)損失，病原體種群對(duì)用于疾病控制的化學(xué)物質(zhì)的敏感性是可變的，因此植物病毒病的有效和經(jīng)濟(jì)的防治尚待繼續(xù)開發(fā)。研究表明，等離子體技術(shù)可以有效地預(yù)防和治療植物病蟲害。等離子體射流中產(chǎn)生的活性自由基與離子可以穿過葉子中微米級(jí)的表皮孔道，對(duì)葉片中的病原體細(xì)胞具有強(qiáng)烈的氧化作用。這些自由基可以通過細(xì)胞膜與病原細(xì)胞中的蛋白質(zhì)分子等反應(yīng)，導(dǎo)致病原體細(xì)胞的失活[49]。該方法經(jīng)濟(jì)可靠、操作簡單。

3.5.4? ?等離子體農(nóng)產(chǎn)品滅菌保鮮

在農(nóng)業(yè)產(chǎn)后的農(nóng)產(chǎn)品加工、滅菌保鮮及包裝貯藏中，等離子體也能發(fā)揮其重要作用。等離子體對(duì)農(nóng)產(chǎn)品中微生物滅活主要通過如下幾個(gè)機(jī)制實(shí)現(xiàn)：光解吸附、刻蝕、膜穿孔、DNA損傷、氧化、電場(chǎng)力瓦解等[50]。另外，經(jīng)過等離子體處理的水即等離子體活化水（PAW），可以表現(xiàn)出較長效的抗菌性[51]。水經(jīng)過等離子體處理后產(chǎn)生酸性環(huán)境，導(dǎo)致氧化還原電位、電導(dǎo)率的變化以及活性氧（ROS）和活性氮（RNS）的形成。因此等離子體活化水具有與水不同的化學(xué)組成，是一種環(huán)境友好的消毒劑，可以作為微生物消毒的替代方法。PAW中ROS和RNS的形成及其與細(xì)胞膜和細(xì)胞壁、核酸和內(nèi)部蛋白等細(xì)胞組分的相互作用是微生物細(xì)胞失活的主要原因。因此等離子體活化水可以延長新鮮農(nóng)產(chǎn)品的保質(zhì)期和提高其品質(zhì)[42]。

綜上，等離子體技術(shù)在農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈中扮演著重要的角色，為智慧農(nóng)業(yè)健康發(fā)展提供了新的技術(shù)和思路。

4? 建議與展望

發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)符合創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享理念。智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用不僅改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營管理與服務(wù)，還會(huì)影響到人的生活與生態(tài)環(huán)境。智慧農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級(jí)階段，只有自主掌握了核心算法和技術(shù)，獲得了原始創(chuàng)新的動(dòng)力，使得農(nóng)業(yè)領(lǐng)域真正達(dá)到萬物互聯(lián)，感知無處不在，才能不斷提升勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低資源消耗、提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、抵御農(nóng)業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、保障農(nóng)業(yè)安全，最終體現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的價(jià)值。

智慧農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展依賴于農(nóng)業(yè)科技的進(jìn)步與創(chuàng)新，農(nóng)業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)化可以引領(lǐng)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)專用芯片是智慧農(nóng)業(yè)的核心基礎(chǔ)設(shè)施與裝備，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)與云計(jì)算為農(nóng)業(yè)信息處理提供了技術(shù)支撐，農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈為保障農(nóng)業(yè)信息安全和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證及農(nóng)業(yè)安全提供了新的解決方案，農(nóng)業(yè)人工智能是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然選擇，農(nóng)業(yè)等離子體技術(shù)在農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈中發(fā)揮著越來越重要的作用。在農(nóng)業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)化的引領(lǐng)下，核心技術(shù)的自主可控、原始創(chuàng)新、示范應(yīng)用及集成推廣必將引領(lǐng)智慧農(nóng)業(yè)健康、協(xié)調(diào)、可持續(xù)的發(fā)展。

在智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的同時(shí)，依然存在如專業(yè)性技能人才匱乏、技術(shù)發(fā)展區(qū)域不平衡、技術(shù)原始創(chuàng)新能力不強(qiáng)等亟需解決的問題。要全面增強(qiáng)技術(shù)原始創(chuàng)新能力，就必須充分發(fā)揮我國高等學(xué)校、科研院所和企業(yè)的科技力量，有效調(diào)動(dòng)國內(nèi)優(yōu)勢(shì)科技資源，健全和完善以企業(yè)為主體、市場(chǎng)為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的國內(nèi)創(chuàng)新體系，形成具有中國特色的自主創(chuàng)新的基本體制框架。智慧農(nóng)業(yè)核心技術(shù)突破需要政府的引導(dǎo)與扶持，更需要以人工智能為核心技術(shù)的高新技術(shù)企業(yè)攻堅(jiān)克難和自主創(chuàng)新。

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Original innovation of key technologies leading healthy

development of smart agricultural

Wanlin Gao1，2*， Ganghong Zhang1，2， Guofeng Zhang1，2， Feng Huang1， Dehua Wu1，2， Sha Tao1，2， Minjuan Wang1，2

（1. Key Laboratory of Agricultural Informatization Standardization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs，

China Agricultural University， Beijing 100083， China; 2. College of Information and Electrical Engineering，

China Agricultural University， Beijing 100083， China）

Abstract： Smart agricultural is a new form of agriculture that makes full use of human wisdom to develop agriculture. It is a new stage， new model and new pattern of agricultural development. The development of agricultural information technology is an inevitable requirement for smart agricultural. The new generation of core information technology， such as agricultural big data， cloud computing， Internet of things， artificial intelligence， can enable the innovative development of smart agricultural. It can provide new technologies， new methods and new solutions for the healthy development of smart agricultural. Agricultural informationization standardization is the premise to guide the progress and innovation of agricultural science and technology. It can lead the progress of agricultural science and technology and standardize the process of agricultural production. It is an urgent need for the development of smart agricultural. Agricultural Internet of things and agricultural application-specific chip are the core technologies and equipment for the development of smart agricultural. The application demand of agricultural Internet of things can promote the development of agricultural application-specific chip technology. The technological innovation of agricultural application-specific chip will promote the technological upgrading of agricultural Internet of things. Agricultural big data and cloud computing are powerful technical support for massive and complex agricultural information processing. The computing requirements of big data algorithms can promote the innovation and development of cloud computing technology. The improvement of cloud computing capability is more convenient for the application of big data algorithms and applications. Agricultural information security and blockchain are the key to guarantee the security of agricultural information， agricultural product quality certification system and agricultural. Agricultural artificial intelligence is the inevitable choice to improve agricultural labor productivity， reduce resource consumption， and efficient production. The innovation and application of artificial intelligence algorithm is an effective measure to realize smart agricultural. Agricultural plasma technology provides a new technological means for smart agricultural to produce more safer and more reassuring green organic agricultural products. It can be used in different stages of agricultural production， includes before， during and after production， to protect the healthy development of the whole agricultural production chain. The original innovation and autonomous control of the key technologies of smart agricultural will surely lead the healthy development of smart agricultural.

Key words： smart agricultural; agricultural informatization standardization; agricultural application-specific chip; agricultural information security; agricultural plasma technology