农业物联网技术发展趋势预测

吴建寨韩书庆曹姗姗

张晶

渊中国农业科学院农业信息研究所/农业部农业大数据重点实验室北京100081冤

摘要院通过对权威专利检索平台要要要Espaenet进行检索袁针对2007要2016年授权的农业物联网领域相关专利进行词频分析袁深入研究了其关键词词频频度尧数量及应用情况遥结果表明袁在农业物联网关键技术的发展与应用中袁人工智能尧远程控制尧机器视觉等的技术应用在专利检索结果占有最大比例袁是农业物联网技术的核心遥最后袁预测了未来农业物联网核心技术的应用趋势遥

关键词院农业物联网曰专利分析曰技术应用曰趋势预测

DevelopmentTrendofTechnologyofAgriculturalInternetofThings

ZhangJianhua,KongFantao,WuJianzhai,HanShuqing,CaoShanshan,ZhangJingKeyLaboratoryofAgriculturalBigDataofMinistryofAgriculture,Beijing100081冤

Thispaperretrievedtheauthoritativeinventionpatentretrievalplatform要Espaenet,analyzedthewordfrequencyofauthorizedrelatedinventionpatentofagriculturalInternetofThings(IOT)from2007to2016,deeplyresearchedthekeywordsfrequency,quantityanditsapplication.ResultsshowedthatinthedevelopmentandapplicationofkeytechnologiesofagriculturalIOT,thetechnologyapplicationofartificialintelligence,remotecontrolandmachinevisionoccupiedthelargestproportionintheinventionpatentretrievalresult,whichwasthecoreofthetechnologiesofagriculturalIOT.Finally,theauthorsforecastedtheapplicationtrendsofthecoretechnologyofagriculturalIOTinthefuture.agriculturalInternetofThings;patentanalysis;technologyapplication;trendprediction渊InstituteofAgriculturalInformation,ChineseAcademyofAgriculturalSciences;

0引言

其前沿技术主要包括远程控制技术尧传感器技术尧机感知技术等领域遥目前袁物联网技术已应用于各个行

物联网被誉为世界信息产业发展的第三次浪潮[1-3]袁

云计算等先进技术的融入[7-9]袁推动农业物联网技术应

信息化时代不断发展袁加之人工智能尧大数据尧

用飞速发展遥信息化时代的多元化发展袁使得农业物联网技术的应用发展方向难以掌控袁因此袁本研究重点研究了未来农业物联网技术的应用发展方向遥

农业物联网技术应用方向的预测方法主要有词频分析法尧专家预测法尧问卷调查法等遥本研究利用词频分析法袁通过Espaenet专利检索平台袁进行了关键词检索袁并对统计对象进行了关键词和研究国别的统

器视觉尧无线传输技术渊无线传感网络冤尧人工智能尧业袁在农业中的应用尤为突出[4-6]袁国内外各大科研单月异袁大大推动了农业物联网的应用与发展遥

收稿日期院2018-07-03

位均致力于农业物联网技术的研究袁先进的专利日新

基金项目院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项渊JBYW-AII-2017-05冤曰中国农业科学院创新工程渊CAAS-ASTIP-2016-AII冤曰中国农业科学院基本科研业务费专项渊Y2018ZK01冤

作者简介院张建华渊1982要冤袁男袁重庆人袁博士袁副研究员袁主要从事农业物联网研究袁E-mail院zhangjianhua@caas.cn曰通信作者

吴建寨渊1979要冤袁男袁山东滨州人袁博士袁副研究员袁主要从事农业物联网研究袁E-mail院wujianzhai@caas.cn

AO农业展望682018年第9期

农业科技展望计分析遥结果发现人工智能技术居于农业物联网关键技术的首要位置遥

益加快遥对农业物联网技术近10年来其专利的关键词进行检索并排序袁共涉及关键词2297个袁本研究按照关键词出现的频次进行排序袁结果如图1所示遥其中袁人工智能和相关技术关键词排序最高渊包括排位第1位的人工智能尧第4位的模拟技术尧第11位的分类技术尧第15位的机器学习尧第16位的支持系统尧第19位的决策支持系统尧第20位的支持向量机技术尧第24位的主成分分析技术尧第30位的人工神经网络尧第32位的神经网络计算等冤曰远程控制技术的研究紧随其后渊包括排位第2位的远程控制技术尧第7位的智能控制尧第13位的红外控制尧第14位的无线远程控制尧第17位的模糊控制尧第34位的容错控制冤曰机器视觉研究次之渊包括排名第3位的机器视觉尧第10位的图像处理尧第12位的图像分析尧第31位的高光谱图像处理等冤袁除此之外袁无线传输技术尧传感器技术尧感知技术等领域渊包括排名第8位的气体传感器尧排名第5位的红外控制等冤的发明也较多遥

1检索关键词

农业物联网前沿技术的应用袁主要集中在机器视

觉尧无线传输技术渊无线传感网络冤尧远程控制技术尧感知技术尧人工智能尧传感器技术等的应用开发遥针对六大领域袁对其专利进行检索的关键词设置如下院渊ImageAnalysis冤尧图像处理渊ImageProcessing冤尧高光谱图像处理渊HyperspectralImageryProcessing冤曰无线无线传感网络渊WirelessSensorNetworks冤尧窄带物联网渊NarrowbandInternetofThings冤尧Zigbee技术渊ZigbeeTechnology冤尧无线通信网络渊WirelessCommunicationNetwork冤尧无线网桥渊WirelessBridge冤曰远程控制技术渊RemoteControlTechnolo鄄gy冤袁包括无线远程控制渊WirelessRemoteControl冤尧智能控制渊IntelligentControl冤尧模糊控制渊FuzzyControl冤尧红外控制渊InfraredControl冤尧容错控制渊Fault-tolerantControl冤曰感知技术渊SensingTechnol鄄tion冤尧动植物生命本体感知渊SensingofPlantandAnimalLifeOntology冤尧动植物生理信息感知渊AnimalandPlantPhysiologicalInformationAwareness冤尧动物体况感知渊AnimalBodyofPerception冤曰人工智能渊Ar鄄tificialIntelligence冤袁包括人工神经网络渊ArtificialNeuralNetworks冤尧神经网络计算渊NeuralNetworkComputing冤尧机器学习渊MachineLearning冤尧模拟技术渊Simulation冤尧分类技术渊Classification冤尧支持向量机技术渊SupportVectorMachine冤尧主成分分析技术渊PrincipalComponentAnalysis冤尧决策支持系统渊DecisionSupportSystem冤尧支持系统渊SupportSys鄄tem冤曰传感器技术渊SensorTechnology冤袁包括水质传感器渊WaterQualitySensor冤尧气象传感器渊Mete鄄orologicaSensor冤尧气体传感器渊GasSensor冤尧土壤传感器渊SoilSensor冤遥

传输技术渊WirelessTransmissionTechnology冤袁包括

机器视觉渊MachineVision冤袁包括图像分析

ogy冤袁包括动物行为感知渊AnimalBehaviorPercep鄄

图12007要2016年农业物联网技术主要关键词出现频次分布

Fig.1FrequencydistributionofkeywordsoftechnologiesofagriculturalIOTduring2007-2016按照国别进行分析袁在Espaenet专利前三的组织渊国家冤包括世界专利组织渊WOP冤尧美国和韩国袁研究领域关键词也集中在人工智能尧远程控制尧机器视觉尧图像处理尧无线传输等方面遥总体看袁近10年农业物联网技术的主要研究领域和前沿技术的专利分布在人工智能尧远程控制尧机器视觉尧无线传输4个方向遥2.2

人工智能技术是农业物联网技术的主要研究内容从关键词排序的变化情况来看袁近年来人工智能应用始终占据专利关键词的前3位渊尤其是2014要2016年居第1位冤袁共涉及人工智能领域的专利为31855项曰从关键词出现次数编号情况来看袁人工智能专利呈现交替升降的态势袁年专利平均数约为

2

2.1

农业物联网技术预测

农业物联网技术的主要研究领域与前沿技术从专利发明分析结果来看袁农业物联网技术近10

年来的专利授权数量呈逐年增加趋势袁且增加速度日

AO农业展望692018年第9期

农业科技展望3140次袁占近10年Espaenet专利总数的5.7%渊图2冤遥如果将人工神经网络尧模拟技术尧机器学习尧分类技术尧支持向量机技术尧主成分分析技术尧神经网络计算尧决策支持系统尧支持系统等人工智能具体技术的专利进行综合计算袁关键词排名前50位的人工智能技术类专利总数为32904项袁占近10年Es鄄paenet专利总数的12.7%遥由此可见袁在全球农业物联网前沿技术研究方面袁人工智能技术始终是农业物联网技术领域的最主要研究内容遥

表12007要2016年远程控制技术尧智能控制与红外控制出现次数及排名

Table1Numberandrankofremotecontroltechnology,intelligentcontrolandinfraredcontrol,2007-2016年份 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 远程控制技术 排名 12 14 15 8 11 9 10 7 4 2 次数 1 092 1 139 1 296 1 176 1 431 1 629 1 536 1 734 1 876 1 909 智能控制 排名 13 9 8 6 2 11 5 3 4 6 次数 878 831 1 190 1 081 819 986 1 028 970 1 050 1 139 红外控制 排名 17 16 13 14 7 5 9 7 4 5 次数 122 188 247 258 189 289 309 346 339 375 达到近 10年Espaenet专利总数的6.1%袁也是近年来农业信息技术研究的一个重要研究方向遥2.5

图22007要2016年人工智能出现次数变化情况Fig.2Numberofartificialintelligencechanges,2007-2016世界专利组织尧美国尧韩国引领农业物联网技术发展潮流

2007要2016年申请专利最多的前8个国家或组织

2.3远程控制技术领域是当前农业物联网技术的热点研究方向

远程控制技术包括无线远程控制尧红外控制尧智

及其专利数量如图3所示袁专利总数排名前三的分别为世界专利组织尧美国和韩国袁其专利总数分别为113项尧68项尧64项袁其余国家均在10耀20项遥

能控制尧模糊控制尧容错控制等技术内容袁这些技术关键词综合排序情况占据了关键词的前五行列渊表1冤曰关键词排名前50位的远程控制技术类专利总数为19148项袁达到近10年Espaenet专利总数的9.4%遥近年来随着大数据技术尧无线远程控制等技术的飞速发展袁远程控制技术领域的研究内容正逐渐成为农业物联网技术的一个重要的热点研究方向遥2.4机器视觉是农业物联网技术的重要应用支撑

机器视觉在农业信息技术领域得到了广泛应用袁已经成为农业信息技术的重要应用支撑遥机器视觉领域包括机器视觉尧图像处理尧图像分析尧高光谱图像处理等技术内容袁已经广泛地应用于种植业尧养殖业等农业各领域当中遥其中袁机器视觉研究的专利历年来占据关键词排位的前十且近年来增长迅速袁2007年排在第8位袁2008年提高至第7位袁2009年迅速提高至第5位袁虽说2010要2014年排名持续波动袁但均在前六袁2015年和2016年更是均达到第3位曰机器视觉类关键词排名前50位的专利总数为17506项袁

图32007要2016年排名前八国家或组织专利数量Fig.3Numberofpatentsinthetopeightcountriesandorganizationduring2007-2016对世界专利组织尧美国和韩国历年来申请专利进行关键词分析袁发现其专利基本聚焦在人工智能和远

AO农业展望702018年第9期

农业科技展望程控制等方向上遥

靠前的分别为机器学习尧模拟技术尧神经网络计算尧主成分分析尧支持向量机技术尧支持系统等内容遥世界专利组织专利数量较多的年份分别是2011年尧2013年尧2014年尧2015年和2016年遥通过对以上5年专利进行关键词分析袁发现世界专利组织农业物联网技术研究热点内容聚集在人工智能尧机器学习和图像处理等方向遥

渊2冤美国过去10年中专利关键词排位靠前的分

渊1冤世界专利组织过去10年中专利关键词排位

别为远程控制技术尧无线远程控制尧红外控制尧智能控制与容错控制等内容袁从总体来看远程控制技术应用已成为美国农业物联网方向最热的一个领域遥对美国专利数量最多的5个年份2016年尧2015年尧2014年尧2013年和2012年逐年进行分析袁分析结果表明袁无论哪一年袁频次最高的关键词都含有和远程控制及智能控制相关专利袁这更加说明远程控制方向一直是美国农业物联网领域应用最多的领域遥

渊3冤韩国过去10年中专利关键词排位靠前的分

图4国外物联网研究机构发表论文中专利出现次数分布Fig.4Frequencydistributionofpatentsinthepublishedpaperoftheforeignresearchinstituteofinternetofthings从专利结果分析袁美国农业物联网领域企业Davis尧欧洲的Vaisala及加州大学的IRL实验室是专利最多的研究机构袁在世界范围物联网研究领域的排名居前3位袁WINS尧CENS尧NESL等加州大学实验室申请专利的数量紧随其后袁其主要研究领域分别为人工智能尧传感器尧远程控制尧机器视觉尧无线传输技术等方面遥此外袁爱尔兰都柏林大学孙大文院士袁主要从事食品质量安全监测领域的研究曰比利时鲁汶大学的DanielBerckmans教授袁主要研究方向为精细畜产尧畜牧物联网等领域曰荷兰瓦赫宁根大学VanHenten,EldertJan教授袁研究方向主要为甜椒采摘机器人领域曰澳大利亚联邦科学与工业研究组织CSIRO的GregJ.Bishop-Hurley教授袁研究方向为基于加速度传感器的家畜行为识别领域曰日本东京农工大学的ShibusawaSakae教授袁研究方向为土壤养分测量传感器与植物生长状态传感器领域曰日本北海道大学NoguchiNoboru教授袁主要从事农用拖拉机无人驾驶技术领域的研究遥由此可见袁基于物联网各个领域的研究袁国外企业研究领域也集中在人工智能尧远程控制尧传感器开发尧无线传输尧机器视觉等领域袁并做出了杰出的贡献袁取得了较大进展遥3.2

国内主要农业物联网团队

国内研究农业物联网的主要团队有中国农业大学尧国家农业信息化工程技术研究中心尧浙江大学生物系统工程与食品科学学院尧中国农业科学院畜牧研究所等遥中国农业大学研究方向主要集中在农业物联网尧农业信息化尧图像融合分割技术尧遥感技术尧嵌入式Linux技术尧大数据等领域袁2007要2016年申请相关专利127项渊图5冤曰国家农业信息化工程技术研

别为人工智能尧机器视觉尧人工神经网络尧模拟技术尧图像处理与分析与模拟仿真等内容遥其中人工智能的使用频次最高为27袁其余均在19左右袁可见韩国的农业物联网技术研究重点在于人工智能技术遥对韩国专利最多的5个年份渊2012年尧2013年尧2014年尧2015年和2016年冤逐年进行分析袁发现在上述年份当中袁使用频次不小于10的关键词中袁与远程控制技术相关的无线远程控制和智能控制出现的年份是最多的遥从这个角度来看袁远程控制技术也是韩国申请专利最多的研究领域遥

3

3.1

主要农业物联网研究团队分析

国外物联网公司

国外研究物联网的机构主要有欧洲的Delta-T

Devices尧Capios尧Libelium尧Vaisala以及美国的Davis遥研究农业物联网的大学主要有澳大利亚联邦科学与工业研究组织CSIRO尧日本东京农工大学尧比利时鲁汶大学尧爱尔兰都柏林大学尧荷兰瓦赫宁根大学尧日本北海道大学遥此外袁还有加州大学洛杉矶分校的LECS尧CENS尧NESL尧WINS尧IRL等实验室都致力于农业物联网方面的研究遥2007要2016年袁各个研究机构在Espaenet上申请了大量专利袁通过对其进行检索袁与农业物联网相关的专利出现次数如图4所示遥

AO农业展望712018年第9期

农业科技展望究中心研究方向主要有农田信息采集尧传感器尧光谱预测尧精准农业尧多图像三维模拟尧遥感技术尧高光谱成像与MNF技术尧太赫兹光谱等袁2007要2016年申请相关专利268项曰浙江大学生物系统工程与食品科学学院研究方向主要有机器视觉技术尧BPLT模型尧高光谱图像技术尧紫外要可见要近红外光谱技术尧拉曼光谱技术尧共聚焦显微尧激光诱导击穿光谱等袁2007要2016年申请相关专利29项曰中国农业科学院畜牧研究所研究方向主要有超高频RFID尧网络远程尧Intranet集约化尧生猪溯源移动系统尧数字化网络管理等袁2007要2016年申请相关专利49项遥

展袁有利于加快我国现代农业和新农村建设的发展[11]遥

本研究对农业物联网技术应用的关键词进行了针

对性检索袁具体从专利统计分析角度来探究近10年来国内外物联网技术的发展遥上述分析反映出国内外主要研究机构对农业物联网的应用主要集中在人工智能尧远程控制技术尧传感器技术尧无线传输技术尧机器视觉尧感知技术等领域袁随着大数据尧云计算等先进信息技术的融入袁农业物联网应用发展方向又步入一个崭新阶段遥未来农业物联网的应用方向将逐步聚焦于深度学习尧数据共享尧完全智能化方面的研究遥

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分析结果表明袁基于物联网各个领域的研究袁国内研究团队主要研究方向也集中在农业信息化尧大数据尧传感器尧数字化网络信息管理尧图像融合分割技术尧嵌入式Linux技术尧机器视觉技术尧BPLT模型尧农田信息采集尧超高频RFID尧网络远程尧Intranet集约化等领域遥

4结论

随着物联网技术的发展袁我国农业物联网也在逐步完善袁技术设备趋于成熟袁与国外相比其应用还有一定的差距袁目前我国农业物联网的应用仍处于理论设计或小规模试点阶段袁但物联网技术在农业领域的应用前景非常广阔[9-10]遥农业物联网作为一个新的概

念袁其发展有效带动了传统产业转型升级及新兴产业发

渊责任编辑潘月红冤

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