淺談物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在草莓無土栽培中的應(yīng)用

吳小李 吳竹 李宏亞 張中華*

（1 上海華維可控農(nóng)業(yè)科技集團(tuán)股份有限公司，上海 201505；2上海節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心，上海 201505） *為通信作者

草莓含有多種氨基酸、微量元素、維生素等，具有調(diào)節(jié)人體免疫功能、增強人體免疫力的作用，是我國消費者較為喜愛的水果之一[1]，目前在我國山東、遼寧、北京、河北、安徽、四川等地的中性土和微酸性土中均有種植。

草莓傳統(tǒng)種植技術(shù)對土壤、溫度等環(huán)境因素的要求較高，無法重茬種植，且容易造成土壤養(yǎng)分流失，而當(dāng)前草莓的市場需求日益增加，故無土栽培成為草莓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢[2]。無土栽培技術(shù)（Soilfree cultivation technology）是智能溫室中常用的一種生產(chǎn)栽培技術(shù)，該技術(shù)集生產(chǎn)、技術(shù)推廣應(yīng)用、觀光等功能于一體，綜合應(yīng)用了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，集成應(yīng)用了先進(jìn)的農(nóng)業(yè)裝備（智能玻璃溫室、無土栽培系統(tǒng)、智慧水肥一體化系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等），故該技術(shù)有助于提高農(nóng)作物產(chǎn)量，降低病蟲害發(fā)生概率，保障農(nóng)產(chǎn)品安全，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品綠色生產(chǎn)，增加經(jīng)濟(jì)收益[3]。

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，IOT）可通過各種信息傳感器、射頻識別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等，實時采集聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種信息，并通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實現(xiàn)對物品和過程的智能化感知、識別和管理[4]。

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，農(nóng)作物種植過程中的精準(zhǔn)管理、智能化應(yīng)用水平不斷提高，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與無土栽培技術(shù)相結(jié)合成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。在此背景下，筆者在浙江省嘉興市嘉善縣魏塘基地進(jìn)行了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在草莓無土栽培中的應(yīng)用，最終取得了較好的應(yīng)用效果。現(xiàn)將相關(guān)技術(shù)構(gòu)成和應(yīng)用效果進(jìn)行總結(jié)介紹，以供廣大種植戶參考借鑒。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在草莓無土栽培上應(yīng)用的技術(shù)構(gòu)成

1.1 農(nóng)抬頭智慧農(nóng)業(yè)云平臺

農(nóng)抬頭智慧農(nóng)業(yè)云平臺是一個基于云平臺技術(shù)，集智能感知、控制、執(zhí)行于一體的綜合管理平臺。該平臺采用“5+N”的系統(tǒng)架構(gòu)（即一套網(wǎng)、一張圖、一個中心、一個平臺、一個門戶和N 個應(yīng)用），將整個園區(qū)的信息集中到一張圖上展示、分析和控制，實現(xiàn)統(tǒng)一管理和統(tǒng)一控制[5]。

農(nóng)抬頭智慧農(nóng)業(yè)云平臺可提供的服務(wù)包括：（1）開發(fā)并支持融入多種類型的聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備。（2）讓客戶可以便捷、高效、低成本地使用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，且保密性強。（3）提供端到端（end-to-end）的整體解決思路，包括從硬件到APP 端及上云服務(wù)。（4）系統(tǒng)在感知端通過農(nóng)抬頭物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與具體傳感器[空氣溫度（濕度），土壤溫度（濕度），二氧化碳，照片、視頻等]通信連接，具體連接方式可選有線、無線（ZigBee、LORA、NB-IOT、WiFi、藍(lán)牙）等方式。（5）通過農(nóng)抬頭智能傳感采集中間件，系統(tǒng)可以同時與若干個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)相連，并通過加密傳輸方式，將采集的各區(qū)域傳感器數(shù)據(jù)上傳到平臺并儲存。

用戶通過農(nóng)抬頭智慧農(nóng)業(yè)云平臺，不僅可以實時查看園區(qū)內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，還可以遠(yuǎn)程遙控園區(qū)內(nèi)的設(shè)備開關(guān)。具體操作流程為：當(dāng)平臺接收到控制指令時，指令會匯集至農(nóng)抬頭控制端路由系統(tǒng)，由路由系統(tǒng)查詢到被控端的具體位置，同時向遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)發(fā)送具體控制指令，最終農(nóng)抬頭遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)將控制指令分發(fā)至各區(qū)域的智能控制設(shè)備，然后指令進(jìn)入實際執(zhí)行端。執(zhí)行端由具體執(zhí)行設(shè)備和智能控制模塊組成，當(dāng)執(zhí)行端接收到具體控制指令時，先由智能控制中間件將指令下發(fā)至目標(biāo)智能控制模塊，然后由控制模塊驅(qū)動目標(biāo)設(shè)備做出相應(yīng)的動作，最終完成一整套智能控制流程。

1.2 農(nóng)業(yè)數(shù)字化功能軟件系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)數(shù)字化功能軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個項目數(shù)據(jù)的匯總、計算、分析、處理、顯示、存儲，同時負(fù)責(zé)下達(dá)指令、人機交互、監(jiān)管系統(tǒng)運行狀態(tài)、處理應(yīng)急響應(yīng)等，其中，基礎(chǔ)云平臺是整個農(nóng)業(yè)數(shù)字化功能軟件系統(tǒng)的核心。農(nóng)業(yè)數(shù)字化功能軟件系統(tǒng)通過整合并建設(shè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了信息和數(shù)據(jù)的共享，打通了數(shù)據(jù)鏈、信息鏈、業(yè)務(wù)鏈和管理鏈，發(fā)揮了信息系統(tǒng)的綜合效益。農(nóng)業(yè)數(shù)字化功能軟件系統(tǒng)按照“技術(shù)體系統(tǒng)一、運行環(huán)境穩(wěn)定、安全措施達(dá)標(biāo)、數(shù)據(jù)大腦引領(lǐng)、服務(wù)門戶唯一”的思路，運用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、新一代通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)構(gòu)建平臺，建設(shè)了具備智能感知、控制、執(zhí)行端為一體的系統(tǒng)方案。

1.3 智慧傳感器采集系統(tǒng)

智慧傳感器采集系統(tǒng)運用新一代通信網(wǎng)絡(luò)、云計算、圖像識別、VR 等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)了農(nóng)作物種植生產(chǎn)數(shù)字化傳輸、存儲、展示、分析等，減少了病蟲害的發(fā)生，提升了農(nóng)作物的產(chǎn)量與品質(zhì)。同時，智慧傳感器采集系統(tǒng)能全面了解無土栽培草莓的根系分布和植株生長情況，及時掌握水、肥、氣、光、熱、濕等環(huán)境數(shù)據(jù)。此外，智慧傳感器可作為控制條件，當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)設(shè)值時，設(shè)備會自動開啟或者關(guān)閉，開啟時設(shè)備具有順序選擇功能（即可自定義優(yōu)先開啟某設(shè)備，然后開啟某設(shè)備，直到所有設(shè)備全部開啟）。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在草莓無土栽培上的應(yīng)用

2.1 基地概況

魏塘基地位于浙江省嘉興市嘉善縣魏塘街道雙創(chuàng)園內(nèi)（雙創(chuàng)園面積為3.0×105m2），魏塘基地的數(shù)字化作物工廠分為兩個區(qū)域，總面積為9 600 m2。為打造“設(shè)施+數(shù)字”的可控農(nóng)業(yè)模式，讓智慧農(nóng)業(yè)從云端落到地頭，雙創(chuàng)園打造了可控農(nóng)業(yè)“1+X”的產(chǎn)業(yè)集群，全力推動雙創(chuàng)田園示范區(qū)建設(shè)。

2.2 品種選擇

草莓品種選用易種植、抗病性強、果實品質(zhì)優(yōu)良、豐產(chǎn)的品種（如‘櫪乙女’‘阿爾比’‘章姬’‘彌生姬’等）。草莓種植采用天瀑式無土栽培，具體栽培設(shè)施和材料包含栽培槽、升降系統(tǒng)、水肥一體化系統(tǒng)、專用基質(zhì)等。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

2.3.1 環(huán)境信息的感知與傳輸

物聯(lián)網(wǎng)的感知層由各種信息和數(shù)據(jù)采集層以及傳感器設(shè)備組成，通過布設(shè)的傳感器對無土栽培環(huán)境中的各項參數(shù)進(jìn)行采集，并通過5G、Lora、藍(lán)牙等無線或有線通信方式進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的傳輸。其中，信息和數(shù)據(jù)采集層通過溫度（濕度）傳感器、pH 感應(yīng)器、營養(yǎng)濃度感應(yīng)器、攝像頭、紅外線等傳感器來感知和采集無土栽培設(shè)備中的溫度、濕度、pH 以及營養(yǎng)液濃度，并將采集到的數(shù)據(jù)、視頻或物理量轉(zhuǎn)化為相關(guān)信息。另外，自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)字鏈路的編碼、調(diào)制和解調(diào)技術(shù)來實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的傳感器及傳感器節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸，并基于網(wǎng)絡(luò)、流量管理、路由等技術(shù)，實現(xiàn)各節(jié)點間的自組織與協(xié)調(diào)互通[6]。

2.3.2 環(huán)境指標(biāo)的調(diào)控

草莓在不同生長發(fā)育階段需要不同的環(huán)境指標(biāo)，故需要對溫室的天窗、遮陽網(wǎng)、風(fēng)機、濕簾、空氣濕度、灌溉量等進(jìn)行調(diào)控。農(nóng)抬頭智慧農(nóng)業(yè)云平臺可設(shè)定不同的環(huán)境指標(biāo)控制方案。例如，當(dāng)溫度達(dá)到一定數(shù)值可開啟或關(guān)閉保溫棉；當(dāng)濕度達(dá)到一定數(shù)值可打開或關(guān)閉天窗（或啟動迷霧系統(tǒng)）；當(dāng)光照強度達(dá)到一定數(shù)值可開啟或關(guān)閉遮陽網(wǎng)等。同時，農(nóng)抬頭智慧農(nóng)業(yè)云平臺具備多種水肥一體化控制模式，有手動啟動、定時啟動、按條件啟動、多因子啟動等多種控制模式，種植技術(shù)員可根據(jù)現(xiàn)場條件及相關(guān)種植經(jīng)驗靈活選用。例如，日出前按順序設(shè)定不同閥門進(jìn)行自動灌溉；根據(jù)基質(zhì)濕度傳感器設(shè)定的上下閾值進(jìn)行自動灌溉；根據(jù)太陽輻射累計量進(jìn)行智慧灌溉等。且所有方案的啟動和執(zhí)行結(jié)果均以信息的方式通知技術(shù)人員，以便于技術(shù)人員進(jìn)行管理和控制。

2.3.3 視頻監(jiān)控

通過布置的360°旋轉(zhuǎn)高清監(jiān)控攝像頭及高清相機對種植現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測，可實時對草莓的生長環(huán)境、植株長勢、植?；顒拥惹闆r進(jìn)行查看，且相關(guān)視頻可進(jìn)行回看和導(dǎo)出保存。另外，在線視頻監(jiān)控系統(tǒng)可與溫室環(huán)控調(diào)節(jié)、水肥一體化、農(nóng)事管理、預(yù)警預(yù)報等系統(tǒng)相結(jié)合，在監(jiān)控中心、PC 端或移動端即可實時查看生產(chǎn)現(xiàn)場的視頻畫面以及農(nóng)機的運行狀態(tài)。

2.3.4 數(shù)據(jù)收集、查詢、分析

通過布設(shè)的傳感器，可將各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_，并自動整理形成曲線或圖表，供相關(guān)技術(shù)人員查詢、診斷和分析（可根據(jù)需要，形成同一類型不同時期的曲線、同一區(qū)域不同要素的展示圖表等，便于操作者查看和判斷）。收集和查詢的數(shù)據(jù)包括：（1）溫室內(nèi)外的小環(huán)境氣候數(shù)據(jù)，包含空氣溫度（濕度）、光照強度、二氧化碳濃度、土壤溫度（濕度）、營養(yǎng)液濃度和pH 等。（2）各種設(shè)備的開關(guān)狀況、事件、報警信息及各種歷史操作記錄。

數(shù)據(jù)分析是基于以往存儲的各類數(shù)據(jù)信息，對系統(tǒng)發(fā)出的報警、預(yù)警進(jìn)行分析，提出相關(guān)解決方案，并以信息的方式通知種植管理人員。同時，篩選草莓在產(chǎn)量和品質(zhì)較好生長情況下的環(huán)境數(shù)據(jù)、水肥配比等，依此為草莓生長模型研究提供依據(jù)。

2.4 應(yīng)用效果

2.4.1 增加效益

在草莓生產(chǎn)上運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無土栽培技術(shù)，可為草莓生長提供可控的環(huán)境條件，從而減少外部環(huán)境元素的干預(yù)，減輕病蟲害的發(fā)生。例如，草莓傳統(tǒng)栽培經(jīng)常有根腐病、炭疽病等發(fā)生，植株成活率一般在80%左右，而采用無土栽培后，病害發(fā)生程度明顯下降，且種植密度較傳統(tǒng)栽培提高了10%～20%，生態(tài)效益顯著。同時，新型溫室無土栽培技術(shù)在傳統(tǒng)栽培的基礎(chǔ)上，通過運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在草莓不同生長發(fā)育階段提供了所需的水肥配方，創(chuàng)造了適宜草莓生長發(fā)育的環(huán)境，提高了草莓的產(chǎn)量和品質(zhì)，獲得了更高的經(jīng)濟(jì)效益。此外，在草莓生產(chǎn)上運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無土栽培技術(shù)，提高了草莓種植基地的信息化水平，社會效益顯著提升。

2.4.2 節(jié)約成本

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運用，草莓種植戶可以通過手機APP 或PC 端查看各種環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過設(shè)定的程序自動進(jìn)行相關(guān)環(huán)境指標(biāo)調(diào)控等，降低了勞動強度，減少了勞動投入，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了成本。

2.4.3 推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展

在草莓生產(chǎn)上運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無土栽培技術(shù)，通過集成應(yīng)用先進(jìn)的農(nóng)業(yè)裝備，進(jìn)一步釋放了生產(chǎn)潛能，保障了草莓生產(chǎn)安全及產(chǎn)品質(zhì)量安全，有利于推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。

3 結(jié)束語

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于草莓無土栽培中，不僅可以實現(xiàn)草莓生產(chǎn)的增產(chǎn)增量，緩解供需不平衡的問題，而且能解決勞動力的成本高和老齡化嚴(yán)重問題，適合草莓規(guī)?；N植的需要。未來隨著我國信息技術(shù)的高速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等先進(jìn)技術(shù)將繼續(xù)在農(nóng)業(yè)場景中得到快速應(yīng)用和示范，從而能進(jìn)一步優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加速產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化、自動化、信息化、智能化、規(guī)模化、集約化水平，促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)持續(xù)、高效發(fā)展。