大數(shù)據(jù)在日光溫室蔬菜生產(chǎn)中的應(yīng)用

姜懿芮 段玉聰 王勇 姜俊

摘 要： 大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等信息技術(shù)在設(shè)施生產(chǎn)中的應(yīng)用，加快了設(shè)施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程。大數(shù)據(jù)技術(shù)在日光溫室蔬菜生產(chǎn)中的應(yīng)用報(bào)道的較少，筆者闡述了日光溫室蔬菜大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)、日光溫室裝備系統(tǒng)、數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)及應(yīng)用，為日光溫室蔬菜智能化生產(chǎn)探討出一條新途徑，助力設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 蔬菜； 日光溫室； 大數(shù)據(jù)； 裝備系統(tǒng)； 智能化

當(dāng)今世界，科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)。以大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為代表的信息技術(shù)，正以驚人的速度，迅速在各領(lǐng)域運(yùn)用[1-2]?！按髷?shù)據(jù)技術(shù)”已成為科研學(xué)術(shù)界和相關(guān)產(chǎn)業(yè)界的熱門話題，吸引著越來越多的科學(xué)家研究大數(shù)據(jù)帶來的相關(guān)問題[3]。大數(shù)據(jù)技術(shù)在工業(yè)控制和電子商務(wù)等領(lǐng)域已經(jīng)有較快的發(fā)展，與此同時(shí)，我國日光溫室蔬菜產(chǎn)業(yè)正從傳統(tǒng)意義上的精耕細(xì)作向精準(zhǔn)化和智能化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)邁進(jìn)[4-5]，然而大數(shù)據(jù)技術(shù)在日光溫室蔬菜生產(chǎn)中的應(yīng)用卻鮮有報(bào)道。

目前，各級(jí)政府非常重視農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)資源的建設(shè)及其在設(shè)施蔬菜生產(chǎn)上的應(yīng)用[6-8]，面對(duì)這些機(jī)遇我們需要依托大數(shù)據(jù)技術(shù)更加全面及時(shí)地掌握日光溫室蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展動(dòng)態(tài)。在日光溫室蔬菜生產(chǎn)中，有效的大數(shù)據(jù)處理可以更好地控制澆水、施肥、光照、溫度等生產(chǎn)要素，為日光溫室蔬菜生產(chǎn)提供決策服務(wù)，幫助種植戶做出科學(xué)決策，然后有目的地實(shí)施管控，從而提高蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)[9]。

1 大數(shù)據(jù)與日光溫室蔬菜生產(chǎn)

1.1 大數(shù)據(jù)概念

大數(shù)據(jù)通常指是很難用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)和信息技術(shù)進(jìn)行充分獲取、存儲(chǔ)、搜索、共享、分析和處理的海量的、復(fù)雜的并可能帶有很強(qiáng)處理時(shí)效和精度要求的數(shù)據(jù)集合[10]。大數(shù)據(jù)包含了5個(gè)V，即數(shù)據(jù)本身量大（Volume）、要求處理速度快（Velocity）、數(shù)據(jù)類型多變（Variety）、數(shù)據(jù)使用價(jià)值大（Value）、數(shù)據(jù)真實(shí)性（Veracity）。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)涉及到耕地、育種、播種、氣象、施肥、植保、災(zāi)害預(yù)防、收獲、貯運(yùn)、農(nóng)產(chǎn)品加工、品牌建立、銷售、畜牧業(yè)生產(chǎn)等各環(huán)節(jié)，是IT大數(shù)據(jù)相關(guān)的理念、技術(shù)和方法在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的實(shí)踐。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)實(shí)施和應(yīng)用是跨行業(yè)、跨專業(yè)的數(shù)據(jù)分析與挖掘，對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化、特色發(fā)揮、優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)、國家菜籃子工程、國家糧食和食品安全等方面都具有重大意義[11]。

1.2 日光溫室蔬菜大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

日光溫室蔬菜大數(shù)據(jù)涉及到土壤化學(xué)、品種選擇、播種育苗、氣象預(yù)報(bào)、災(zāi)害預(yù)警、科學(xué)施肥、環(huán)保防病、自動(dòng)化收割、倉儲(chǔ)物流、產(chǎn)品加工、市場(chǎng)營(yíng)銷、售后服務(wù)等諸多環(huán)節(jié)[12]，這是一個(gè)跨領(lǐng)域、跨行業(yè)、跨平臺(tái)的深層次、互動(dòng)的、動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)分析與知識(shí)發(fā)現(xiàn)，以及相關(guān)數(shù)據(jù)分析可視化。

表示發(fā)掘難度，F(xiàn)requencyvariation表示變異頻率，F(xiàn)requencyuse表示使用頻度，F(xiàn)actordimension表示維度系數(shù)，DTL表示數(shù)據(jù)時(shí)間線。DA指代當(dāng)前數(shù)據(jù)距離數(shù)據(jù)被數(shù)據(jù)創(chuàng)造的時(shí)間；公式（2）中DA表示當(dāng)前數(shù)據(jù)距離數(shù)據(jù)被數(shù)據(jù)創(chuàng)造的時(shí)間，DL表示數(shù)據(jù)從產(chǎn)生到被更替或者廢棄的時(shí)間。

我們?cè)O(shè)想在大服務(wù)的解決架構(gòu)下，數(shù)據(jù)和服務(wù)處理的聚集，針對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)相關(guān)的多種利益相關(guān)者充分貢獻(xiàn)出客觀的大數(shù)據(jù)處理所帶來的價(jià)值。我們擴(kuò)展徐曉飛教授的大數(shù)據(jù)下的大服務(wù)概念到日光溫室農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)為：“大、雜、跨、聚、客、價(jià)值、變（變異）”。

2 日光溫室裝備系統(tǒng)的組成

裝備系統(tǒng)由數(shù)據(jù)挖掘采集系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和專家系統(tǒng)組成，主要包括3部分（圖1）：

（1）信息采集部分：包括溫室空氣溫濕度信息監(jiān)測(cè)、土壤信息監(jiān)測(cè)、氣象信息監(jiān)測(cè)、視頻信息采集等。（2）自動(dòng)控制部分：包括溫室的溫度控制、遮陽控制、風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光、加熱、開窗、灌溉水肥控制等。（3）信息的發(fā)布與智能處理部分：包括 LED 信息發(fā)布系統(tǒng)、中央控制室的管理平臺(tái)、意外信息的手機(jī)報(bào)警處理等功能。

3 日光溫室蔬菜大數(shù)據(jù)的應(yīng)用

日光溫室是在不適宜蔬菜生長(zhǎng)的季節(jié)，通過日光溫室的建造為蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育提供良好的環(huán)境條件。傳統(tǒng)的日光溫室蔬菜生產(chǎn)往往憑感覺進(jìn)行管理，存在較大的盲目性，生產(chǎn)效率低下?；诖髷?shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了日光溫室蔬菜產(chǎn)業(yè)的智能化管理，實(shí)現(xiàn)了從種到收的全程智能化控制。河南省新蔡縣谷未來農(nóng)業(yè)生態(tài)園設(shè)施蔬菜基地，是一家以“沼-肥-菜”高效循環(huán)為核心的省級(jí)重點(diǎn)龍頭企業(yè)，占地面積134 m2，年產(chǎn)值近億元。近年來，該公司把大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用到了日光溫室蔬菜生產(chǎn)中，推進(jìn)設(shè)施環(huán)境科學(xué)調(diào)控，水肥一體化，實(shí)現(xiàn)了日光溫室蔬菜病蟲害診治足不出棚，綠色蔬菜生產(chǎn)技術(shù)得到很大的應(yīng)用，減少了種植的盲目性。參照谷未來農(nóng)業(yè)公司，日光溫室蔬菜大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用主要包括以下方面。

3.1 日光溫室設(shè)備控制平臺(tái)的建造

3.1.1 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由空氣溫度與濕度、土壤溫度與濕度、光照強(qiáng)度、pH、CO2 傳感器等組成。傳感器將采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee 模塊傳送到中心節(jié)點(diǎn)上，同時(shí)，用戶終端和一體化控制器間傳送的控制指令也傳送到中心節(jié)點(diǎn)上，中心節(jié)點(diǎn)再經(jīng)過邊緣網(wǎng)關(guān)將傳感器數(shù)據(jù)、控制指令發(fā)送到上位機(jī)的業(yè)務(wù)平臺(tái)。管理者可通過上位機(jī)訪問網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)日光溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，有效控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備[13]。

3.1.2 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng) 數(shù)據(jù)分析及顯示部分包括電腦、軟件、無線接收模塊、報(bào)警系統(tǒng)，依據(jù)不同的蔬菜作物、環(huán)境參數(shù)、生長(zhǎng)狀況，制定不同的生產(chǎn)控制方案。

3.1.3 生產(chǎn)操作系統(tǒng) 日光溫室內(nèi)的空氣溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)可利用傳感器采集日光溫室蔬菜的生長(zhǎng)環(huán)境，設(shè)定環(huán)境參數(shù)，當(dāng)環(huán)境參數(shù)超出正常范圍時(shí)，可自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)、濕簾降溫系統(tǒng)、水暖加溫系統(tǒng)、空氣內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)；土壤溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是利用土壤濕度和溫度傳感器等來實(shí)時(shí)獲取土壤濕度和溫度數(shù)據(jù)，為溫濕度控制系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)信息。

3.2 日光溫室裝備控制系統(tǒng)的應(yīng)用

3.2.1 日光溫室環(huán)境的監(jiān)測(cè) 使用無線傳感器實(shí)時(shí)采集日光溫室蔬菜生長(zhǎng)環(huán)境的空氣溫度、土壤溫度，空氣濕度、土壤含水量，光照、CO2濃度、土壤pH、灌溉水重金屬含量、露點(diǎn)溫度等環(huán)境數(shù)據(jù)信息及視頻圖像信息，再通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析提供依據(jù)，對(duì)不適合日光溫室蔬菜生長(zhǎng)的環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)告警。

3.2.2 病蟲害預(yù)警 監(jiān)測(cè)日光溫室大棚內(nèi)影響病蟲害發(fā)生的環(huán)境因子，實(shí)現(xiàn)對(duì)病蟲害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，利用短信、微信等途徑向種植戶傳遞可能即將發(fā)生的病蟲害信息，進(jìn)行及時(shí)防控。

3.2.3 遠(yuǎn)程日光溫室設(shè)備控制 通過手機(jī)APP管理系統(tǒng)，對(duì)加熱器、卷膜機(jī)、通風(fēng)機(jī)、滴灌等設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程控制，從而有效控制日光溫室內(nèi)蔬菜的生長(zhǎng)環(huán)境。

3.2.4 遠(yuǎn)程生產(chǎn)指導(dǎo) 根據(jù)日光溫室蔬菜的生長(zhǎng)特點(diǎn)，對(duì)蔬菜溫室大棚溫濕度、CO2等監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，超出蔬菜正常生長(zhǎng)的閾值范圍，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。

4 展 望

大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，解決了日光溫室蔬菜生產(chǎn)中的信息獲取、信息傳輸與互聯(lián)和不同應(yīng)用環(huán)境的決策智能化，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變，有力地推動(dòng)了日光溫室蔬菜向“優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全”方向發(fā)展[14]。日光溫室蔬菜大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于改變我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式粗放、成本高、農(nóng)產(chǎn)品附加值低的現(xiàn)狀，不斷提升日光溫室蔬菜產(chǎn)業(yè)化、智能化生產(chǎn)水平，加快日光溫室蔬菜產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程具有深遠(yuǎn)意義。

由于日光溫室蔬菜生產(chǎn)存在著分散性、生產(chǎn)主體多元性、產(chǎn)品需求多樣性，因此，與互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)相比，針對(duì)日光溫室蔬菜的異質(zhì)、異構(gòu)、海量、分布式大數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)依然缺乏。例如日光溫室番茄生產(chǎn)在苗期、開花期、坐果期、采收期等不同生育期所適宜的溫度、濕度、土壤養(yǎng)分、空氣CO2濃度等均有差異，因此今后日光溫室蔬菜大數(shù)據(jù)的分析處理應(yīng)該將信息分析處理技術(shù)與蔬菜作物的關(guān)鍵生長(zhǎng)期緊密結(jié)合，只有這樣才能做到更精確、更可靠。

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