智慧農(nóng)業(yè)的綜合解決方案

潘林杰，張 東

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的兩大特點是低廉的勞動力和豐富的自然資源[1]，但是，隨著人力成本的不斷提高和科技生產(chǎn)的不斷進步，僅靠密集的勞動力已無法滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求，亟需加快由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉型速度，而智慧農(nóng)業(yè)便是當前農(nóng)業(yè)發(fā)展的主流趨勢。依托互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術，可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化、數(shù)字化、生態(tài)化，從而提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟價值。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

我國是果蔬花卉的生產(chǎn)大國和消費大國，除糧食作物外，果蔬花卉是栽培面積較為廣泛、經(jīng)濟價值較高的作物。在社會發(fā)展日新月異的今天，人們對于生活質(zhì)量要求越來越高，食品安全問題已成為人們的熱點話題，綠色有機食品的市場不斷擴大，果蔬花卉的種植種類及規(guī)模均呈上升態(tài)勢，且單畝產(chǎn)出也提高不少。2008年，全國果蔬花卉播種面積1 785.6萬hm2，總產(chǎn)量逾59 240萬t；2016年，全國果蔬花卉播種面積2 166.9萬hm2，總產(chǎn)量逾80 005萬t。果蔬花卉種植結構也發(fā)生了變化，由原有的以量取勝逐漸向效益導向轉變。但與國外發(fā)達國家相比，總體上仍存在較大的差距，如智能化應用水平較低、大棚等基礎配套落后、土壤和水污染嚴重、單位土地出產(chǎn)率較低、質(zhì)量安全隱患突出、標準化體系不完善等。

以荷蘭、日本等國為例，其采用專用設施栽培果蔬花卉，全自動或半自動專業(yè)設備的應用貫穿整個生產(chǎn)過程，從育種、播種到收獲采摘高度實現(xiàn)專業(yè)化、機械化和集約化。同時，國外發(fā)達國家從土壤、水源、空氣等多種角度考評農(nóng)業(yè)環(huán)境等級，控制化肥、農(nóng)藥用量，節(jié)約土地和水資源使用。食品安全方面，美國和新西蘭等國家從果蔬花卉種植到銷售的各個環(huán)節(jié)都有明確的安全規(guī)定，生產(chǎn)者必須建立并提交相應的產(chǎn)品生產(chǎn)技術檔案。十分注重產(chǎn)學研緊密結合，實用性的先進科研成果投入實際生產(chǎn)中，在生產(chǎn)中驗證科研成果并完成改進，從而實現(xiàn)螺旋式發(fā)展。

2 社會價值

我國果蔬花卉產(chǎn)業(yè)總體發(fā)展態(tài)勢良好，智慧農(nóng)業(yè)的應用對于我國城市供給、果蔬花卉生產(chǎn)、保障人民生活和維護社會穩(wěn)定具有重要應用和示范意義。

1）節(jié)能環(huán)保，建設綠色農(nóng)業(yè)。通過物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能以及系統(tǒng)集成技術建立一種環(huán)保、生態(tài)、資源節(jié)約型農(nóng)業(yè)；通過精細化種植手段，降低對化肥和農(nóng)藥的依賴程度，減少環(huán)境污染；通過對土壤及作物的動態(tài)監(jiān)測及先進澆灌技術，提升水資源的利用效率。

2）智能裝備，提高生產(chǎn)率?；ヂ?lián)網(wǎng)和城鎮(zhèn)化的發(fā)展導致我國農(nóng)業(yè)勞動力緊缺、勞動力老年化嚴重，利用計算機、移動互聯(lián)網(wǎng)、自動化技術和智能裝備等提高生產(chǎn)機械化和自動化水平，降低勞動強度，提高新技術應用水平，增加勞動產(chǎn)出效益。管理人員無論身在何地，都可遠程掌握現(xiàn)場情況。

3）精細管理，促進標準化和規(guī)?；?。對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程進行量化建模[2]，定期采集氣象條件數(shù)據(jù)及農(nóng)作物生長發(fā)育狀況、病蟲害、水肥狀況的生長因子，構建作物生長模型，形成標準化種植方案，形成標準操作流程，建立疑難問題數(shù)據(jù)庫，通過云計算輔助分析，實現(xiàn)輔助生產(chǎn)者作出決策，實現(xiàn)數(shù)字化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理，同時方便規(guī)模化推廣。

4）專業(yè)知識，增強生產(chǎn)保障。決定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的因素往往有很多，如土壤、空氣、天氣變化、日照時間、作物品種、設備條件、技術措施等。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)表現(xiàn)為顯著的時空變異性、較大的區(qū)域差異性和分散性，較低的穩(wěn)定性和可控性，傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理以定性或半定量的經(jīng)驗知識為主。智慧農(nóng)業(yè)可通過專家系統(tǒng)給予生產(chǎn)預警、知識檢索和疑難會診等措施保障生產(chǎn)。

5）全程追溯，保障食品安全。從種子培育直至最終采摘質(zhì)檢，實現(xiàn)產(chǎn)品的投入品、田間作業(yè)、加工和運輸過程全程記錄，確?？苫厮莶樵?。整個過程透明可視，消費者或監(jiān)管部門能隨時切入生產(chǎn)環(huán)節(jié)，了解生產(chǎn)情況，避免數(shù)據(jù)造假，提高公信力。

3 智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構

智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構可分為四層。第一層為感知層，第二層為傳輸層，第三層為應用層，第四層為用戶層。網(wǎng)絡體系結構如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡體系結構Fig.1 Framework of the Internet of Things

1）感知層。通過光照傳感器、土壤溫濕度傳感器、酸堿值傳感器、二氧化碳濃度傳感器、風速傳感器、風向傳感器、雨量傳感器等來獲取作物信息[3]。通過射頻識別（Radio Fre-quency Identification，RFID）技術，實現(xiàn)非接觸式自動識別。

2）傳輸層。傳輸層是整個物聯(lián)網(wǎng)的中樞，可選擇3G/4G網(wǎng)絡、WiFi網(wǎng)絡、Zigbee網(wǎng)絡、Lora網(wǎng)絡等多種網(wǎng)絡實現(xiàn)對感知層獲取的信息的傳遞和處理。

3）應用層。系統(tǒng)在應用層實現(xiàn)與用戶的對接，與用戶實際需求深度結合，從而實現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的多種實際功能。

4）用戶層。用戶層是系統(tǒng)的使用人群，包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者、政府監(jiān)管部門、遠程專家、流通領域人員和消費者。

4 智慧農(nóng)業(yè)綜合解決方案

智慧農(nóng)業(yè)綜合解決方案主要由溫室自動化控制系統(tǒng)、環(huán)境智慧感知系統(tǒng)、水肥一體化系統(tǒng)和種植專家系統(tǒng)四部分組成。系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結構Fig.2 System structure diagram

4.1 溫室自動化控制系統(tǒng)

溫室的自動化控制主要由兩部分組成，第一部分是溫室的自動化設備，包括通風系統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)、降溫系統(tǒng)和補光系統(tǒng)；第二部分是智能化中央控制系統(tǒng)，可以集成控制溫室內(nèi)所有自動化設備，實現(xiàn)遠程智能化控制。

1）通風系統(tǒng)。溫室工程室內(nèi)外氣體流動交換的過程，主要目的是調(diào)節(jié)溫室工程內(nèi)空氣濕度、二氧化碳濃度、室內(nèi)溫度以及排出有害氣體，達到最適宜溫室內(nèi)種植作物生長的環(huán)境條件。自然通風系統(tǒng)需安裝電動卷膜機以控制溫室天面及側面窗口開合，同時布置風機進行強制通風。

2）遮陽系統(tǒng)。遮陽系統(tǒng)即起到遮擋陽光的作用，在夏季高溫天氣，一般可降低溫室內(nèi)溫度7℃左右；冬季嚴寒天氣中，遮陽系統(tǒng)由于自身保暖作用，可進一步降低能耗，減少升溫所需能源使用，相比未安裝遮陽系統(tǒng)的大棚，溫度可提高6℃～7℃[4]。

3）降溫系統(tǒng)。溫室降溫系統(tǒng)一般采用通風降溫、遮陽降溫（內(nèi)遮陽、外遮陽、側遮陽）、蒸發(fā)冷卻降溫（風機濕簾系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)）等方式[5]。

4）補光系統(tǒng)。采用熒光燈、高壓鈉燈等設備，根據(jù)作物生長光周期需要，一是抑制或促進花芽分化，人為介入，調(diào)節(jié)作物的開花時間；二是促進作物光合作用，促進作物生長，彌補太陽光照的不足。

5）智能化中央控制系統(tǒng)集成。智能化中央控制系統(tǒng)可實現(xiàn)現(xiàn)場的集中控制及遠程控制和自動化控制，結合種植專家系統(tǒng)實現(xiàn)無人化植物工廠。

4.2 環(huán)境智慧感知系統(tǒng)

環(huán)境智慧感知系統(tǒng)主要是對種植環(huán)境的氣象、土壤、水和作物長勢等的信息自動感知和監(jiān)測，實現(xiàn)數(shù)字化農(nóng)業(yè)，已精準數(shù)字代替人工感受和經(jīng)驗。

1）室外自動氣象站。通過氣象監(jiān)測設備，針對室外風速、風向、雨量、空氣溫度、空氣濕度、光照強度、光照時間、大氣壓力、PM2.5等環(huán)境要素進行全天候現(xiàn)場監(jiān)測[6]，同步上傳平臺記錄，可實現(xiàn)實時曲線分析。

2）室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測站。室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測站主要采集溫室內(nèi)影響作物生產(chǎn)的環(huán)境因子數(shù)據(jù)，包括土壤及空氣溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等[7]，以及觀察作物生長態(tài)勢的視頻系統(tǒng)。

3）病蟲害監(jiān)測。通過光、聲、味等多種信號，對害蟲進行引誘，利用電擊等手段有效滅殺病蟲。同時采集蟲情數(shù)據(jù)，上傳智慧平臺，統(tǒng)計分析多年病蟲害發(fā)生時間、種類、規(guī)模，從而實現(xiàn)事前警示預防，降低病蟲害危害。

4.3 水肥一體化系統(tǒng)

水肥一體化系統(tǒng)是將澆灌用水與肥料混合后統(tǒng)一輸送至作物根部的一種新型農(nóng)業(yè)技術。根據(jù)不同作物不同時期的不同需求，可以設定實現(xiàn)自動配備不同比例及成分的混合水肥，按需補給，實現(xiàn)作物全生育期智能管理。

4.4 種植專家系統(tǒng)

種植專家系統(tǒng)將專家經(jīng)驗整理錄入專家知識庫，也可以通過數(shù)據(jù)挖掘等技術豐富和擴充種植知識庫，知識庫能存儲大量的種植理論和實踐知識。用戶可以直接查詢相關關鍵字獲取知識，可以按系統(tǒng)生成的規(guī)則獲取，還可以在線咨詢專家。

5 結束語

智慧農(nóng)業(yè)可以促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉變，實現(xiàn)高效利用各類農(nóng)業(yè)資源和改善環(huán)境的目標，更大程度地挖掘有限土地資源的農(nóng)業(yè)潛力，同時全程追溯食品安全，確保生產(chǎn)過程環(huán)保節(jié)能，實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。隨著城市化程度的進一步提升，農(nóng)業(yè)用地仍將呈現(xiàn)逐年遞減的趨勢，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將會更加重視其產(chǎn)出效率，智慧農(nóng)業(yè)逐漸將取代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)。