農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在溫室大棚生產(chǎn)中的應(yīng)用進展

葛禮姣，程玉靜*，仇亮，王小秋，翟彩嬌，丁曉衛(wèi)

(1.江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 南通 226012；2.江蘇超數(shù)信息科技有限公司，江蘇 南通 226004)

隨著互聯(lián)網(wǎng)、移動通信技術(shù)、傳感檢測技術(shù)和計算機通信技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐步形成，并受到社會廣泛關(guān)注[1-2]。物聯(lián)網(wǎng)指通過射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)(GPS)等感知設(shè)備，把標的物的各項所需信息進行采集，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)進行信息交換，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理等，其實質(zhì)是依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將人與人之間的信息交流擴展到了物與物之間[3-4]。物聯(lián)網(wǎng)是繼互聯(lián)網(wǎng)和移動通信之后的又一次信息革命浪潮，也是社會經(jīng)濟發(fā)展到現(xiàn)階段的必然要求[5]。

我國是典型的人口大國，民以食為天，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是人口大國的命脈，保障我們?nèi)粘Ｉ钏瑁挝覈?jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展。當(dāng)前，城鎮(zhèn)化導(dǎo)致土地資源日漸縮減，農(nóng)村人口大量向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，務(wù)農(nóng)人口減少，無法繼續(xù)維持傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)勞動密集型的生產(chǎn)方式，因此，亟需利用智能化和自動化技術(shù)來提高農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)量和效率[6-8]?，F(xiàn)階段，我國正努力從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代智能化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)作為一項新型信息化集成技術(shù)，通過各類傳感器實時掌握室內(nèi)的光照、溫度、濕度、CO2濃度和土壤信息，及時應(yīng)對環(huán)境做出適合農(nóng)作物的變化，可實現(xiàn)作物生長環(huán)境的最優(yōu)控制，使設(shè)施農(nóng)業(yè)更加精準高效，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和農(nóng)業(yè)管理模式，減輕農(nóng)民勞動壓力，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展意義重大，在溫室大棚生產(chǎn)中有著十分廣闊的應(yīng)用前景[9-11]。近年來，我國將物聯(lián)網(wǎng)列為國家重點發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，以期加快高效高產(chǎn)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展進程。本文擬通過對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在溫室大棚中的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用方法和存在的不足進行分析，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在溫室大棚中的實踐應(yīng)用提供參考。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用概況

1.1 國外農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用概況

物聯(lián)網(wǎng)的概念最早在1999年，由美國Auto-ID研究中心的Ashton教授在物品編碼、RFID技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上提出。2005年21世紀全球信息社會峰會上，國際電信聯(lián)盟對物聯(lián)網(wǎng)的概念進行了擴展，提出增加傳感器、模糊識別和智能終端等技術(shù)的應(yīng)用，正式定義了物聯(lián)網(wǎng)概念、技術(shù)及應(yīng)用前景[5，12]。此后，隨著各國政府對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的政策支持和高新技術(shù)企業(yè)的迅速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵不斷被豐富完善，并滲透到各個行業(yè)領(lǐng)域中。

自20世紀90年代起，美國、日本、以色列、荷蘭等發(fā)達國家就開展了農(nóng)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合的研究，并取得一定成果，其農(nóng)業(yè)信息化已處于世界領(lǐng)先水平。其中，大農(nóng)場在美國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推廣中起著引領(lǐng)作用。研究顯示，美國超80%的中大型農(nóng)場均已應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)智能化生產(chǎn)。同時，美國政府每年用于農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面的投資約為15億美元，已建成當(dāng)前世界上最大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基地、農(nóng)業(yè)計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)AGNET和強大的農(nóng)業(yè)技術(shù)信息庫，如生物科學(xué)情報社(BISIS)、美國國家農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫(AGRICOLA)和FAO農(nóng)業(yè)情報體系(AGRIS)等，人們可以通過互聯(lián)網(wǎng)共享農(nóng)業(yè)服務(wù)信息資源[13-16]。與美國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式不同，日本以輕便型智能農(nóng)業(yè)為主。2004年日本總務(wù)省提出U-Japan計劃，將推動農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展作為核心內(nèi)容之一，采用產(chǎn)業(yè)界、政府和學(xué)術(shù)界合作的科技發(fā)展體制協(xié)同研發(fā)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。此后，日本政府不斷加強對智慧農(nóng)業(yè)的扶持補助，截至當(dāng)前，日本已有超出50%的農(nóng)戶使用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，大幅提升了農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)效率，有助于解決日本農(nóng)業(yè)勞動人口高齡化和勞動力不足等問題[15]。以色列將滴灌技術(shù)與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行結(jié)合，開發(fā)出智能節(jié)水灌溉與施肥系統(tǒng)，運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把滴灌技術(shù)做到了極致，有效解決了沙漠地區(qū)農(nóng)作物種植困境，進一步提高了農(nóng)業(yè)集約化水平，實現(xiàn)由沙漠走向綠洲的跨越式發(fā)展[17-18]。1974年，荷蘭將計算機與溫室氣候控制系統(tǒng)相結(jié)合，邁出設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)的第一步。當(dāng)前，荷蘭通過智能化設(shè)備調(diào)控溫室環(huán)境的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模已達1萬km2，基本實現(xiàn)全自動化無人管理，建成設(shè)施農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)體系[18]。

1.2 國內(nèi)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用概況

21世紀以來，我國積極推動農(nóng)業(yè)自動化和智能化發(fā)展，大力提倡發(fā)展農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。2015年國務(wù)院印發(fā)《國務(wù)院關(guān)于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》，提出要利用互聯(lián)網(wǎng)提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理和服務(wù)水平，培育一批精細化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的現(xiàn)代種養(yǎng)加生態(tài)農(nóng)業(yè)的創(chuàng)新模式，形成示范作用；在基礎(chǔ)良好、大宗農(nóng)產(chǎn)品規(guī)模生產(chǎn)的區(qū)域，普及并構(gòu)建農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)測控體系。近年來，中央一號文件均將大力推動農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用作為重要內(nèi)容發(fā)布，2023年中央一號文件進一步明確了我國大力發(fā)展現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)的決心。文件指出要實施設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化提升行動，加快發(fā)展集約化育苗中心，集中推進老舊農(nóng)業(yè)設(shè)施的改造，探索科學(xué)利用戈壁、沙漠等發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，并鼓勵地方對設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)給予信貸貼息，為我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展提供廣闊的平臺。

我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)起步較晚，自動化配套設(shè)施和技術(shù)遠遠落后于發(fā)達國家。早期，我國農(nóng)業(yè)信息化智能大棚主要采用國外引進的方式，成本高、周期長、后續(xù)維護無法得到及時保證，并且由于沒有考慮到我國國情，引入的大部分設(shè)備的工作方式難以與我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕種方式相容，同時也由于國內(nèi)缺乏相應(yīng)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人員，導(dǎo)致進口設(shè)備引入后無法發(fā)揮功能，造成資源浪費。隨著我國無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)及云平臺等先進技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)高校及科研院所開始致力于開發(fā)適合本國國情和地勢的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，滿足我國現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)的根本需求。例如，李富善[19]設(shè)計了一套融合物聯(lián)網(wǎng)裝置和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測算法的預(yù)測型土壤濕度測控系統(tǒng)，有效解決了青海地區(qū)傳統(tǒng)土壤濕度測控系統(tǒng)測量誤差大、測量過程受干擾程度大、灌溉不及時和灌溉方式原始等問題。針對大棚內(nèi)影響果蔬生長的復(fù)雜參數(shù)，何嵐[20]通過分析環(huán)境參數(shù)溫度、濕度兩種之間的耦合關(guān)系，設(shè)計了帶補償?shù)哪：齈ID控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的有效控制。劉澤楠[17]通過ZigBee-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方式，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與云平臺的數(shù)據(jù)交互，生產(chǎn)者通過平臺在線監(jiān)測溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)變化，實現(xiàn)溫室內(nèi)溫濕度的自動控制，有效解決了傳統(tǒng)溫室控制系統(tǒng)智能化程度不足的問題。同時，設(shè)計連接消費者與生產(chǎn)者的終端交互平臺，化解了生產(chǎn)者和消費者之間的信任危機。

2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系主要分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層，每個層次行使不同的功能，通過有效組合完成整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程[21](圖1)。

圖1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of agricultural internet of things system

2.1 感知層

感知層在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)中處于最底層，是物聯(lián)網(wǎng)識別物體、采集信息的來源。感知層的關(guān)鍵技術(shù)主要包括RFID技術(shù)、全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)、傳感器技術(shù)等。其中，RFID技術(shù)可通過射頻信號自動識別目標對象并獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，常用于農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源；GPS技術(shù)則是利用衛(wèi)星全方位實時導(dǎo)航進行測時和測距，可實現(xiàn)對物體的精準定位，一般用于土地資源調(diào)查和農(nóng)作物監(jiān)測；傳感器技術(shù)利用智能傳感、視覺圖像、生化傳感等方法感知溫室環(huán)境信息以及作物生理信息，包括室內(nèi)空氣參數(shù)、土壤環(huán)境、水肥條件、作物生長狀況以及病蟲草害等農(nóng)業(yè)要素信息[6，22]。在現(xiàn)代化智能溫室的建設(shè)中，感知層是溫室控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，系統(tǒng)通過在感知層中布設(shè)環(huán)境采集節(jié)點，用于收集各種信息數(shù)據(jù)，將信息通過網(wǎng)絡(luò)匯集到數(shù)據(jù)處理中心進行決策后，接受系統(tǒng)控制中心的指示，實現(xiàn)對溫室的自動控制[23]。感知層的采集節(jié)點主要包括溫濕度等各種傳感器設(shè)備以及視頻監(jiān)控設(shè)備，控制設(shè)備主要有風(fēng)機、加濕器、加熱器、卷簾、遮陽網(wǎng)等。其中，傳感器的精度決定了整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的性能，在建設(shè)智能溫室時要求選擇高精度、耐高溫、耐高濕、耐腐蝕的傳感器設(shè)備。

2.2 傳輸層

傳輸層負責(zé)感知層與應(yīng)用層之間的信息傳遞和交換，是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中樞。其網(wǎng)絡(luò)傳輸方式主要分為有線通信技術(shù)和無線通信技術(shù)。有線通信技術(shù)主要包括RS-232標準和RS-485標準。其中，RS-485標準是在物理層上對RS-232標準的升級，將RS-232標準的單根邏輯電平信號改為雙線的差分信號，提高了抗干擾能力[18]。其次，RS-232標準的最大傳輸距離為15 m，最大傳輸速率為20 kb·s-1，而RS-485標準的最大傳輸距離為1.2 km，最大傳輸速率為10 Mb·s-1，相比于RS-232，具有傳輸距離遠、速度快的優(yōu)勢[24]。

當(dāng)前，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用最多的是無線通信技術(shù)，在溫室大棚中應(yīng)用廣泛的幾種無線通信方式有Zigbee[25]、藍牙[26]、WiFi[27]、GPRS[28]、3G[29]、4G[30]、5G[31]、近場通信(NPF)[32]、紅外數(shù)據(jù)傳輸(IrDA)[33]。由表1可知，藍牙、IrDA、NFC和ZigBee技術(shù)為近距離通信技術(shù)，GPRS、3G、4G、5G和WiFi則為遠程通信技術(shù)[24，33-34]。通過對比，發(fā)現(xiàn)相較于藍牙、IrDA和NFC技術(shù)，ZigBee技術(shù)具有可靠性好、穩(wěn)定性高、通信距離長的優(yōu)勢。當(dāng)下，基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的溫室環(huán)境測控系統(tǒng)是溫室環(huán)境測控的研究熱點[34-35]。遠程通信技術(shù)中，GRPS、3G、4G和5G技術(shù)比較靈活，網(wǎng)速依次提高，每臺需要聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備需要配備一個SIM卡，每個月僅需為SIM卡繳費即可，但隨著聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和網(wǎng)速的增加，總體價格成本也相對提升。WiFi技術(shù)價格相對便宜，僅需繳納固定金額，傳輸速度快，但極易受到建筑物影響，抗干擾性較弱。綜上，每種通信技術(shù)均有其優(yōu)缺點，在設(shè)計溫室系統(tǒng)時，種植戶可根據(jù)自身的需求以及資金狀況選擇通信設(shè)備。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)功能的不同，可以將傳輸層網(wǎng)絡(luò)分為設(shè)備間互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備與應(yīng)用層互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)兩部分，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建中，通常將近距離無線通信技術(shù)和有線通信技術(shù)用于設(shè)備間互聯(lián)，遠程無線通信技術(shù)用于設(shè)備與應(yīng)用層間的互聯(lián)。其中，以ZigBee技術(shù)將設(shè)備與設(shè)備進行互聯(lián)，WiFi技術(shù)將設(shè)備連接至應(yīng)用層的ZigBee-WiFi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛[17，24，36-37]。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層系部署在云端的智能控制平臺[38]，處于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系的最上層，其主要功能是對傳輸層提供的數(shù)據(jù)進行整理、儲存、顯示和分析處理，并結(jié)合農(nóng)業(yè)知識做出判斷和決策，對各種農(nóng)業(yè)設(shè)備進行遠程控制，起到數(shù)據(jù)處理、診斷決策和人機交互的作用[39]。在溫室大棚中，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù)主要包括云平臺技術(shù)和農(nóng)業(yè)智能控制技術(shù)。

2.3.1 云平臺技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)云平臺是在一般服務(wù)器架構(gòu)上進行修改，使之成為了具備物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)功能的大數(shù)據(jù)處理中心，是物與物之間實現(xiàn)通信的橋梁和紐帶[40]。很多大型農(nóng)業(yè)公司都選擇自己開發(fā)云平臺，從終端智能硬件到服務(wù)器，再到控制軟件，形成一套獨立的軟硬件系統(tǒng)，但開發(fā)難度較大，對于小型企業(yè)和農(nóng)戶而言并不親民[41]。隨著云平臺技術(shù)的快速發(fā)展，不具云平臺開發(fā)條件的智能溫室使用者可采用供應(yīng)商提供的云平臺服務(wù)進行終端數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、儲存和分析。根據(jù)提供服務(wù)的內(nèi)容不同，云平臺服務(wù)可分為基礎(chǔ)即服務(wù)(Iaas)、平臺即服務(wù)(Paas)和軟件即服務(wù)(Saas)3種模式[17-18，42]。其中，Iaas指由云平臺服務(wù)提供商提供存儲、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)服務(wù)；Paas指由云平臺服務(wù)提供商提供開發(fā)環(huán)境和硬件環(huán)境，用戶可以利用平臺設(shè)計、開發(fā)滿足自己需求的程序；Saas指由云平臺服務(wù)提供商直接提供軟件資源[43]。在設(shè)計現(xiàn)代化智能溫室時，云平臺供應(yīng)商可根據(jù)用戶需求，將云平臺植入各種智能管控系統(tǒng)，為用戶提供存儲、分析、計算等復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，用戶將感知層數(shù)據(jù)傳輸至云平臺后，僅需通過遠程PC或手機終端等移動設(shè)備訪問云服務(wù)器即可任意享用平臺服務(wù)，實時監(jiān)測溫室大棚傳感器采集的數(shù)據(jù)，并發(fā)送指令到溫室自動化設(shè)備調(diào)控器中對溫室環(huán)境進行調(diào)控[44]。選擇成熟的開發(fā)平臺可以節(jié)省大量的時間精力，降低用戶的成本。當(dāng)前國內(nèi)開發(fā)較為成熟的云平臺如OneNet、騰訊云和機智云等已在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中廣泛應(yīng)用。孫忠祥[45]采用OneNet云平臺作為數(shù)據(jù)接收、儲存和轉(zhuǎn)發(fā)平臺，并在平臺上建立相關(guān)應(yīng)用，通過PC在線或手機APP客戶端實現(xiàn)蔬菜大棚的遠程監(jiān)控功能。溫建勝[46]基于騰訊云服務(wù)器，利用LabVIEW、VBSCRIPT和JAVASCRIPT進行服務(wù)器后臺數(shù)據(jù)處理軟件和頁面的設(shè)計，實現(xiàn)了系統(tǒng)對葉菜溫室環(huán)境因子數(shù)據(jù)的收集、解析以及用戶對溫室系統(tǒng)參數(shù)的遠程調(diào)控。汪曉樂[47]采用機智云為后臺監(jiān)控平臺，并利用機智云提供的APP軟件，對溫室的溫度、濕度和光照等因素進行遠程查看與控制。用戶可以根據(jù)自身需求和價格預(yù)期進行云服務(wù)器的選擇。

2.3.2 農(nóng)業(yè)智能控制技術(shù)

在設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，農(nóng)業(yè)智能控制技術(shù)指通過傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)以及人工智能技術(shù)等自動調(diào)節(jié)溫室農(nóng)業(yè)要素，使溫室達到農(nóng)作物最優(yōu)生長環(huán)境[48]。設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制方法主要包括模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法及專家控制法。研究者們[49-51]將這3種方法的應(yīng)用特點總結(jié)為：模糊控制知識可將豐富的種植經(jīng)驗總結(jié)起來，把復(fù)雜的溫室環(huán)境變化規(guī)律簡單化，表達能力和推理能力強，無須建立精確的模型，但知識表達結(jié)構(gòu)單一，只可實現(xiàn)對溫室環(huán)境的粗略控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是指利用計算機語言模擬人腦神經(jīng)的決策方式，具有自學(xué)習(xí)能力，計算速度快，能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，但是結(jié)構(gòu)和類型難以確定，無法保證結(jié)果的絕對正確性，算法易陷入局部最優(yōu)。專家系統(tǒng)控制法的實質(zhì)是根據(jù)農(nóng)業(yè)專家提供的農(nóng)業(yè)知識和經(jīng)驗，運用計算機技術(shù)，對數(shù)據(jù)進行推理和判斷，得出最佳解決方案，優(yōu)點在于對規(guī)則和推理過程的清晰、正確表達，缺點是不具備自學(xué)習(xí)能力，推理范圍狹窄，效率較低。由此可知，單一的控制方法各有局限性，無法滿足對復(fù)雜的溫室環(huán)境的智能控制，應(yīng)將多種算法進行融合，從而實現(xiàn)對溫室眾多環(huán)境因子變量更有效的控制。目前，農(nóng)業(yè)智能控制技術(shù)的研究方向主要為環(huán)境參數(shù)控制算法的融合創(chuàng)新。Atia等[52]通過對多種控制方法進行對比試驗發(fā)現(xiàn)，將模糊控制與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的自適應(yīng)神經(jīng)模糊控制算法應(yīng)用于溫室系統(tǒng)，可以迅速響應(yīng)環(huán)境溫度的變化，提升了溫室溫度控制系統(tǒng)的整體控制效果，達到了恒定室溫的目的。韋玉翡等[53]采用的模糊專家控制系統(tǒng)能根據(jù)番茄各生育期的環(huán)境因子最優(yōu)值，對控制設(shè)施進行調(diào)節(jié)，促使溫室環(huán)境更趨于作物最佳生長環(huán)境，具有良好的控制效果。張濤[54]為彌補常規(guī)算法速度慢、預(yù)測準確率低的缺點，提出了廣義神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，提高了中藥材生長環(huán)境診斷預(yù)測的準確性，實現(xiàn)了對影響中藥材生長的環(huán)境因素的實時監(jiān)測和及時調(diào)整。

3 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在溫室大棚中的應(yīng)用

3.1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在作物各個種植階段的應(yīng)用

根據(jù)作物生長習(xí)性和規(guī)律，在作物的不同種植階段應(yīng)用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可有效地提高作物生產(chǎn)效率、解放人力、降低生產(chǎn)成本。在作物種植準備階段，利用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)，科學(xué)采集并分析棚內(nèi)的氣候條件和土壤條件數(shù)據(jù)，可篩選出適宜播種的作物種類，提高種植作物的成活率和品質(zhì)。在作物生長階段，利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)實時監(jiān)測蔬菜生長的土壤水分含量、土壤肥力、環(huán)境溫濕度、光照情況等環(huán)境信息，為智能控制系統(tǒng)設(shè)定最佳環(huán)境參數(shù)閾值，當(dāng)環(huán)境指標超出最佳環(huán)境參數(shù)范圍時，自動啟動空氣內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)、風(fēng)機降溫系統(tǒng)、光照系統(tǒng)、以及水肥一體化系統(tǒng)的相關(guān)控制設(shè)備將環(huán)境指標調(diào)整到最佳狀態(tài)，隨后自動關(guān)閉控制設(shè)備，有效實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保；利用超清監(jiān)控攝像頭，隨時查看溫室大棚中作物的生長狀態(tài)，獲取相應(yīng)的視頻監(jiān)控圖像，可及時排除影響作物生長的不利因素；作物生長后期，利用傳感器和攝像頭設(shè)備采集數(shù)據(jù)，結(jié)合作物生長積溫模型可對作物的成熟程度和收獲期進行預(yù)測，供用戶參考，讓用戶有充足的時間為作物收獲做準備[55-56]。在作物收獲階段，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對作物生長信息進行匯總和儲存，可在作物的銷售環(huán)節(jié)提供基礎(chǔ)信息，用于農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的安全溯源[5，57]。

3.2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在作物病蟲害防控中的應(yīng)用

使用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以有效地防控作物病蟲害，具體應(yīng)用為：通過傳感器全天候?qū)崟r監(jiān)測影響作物病蟲害發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)境因子，并使用超清監(jiān)控攝像頭實時拍攝的影片作為參考資料，將這些信息傳輸至云平臺數(shù)據(jù)處理中心后，利用智能算法，建立作物病蟲害發(fā)生模型，結(jié)合專家系統(tǒng)實現(xiàn)作物病蟲害的預(yù)測和預(yù)警，并將信息發(fā)布至用戶端提示管理人員做好防治工作。管理人員可通過種植經(jīng)驗和專家系統(tǒng)的建議進行管控，以防病蟲害的大規(guī)模流行。當(dāng)前，研究人員還對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳統(tǒng)的病蟲害預(yù)警功能延伸開發(fā)出專家視頻會商功能，用戶可通過圖片集和視頻的形式向?qū)＜規(guī)鞂＜医榻B作物病蟲害的發(fā)病情況，專家通過互聯(lián)網(wǎng)遠程對用戶進行指導(dǎo)和培訓(xùn)，解答種植過程中的各種問題，有效預(yù)防作物病蟲害的流行[2，58]。

3.3 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在溫室大棚中的應(yīng)用效果

目前，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用到番茄[38]、草莓[59]、葡萄[60]等作物的溫室栽培中，并帶來一定的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。蘆天罡等[38]發(fā)現(xiàn)，相比于無物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的日光溫室，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)更有利于創(chuàng)造作物生長的最佳環(huán)境，每年可節(jié)省33%的人工成本，提高11.4%的單位面積產(chǎn)量。刁書中[59]利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改造日光溫室，對比改造前節(jié)水50%～70%，節(jié)肥20%～40%，減少農(nóng)藥使用量15%～20%，減少人工4～5人，在改良后的日光溫室種植草莓，可實現(xiàn)每667 m2增收36%，每667 m2年收入提高1.3萬元。王素青等[60]應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)根據(jù)葡萄不同生育時期的生長特性進行葡萄園溫度與水肥的自動化控制，對比應(yīng)用前，葡萄商品果率從75%提升至85%，園區(qū)年產(chǎn)值提高了40萬～50萬元。

4 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在溫室大棚應(yīng)用推廣中存在的問題

4.1 產(chǎn)品技術(shù)匱乏

當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)達到國際水平的本土企業(yè)屈指可數(shù)，市面產(chǎn)品不夠靈敏、經(jīng)常故障，且維修困難，具備自主產(chǎn)權(quán)的高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性的技術(shù)和產(chǎn)品嚴重匱乏，影響農(nóng)民應(yīng)用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的積極性[44]。

4.2 成本較高，成本與利潤不成正比

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在溫室大棚中的應(yīng)用是基于多種高精度傳感器設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的，然而高精度傳感器設(shè)備價格昂貴，并需要經(jīng)常維護保養(yǎng)，勢必在應(yīng)用中產(chǎn)生較高的維護費，此外，寬帶和移動網(wǎng)的使用也是一筆不小的開支，因此，想要引進農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，就需要投入大量資金。我國農(nóng)作物種植利潤較低，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對于小型企業(yè)和農(nóng)民來說是筆巨大的成本投入，成本與利潤不成正比致使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)難以大面積推廣。

4.3 農(nóng)民應(yīng)用困難

老齡化和文化程度低是我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者普遍存在的問題，農(nóng)民依然保留著傳統(tǒng)的生產(chǎn)習(xí)慣，接受和適應(yīng)新興事物的能力慢，對智能設(shè)備不夠熟練，是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推廣過程中最大的難題。

4.4 缺乏規(guī)范統(tǒng)一的應(yīng)用標準體系

當(dāng)前，我國在應(yīng)用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)時，由于缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集標準，不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、接口不兼容，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集相對隨機且孤立，各地甚至各個用戶采集的數(shù)據(jù)之間既無法兼容，也無法與國內(nèi)外開放的大型農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)信息共享，導(dǎo)致信息孤島現(xiàn)象的形成，物聯(lián)網(wǎng)市場呈現(xiàn)分割狀態(tài)，嚴重影響了農(nóng)業(yè)信息的共享交換，制約了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[61]。此外，伴隨我國科技的迅速發(fā)展，部分標準更新滯后，與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際大相徑庭，無法適應(yīng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求，亟須重新修訂。

5 展望

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用對于改變我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)經(jīng)營模式粗放、耕地細碎化的農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化、智能化水平，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程具有重要意義。在今后的工作中，各地方政府應(yīng)充分發(fā)揮主導(dǎo)功能，給予政策傾斜，為中小型企業(yè)和農(nóng)戶設(shè)置信貸補貼，大力支持農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)與推廣工作。與此同時，政府相關(guān)部門應(yīng)結(jié)合農(nóng)業(yè)科研機構(gòu)、高等院校、高新企業(yè)，共同參與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)，瞄準產(chǎn)業(yè)所需，研發(fā)出一批具有先進水平的高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、低成本、低能耗的技術(shù)和產(chǎn)品，解決當(dāng)前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)品匱乏的難題；組建專業(yè)的科普隊伍，設(shè)置情景化培訓(xùn)課程，多途徑開展對農(nóng)民的實踐應(yīng)用培訓(xùn)，幫助農(nóng)民熟練、正確地使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；建設(shè)專業(yè)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)人才培訓(xùn)機構(gòu)，培養(yǎng)高水平的應(yīng)用、管理及服務(wù)人才，打造專業(yè)的人才團隊，為推進農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大面積應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。此外，應(yīng)盡快解決農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中傳感器接口不兼容、數(shù)據(jù)傳輸格式不一致的問題，建立高效的數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)質(zhì)量管理體制，統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集標準，積極完善農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標準體系，促進全國平臺共用、數(shù)據(jù)共享，推動我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。