農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)和云平臺(tái)管理技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用.pdf

溫室園藝 2018-09 溫室園藝 2018-09 28 29 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù) 和云平臺(tái)管理技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用魏 瑤（北京科百宏業(yè)科技有限公司，北京 100081） DOI: 10.16815/j.cnki.11-5436/s.2018.25.004農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述 設(shè)施農(nóng)業(yè)以有效調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)環(huán)境的功 能見(jiàn)長(zhǎng)， 而調(diào)控的首要任務(wù)是了解作物需求。 通俗地講， 植物和孩子一樣需要喝水、 吃飯， 植物也有呼吸、有體溫，在特定的環(huán)境條件 下會(huì)生病。但植物不會(huì)說(shuō)話，通常人們依靠 經(jīng)驗(yàn)照料植物，但往往會(huì)過(guò)量使用水、肥和 780 MHz 物聯(lián)網(wǎng)專用頻段的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) （圖 1 ）。該系統(tǒng)是先進(jìn)的環(huán)境數(shù)據(jù)無(wú)線采集 系統(tǒng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、云平臺(tái)管理系統(tǒng)， 以及豐富的數(shù)字模型聚合與集成運(yùn)用的綜合技 術(shù)（ 圖 2 ）。運(yùn)用傳感裝備，對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境 進(jìn)行全緯度、高密度和高粒度的大數(shù)據(jù)在線監(jiān) 測(cè)，然后通過(guò)無(wú)線傳輸設(shè)備匯總傳輸至科百數(shù) 據(jù)云平臺(tái)，經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)模型深度計(jì)算給現(xiàn)場(chǎng)作 業(yè)人員提供如灌溉、降溫、通風(fēng)、加濕亦或是 噴藥等提示，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員通過(guò)電腦或手機(jī)登 錄專屬網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)大面積的遠(yuǎn)程手動(dòng)或者自動(dòng)控 制。 簡(jiǎn)而言之， 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分為采集層、 傳輸層、 應(yīng)用層三個(gè)層次，整套系統(tǒng)解決了植物要多少 給多少，種植經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)模型化，大面積可視化 操控的問(wèn)題。應(yīng)用 溫室設(shè)施通過(guò)水簾風(fēng)機(jī)、導(dǎo)流風(fēng)機(jī)、外側(cè) 開(kāi)窗、屋頂開(kāi)窗、外遮陽(yáng)系統(tǒng)、內(nèi)保溫系統(tǒng)、 人工補(bǔ)光設(shè)備、自動(dòng)灌溉、高壓噴霧等設(shè)備實(shí) 現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境的有效調(diào)控，擺脫自然環(huán)境 的制約，按照人的意愿實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。但是對(duì) 于目前的普通溫室而言，過(guò)于依賴人工 進(jìn)行操作，多以家庭為單位進(jìn)行分散經(jīng) 營(yíng)管理，難以進(jìn)行規(guī)?；\(yùn)營(yíng)。嚴(yán)重缺 乏環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和控制設(shè)備，精準(zhǔn)化程 度很低，產(chǎn)量小、品質(zhì)低，綜合經(jīng)濟(jì)效 益還有巨大的提升空間。 物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線監(jiān)測(cè)技術(shù)在溫室監(jiān)測(cè)方面 的應(yīng)用 在溫室設(shè)施農(nóng)作物種植中，溫室設(shè) 施內(nèi)的環(huán)境直接影響著農(nóng)作物能否健康 良好地生長(zhǎng)?；趯?duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的理解， 科百自主研發(fā)的傳感器精準(zhǔn)采集影響植 物生長(zhǎng)的水、肥、氣、熱、光等要素環(huán) 境信息，并結(jié)合植物生理生長(zhǎng)信息的實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè) （圖 3 ） ， 建立植物生長(zhǎng)高粒度、 多維度的數(shù)據(jù)庫(kù)。傳感器采集的數(shù)據(jù)通 圖 2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)管理示意圖 超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器 雨量計(jì) 太陽(yáng)能板 測(cè)站主機(jī)（RTU） CaipoBase 物聯(lián)網(wǎng)基站 CaipoWave+ 物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線節(jié)點(diǎn) 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用 - 病蟲害數(shù)字模型 CaipoWeb 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái) 措施 數(shù)據(jù)分析 模型模擬 決策 作物環(huán)境 數(shù)據(jù)輸出 數(shù)據(jù)輸入 數(shù)據(jù)采集 1 3 4 2 精準(zhǔn)預(yù)測(cè) 溫度圈 濕潤(rùn)圈 營(yíng)養(yǎng)圈 根系圈 糖分產(chǎn)物 C 6 H 12 O 6 光合作用 + 呼吸作用 氧氣 二氧化碳 糖分儲(chǔ)存 水分蒸騰 水 分/養(yǎng) 分(上 傳) 水 分/養(yǎng) 分(下 傳) 葉面濕度數(shù)據(jù) 果實(shí)直徑數(shù)據(jù) 莖稈直徑數(shù)據(jù) 二氧化碳 氧氣 呼吸作用 ( 無(wú)光合作用 ) 氮?dú)?水 肥料 水分及礦物元素通 過(guò)根毛進(jìn)入植物體 根吸收區(qū) 土壤溫濕度數(shù)據(jù) 圖 1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) 農(nóng)藥。為了聽(tīng)懂“植物的語(yǔ)言”，了解植物 的需要，必須通過(guò)精準(zhǔn)有效的農(nóng)業(yè)專用傳感 器采集影響植物生長(zhǎng)的土壤、氣象環(huán)境和植 物生理數(shù)據(jù)。然后通過(guò)數(shù)字模型指導(dǎo)，遠(yuǎn)程 調(diào)控植物的生長(zhǎng)環(huán)境才能起到溫室設(shè)施農(nóng)業(yè) 應(yīng)有的提質(zhì)增量目的。 2017 年，北京科百宏業(yè)科技有限公司歷 時(shí) 7 年的研發(fā)和改進(jìn) ，開(kāi)發(fā)出一套基于中國(guó) 過(guò)節(jié)點(diǎn)，以無(wú)線形式傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)站主機(jī)，監(jiān)測(cè) 站主機(jī)再通過(guò) GPRS 方式將監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)送到數(shù) 據(jù)中心，用戶通過(guò)登錄互聯(lián)網(wǎng)可以遠(yuǎn)程監(jiān)控。 依靠無(wú)線節(jié)點(diǎn) + 低功耗 + 多傳感器接入 + 云平 臺(tái) + 無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)技術(shù)， 能夠?yàn)橛脩籼峁└咝А?經(jīng)濟(jì)、方便的溫室農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集途徑。 物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線控制技術(shù)在溫室環(huán)境調(diào)控方面的 應(yīng)用 相對(duì)于連棟溫室 ，日光溫室每一棟溫室 都是獨(dú)立的，相互之間是分離的，不可能在每 一個(gè)溫室內(nèi)像連棟溫室那樣安裝一套控制器。 即使有控制器，把信號(hào)線纜延伸到每個(gè)溫室， 這種解決方案也不可行，因?yàn)檫@需要鋪設(shè)很長(zhǎng) 的線纜，線纜、開(kāi)溝、布線、土方施工以及日 常維護(hù)費(fèi)用很高，在經(jīng)濟(jì)上不可行?？瓢倏萍?對(duì)原有溫室進(jìn)行升級(jí)改造，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)高效方 便的信息傳輸和處理技術(shù)，可以使溫室設(shè)備控 制水平接近荷蘭連棟玻璃溫室。物聯(lián)網(wǎng)溫室的 所有傳感器和溫室設(shè)備都通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)接入云平 臺(tái)。通過(guò)云平臺(tái)和手機(jī) APP 對(duì)溫室設(shè)施進(jìn)行管 理，便利性和簡(jiǎn)易性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)日光溫室的 主要依賴人力和人的經(jīng)驗(yàn)的管理和操作 （圖 4）。 13 km 1000+ 4500 畝 400+ 溫室園藝 2018-09 溫室園藝 2018-09 28 29 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù) 和云平臺(tái)管理技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用魏 瑤（北京科百宏業(yè)科技有限公司，北京 100081） DOI: 10.16815/j.cnki.11-5436/s.2018.25.004農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述 設(shè)施農(nóng)業(yè)以有效調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)環(huán)境的功 能見(jiàn)長(zhǎng)， 而調(diào)控的首要任務(wù)是了解作物需求。 通俗地講， 植物和孩子一樣需要喝水、 吃飯， 植物也有呼吸、有體溫，在特定的環(huán)境條件 下會(huì)生病。但植物不會(huì)說(shuō)話，通常人們依靠 經(jīng)驗(yàn)照料植物，但往往會(huì)過(guò)量使用水、肥和 780 MHz 物聯(lián)網(wǎng)專用頻段的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) （圖 1 ）。該系統(tǒng)是先進(jìn)的環(huán)境數(shù)據(jù)無(wú)線采集 系統(tǒng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、云平臺(tái)管理系統(tǒng)， 以及豐富的數(shù)字模型聚合與集成運(yùn)用的綜合技 術(shù)（ 圖 2 ）。運(yùn)用傳感裝備，對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境 進(jìn)行全緯度、高密度和高粒度的大數(shù)據(jù)在線監(jiān) 測(cè)，然后通過(guò)無(wú)線傳輸設(shè)備匯總傳輸至科百數(shù) 據(jù)云平臺(tái)，經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)模型深度計(jì)算給現(xiàn)場(chǎng)作 業(yè)人員提供如灌溉、降溫、通風(fēng)、加濕亦或是 噴藥等提示，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員通過(guò)電腦或手機(jī)登 錄專屬網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)大面積的遠(yuǎn)程手動(dòng)或者自動(dòng)控 制。 簡(jiǎn)而言之， 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分為采集層、 傳輸層、 應(yīng)用層三個(gè)層次，整套系統(tǒng)解決了植物要多少 給多少，種植經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)模型化，大面積可視化 操控的問(wèn)題。應(yīng)用 溫室設(shè)施通過(guò)水簾風(fēng)機(jī)、導(dǎo)流風(fēng)機(jī)、外側(cè) 開(kāi)窗、屋頂開(kāi)窗、外遮陽(yáng)系統(tǒng)、內(nèi)保溫系統(tǒng)、 人工補(bǔ)光設(shè)備、自動(dòng)灌溉、高壓噴霧等設(shè)備實(shí) 現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境的有效調(diào)控，擺脫自然環(huán)境 的制約，按照人的意愿實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。但是對(duì) 于目前的普通溫室而言，過(guò)于依賴人工 進(jìn)行操作，多以家庭為單位進(jìn)行分散經(jīng) 營(yíng)管理，難以進(jìn)行規(guī)模化運(yùn)營(yíng)。嚴(yán)重缺 乏環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和控制設(shè)備，精準(zhǔn)化程 度很低，產(chǎn)量小、品質(zhì)低，綜合經(jīng)濟(jì)效 益還有巨大的提升空間。 物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線監(jiān)測(cè)技術(shù)在溫室監(jiān)測(cè)方面 的應(yīng)用 在溫室設(shè)施農(nóng)作物種植中，溫室設(shè) 施內(nèi)的環(huán)境直接影響著農(nóng)作物能否健康 良好地生長(zhǎng)。基于對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的理解， 科百自主研發(fā)的傳感器精準(zhǔn)采集影響植 物生長(zhǎng)的水、肥、氣、熱、光等要素環(huán) 境信息，并結(jié)合植物生理生長(zhǎng)信息的實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè) （圖 3 ） ， 建立植物生長(zhǎng)高粒度、 多維度的數(shù)據(jù)庫(kù)。傳感器采集的數(shù)據(jù)通 圖 2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)管理示意圖 超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器 雨量計(jì) 太陽(yáng)能板 測(cè)站主機(jī)（RTU） CaipoBase 物聯(lián)網(wǎng)基站 CaipoWave+ 物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線節(jié)點(diǎn) 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用 - 病蟲害數(shù)字模型 CaipoWeb 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái) 措施 數(shù)據(jù)分析 模型模擬 決策 作物環(huán)境 數(shù)據(jù)輸出 數(shù)據(jù)輸入 數(shù)據(jù)采集 1 3 4 2 精準(zhǔn)預(yù)測(cè) 溫度圈 濕潤(rùn)圈 營(yíng)養(yǎng)圈 根系圈 糖分產(chǎn)物 C 6 H 12 O 6 光合作用 + 呼吸作用 氧氣 二氧化碳 糖分儲(chǔ)存 水分蒸騰 水 分/養(yǎng) 分(上 傳) 水 分/養(yǎng) 分(下 傳) 葉面濕度數(shù)據(jù) 果實(shí)直徑數(shù)據(jù) 莖稈直徑數(shù)據(jù) 二氧化碳 氧氣 呼吸作用 ( 無(wú)光合作用 ) 氮?dú)?水 肥料 水分及礦物元素通 過(guò)根毛進(jìn)入植物體 根吸收區(qū) 土壤溫濕度數(shù)據(jù) 圖 1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) 農(nóng)藥。為了聽(tīng)懂“植物的語(yǔ)言”，了解植物 的需要，必須通過(guò)精準(zhǔn)有效的農(nóng)業(yè)專用傳感 器采集影響植物生長(zhǎng)的土壤、氣象環(huán)境和植 物生理數(shù)據(jù)。然后通過(guò)數(shù)字模型指導(dǎo)，遠(yuǎn)程 調(diào)控植物的生長(zhǎng)環(huán)境才能起到溫室設(shè)施農(nóng)業(yè) 應(yīng)有的提質(zhì)增量目的。 2017 年，北京科百宏業(yè)科技有限公司歷 時(shí) 7 年的研發(fā)和改進(jìn) ，開(kāi)發(fā)出一套基于中國(guó) 過(guò)節(jié)點(diǎn)，以無(wú)線形式傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)站主機(jī)，監(jiān)測(cè) 站主機(jī)再通過(guò) GPRS 方式將監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)送到數(shù) 據(jù)中心，用戶通過(guò)登錄互聯(lián)網(wǎng)可以遠(yuǎn)程監(jiān)控。 依靠無(wú)線節(jié)點(diǎn) + 低功耗 + 多傳感器接入 + 云平 臺(tái) + 無(wú)線控制節(jié)點(diǎn)技術(shù)， 能夠?yàn)橛脩籼峁└咝А?經(jīng)濟(jì)、方便的溫室農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集途徑。 物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線控制技術(shù)在溫室環(huán)境調(diào)控方面的 應(yīng)用 相對(duì)于連棟溫室 ，日光溫室每一棟溫室 都是獨(dú)立的，相互之間是分離的，不可能在每 一個(gè)溫室內(nèi)像連棟溫室那樣安裝一套控制器。 即使有控制器，把信號(hào)線纜延伸到每個(gè)溫室， 這種解決方案也不可行，因?yàn)檫@需要鋪設(shè)很長(zhǎng) 的線纜，線纜、開(kāi)溝、布線、土方施工以及日 常維護(hù)費(fèi)用很高，在經(jīng)濟(jì)上不可行?？瓢倏萍?對(duì)原有溫室進(jìn)行升級(jí)改造，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)高效方 便的信息傳輸和處理技術(shù)，可以使溫室設(shè)備控 制水平接近荷蘭連棟玻璃溫室。物聯(lián)網(wǎng)溫室的 所有傳感器和溫室設(shè)備都通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)接入云平 臺(tái)。通過(guò)云平臺(tái)和手機(jī) APP 對(duì)溫室設(shè)施進(jìn)行管 理，便利性和簡(jiǎn)易性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)日光溫室的 主要依賴人力和人的經(jīng)驗(yàn)的管理和操作 （圖 4）。 13 km 1000+ 4500 畝 400+ 溫室園藝 2018-09 溫室園藝 2018-09 30 31 可能染病 空氣溫度 降雨 蘋果黑星病 噴藥 噴藥 無(wú)感染 高 中等 低 無(wú) 通過(guò)模型預(yù)測(cè)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)例： 施藥 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí) 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 120 100 80 60 40 20 0 15/05/15 15/06/30 15/06/15 05/06/30 措施 數(shù)據(jù)分析 精準(zhǔn)預(yù)測(cè) 模型工作原理圖 作物生長(zhǎng)環(huán)境精確預(yù)報(bào) 物聯(lián)網(wǎng)信息采集基站 模型模擬 數(shù)據(jù)采集 決策 作物環(huán)境 數(shù)據(jù)輸出 數(shù)據(jù)輸入 非常適合中國(guó)的國(guó)情并可以很方便地進(jìn)行推廣。 通過(guò)數(shù)量很少的技術(shù)人就可以對(duì)大面積的設(shè)施 農(nóng)業(yè)進(jìn)行高效管理。 物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)技術(shù)在溫室水肥一體化方面的 應(yīng)用 節(jié)水灌溉和水肥一體化是溫室大棚種植中 的關(guān)鍵內(nèi)容。傳統(tǒng)溫室大棚的灌溉和施肥管理 主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)人工直接參與，由于作物類別不 同帶來(lái)的水肥需求差異，土壤質(zhì)地不同導(dǎo)致的 土壤蓄水能力的差異，過(guò)量的水溶肥置換植物 根系水分帶來(lái)的燒根問(wèn)題，使大面積灌溉與施 肥勞動(dòng)強(qiáng)度大、精準(zhǔn)度差而且浪費(fèi)嚴(yán)重?；?物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)的科百智能灌溉系統(tǒng)基于ET 0 （圖 5 ）模型對(duì)溫室灌溉做出指導(dǎo)，在通過(guò)傳感 器精準(zhǔn)感知土壤水分，水勢(shì)的基礎(chǔ)上結(jié)合不同 作物的需求為科學(xué)指導(dǎo)灌溉頻率及灌溉總量， 通過(guò)土壤電導(dǎo)率傳感器監(jiān)測(cè)土壤 EC，避免水溶 肥過(guò)量導(dǎo)致的燒根及肥料浪費(fèi)情況，為溫室制 訂出一個(gè)有關(guān)灌溉與施肥的優(yōu)化方案，應(yīng)用層 根據(jù)優(yōu)化方案控制相應(yīng)的灌溉與施肥設(shè)備采取 相應(yīng)的灌溉與施肥操作（圖 6 ），確保農(nóng)作物在 生長(zhǎng)過(guò)程中能夠及時(shí)獲取所需要的水分與肥力。 可視化的無(wú)線控制平臺(tái)可通過(guò)電腦及手機(jī) APP （圖 7 ）實(shí)現(xiàn)規(guī)?；倪h(yuǎn)程控制，降低了人工勞 圖 3 物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在溫室中的應(yīng)用 空氣溫度及相對(duì)濕度傳感器 葉面濕度傳感器 土壤溫度傳感器 土壤水分傳感器 溫室剖面圖 中央平臺(tái) 數(shù)據(jù)查詢終端 GPRS GPRS 動(dòng)強(qiáng)度， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室內(nèi)農(nóng)作物的定時(shí)、 適量、 均勻、 精確地灌溉與施肥， 有利于水肥利用率， 同時(shí)有效地控制了面源污染。 數(shù)字病蟲害模型在溫室方面的應(yīng)用 農(nóng)作物病蟲害作為溫室農(nóng)業(yè)的主要災(zāi)害之 一， 它具有種類多、 影響大、 時(shí)常暴發(fā)成災(zāi)的特點(diǎn)， 其發(fā)生范圍和嚴(yán)重程度對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常造成重大損 失。 作物病蟲害的發(fā)生受多種因素影響， 如氣象、 土壤、栽培條件等，這些因素與病蟲害的發(fā)生呈 非線性關(guān)系， 具有隨機(jī)性、 差異性、 突發(fā)性等特點(diǎn)。 然而作物病蟲害的發(fā)生也有一定規(guī)律性，如蟲害 發(fā)生的有效積溫法則等。 植物病蟲害最佳控制時(shí)間可能只有幾天甚 至幾個(gè)小時(shí)，這其中包含著復(fù)雜的微生物學(xué)、 病理學(xué)和昆蟲學(xué)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)積累 23 年的溫室 圖 4 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在溫室無(wú)線控制方面的應(yīng)用 圖 7 在物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn) 無(wú)線灌溉控制，大幅度節(jié)省人工成本 圖 5 基于精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)的精準(zhǔn)灌溉 圖 6 通過(guò)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)最有效的給水管理 水分與作物生長(zhǎng)關(guān)系圖 田間持水量 有效含水量 凋萎點(diǎn) 加熱器 電磁閥 水流量計(jì) 無(wú)線節(jié)點(diǎn) 無(wú)線節(jié)點(diǎn) 路由器 電源適配器 中央控制器 風(fēng)扇 無(wú)線協(xié)調(diào)器 滴灌設(shè)備 灌溉 土壤 降水 土壤 橫向滲透 排水 蒸發(fā) 蒸騰 蒸騰 + 蒸發(fā) kcb-mid kcb-end CTOK ET 0 RAW TAW kcb 無(wú)線節(jié)點(diǎn) 水泵 肥料罐 水流量計(jì) 中央控制器 路由器 電源適配器 無(wú)線協(xié)調(diào)器 全維度海量數(shù)據(jù)，建立適應(yīng)作物的數(shù)字病蟲害 模型和生長(zhǎng)模型（圖 8 ）。隨著本地化數(shù)據(jù)不 斷積累，逐步修正、完善和優(yōu)化影響病蟲害爆 發(fā)的關(guān)鍵因子，最終建成更適合本地化、越來(lái) 越精準(zhǔn)的病蟲害模型和生長(zhǎng)模型，為溫室生產(chǎn) 提供智能決策。 科百物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在提供病蟲害發(fā)生時(shí)間 點(diǎn)和等級(jí)的同時(shí)，且為用戶提供本地化生長(zhǎng) 環(huán)境精準(zhǔn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。種植專家、管理人員根 據(jù)病蟲害模擬結(jié)果，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察及確 圖 8 數(shù)字病蟲害模型應(yīng)用示意圖 溫室園藝 2018-09 溫室園藝 2018-09 30 31 可能染病 空氣溫度 降雨 蘋果黑星病 噴藥 噴藥 無(wú)感染 高 中等 低 無(wú) 通過(guò)模型預(yù)測(cè)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)例： 施藥 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí) 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 120 100 80 60 40 20 0 15/05/15 15/06/30 15/06/15 05/06/30 措施 數(shù)據(jù)分析 精準(zhǔn)預(yù)測(cè) 模型工作原理圖 作物生長(zhǎng)環(huán)境精確預(yù)報(bào) 物聯(lián)網(wǎng)信息采集基站 模型模擬 數(shù)據(jù)采集 決策 作物環(huán)境 數(shù)據(jù)輸出 數(shù)據(jù)輸入 非常適合中國(guó)的國(guó)情并可以很方便地進(jìn)行推廣。 通過(guò)數(shù)量很少的技術(shù)人就可以對(duì)大面積的設(shè)施 農(nóng)業(yè)進(jìn)行高效管理。 物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)技術(shù)在溫室水肥一體化方面的 應(yīng)用 節(jié)水灌溉和水肥一體化是溫室大棚種植中 的關(guān)鍵內(nèi)容。傳統(tǒng)溫室大棚的灌溉和施肥管理 主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)人工直接參與，由于作物類別不 同帶來(lái)的水肥需求差異，土壤質(zhì)地不同導(dǎo)致的 土壤蓄水能力的差異，過(guò)量的水溶肥置換植物 根系水分帶來(lái)的燒根問(wèn)題，使大面積灌溉與施 肥勞動(dòng)強(qiáng)度大、精準(zhǔn)度差而且浪費(fèi)嚴(yán)重?；?物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)的科百智能灌溉系統(tǒng)基于ET 0 （圖 5 ）模型對(duì)溫室灌溉做出指導(dǎo)，在通過(guò)傳感 器精準(zhǔn)感知土壤水分，水勢(shì)的基礎(chǔ)上結(jié)合不同 作物的需求為科學(xué)指導(dǎo)灌溉頻率及灌溉總量， 通過(guò)土壤電導(dǎo)率傳感器監(jiān)測(cè)土壤 EC，避免水溶 肥過(guò)量導(dǎo)致的燒根及肥料浪費(fèi)情況，為溫室制 訂出一個(gè)有關(guān)灌溉與施肥的優(yōu)化方案，應(yīng)用層 根據(jù)優(yōu)化方案控制相應(yīng)的灌溉與施肥設(shè)備采取 相應(yīng)的灌溉與施肥操作（圖 6 ），確保農(nóng)作物在 生長(zhǎng)過(guò)程中能夠及時(shí)獲取所需要的水分與肥力。 可視化的無(wú)線控制平臺(tái)可通過(guò)電腦及手機(jī) APP （圖 7 ）實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的遠(yuǎn)程控制，降低了人工勞 圖 3 物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在溫室中的應(yīng)用 空氣溫度及相對(duì)濕度傳感器 葉面濕度傳感器 土壤溫度傳感器 土壤水分傳感器 溫室剖面圖 中央平臺(tái) 數(shù)據(jù)查詢終端 GPRS GPRS 動(dòng)強(qiáng)度， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室內(nèi)農(nóng)作物的定時(shí)、 適量、 均勻、 精確地灌溉與施肥， 有利于水肥利用率， 同時(shí)有效地控制了面源污染。 數(shù)字病蟲害模型在溫室方面的應(yīng)用 農(nóng)作物病蟲害作為溫室農(nóng)業(yè)的主要災(zāi)害之 一， 它具有種類多、 影響大、 時(shí)常暴發(fā)成災(zāi)的特點(diǎn)， 其發(fā)生范圍和嚴(yán)重程度對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常造成重大損 失。 作物病蟲害的發(fā)生受多種因素影響， 如氣象、 土壤、栽培條件等，這些因素與病蟲害的發(fā)生呈 非線性關(guān)系， 具有隨機(jī)性、 差異性、 突發(fā)性等特點(diǎn)。 然而作物病蟲害的發(fā)生也有一定規(guī)律性，如蟲害 發(fā)生的有效積溫法則等。 植物病蟲害最佳控制時(shí)間可能只有幾天甚 至幾個(gè)小時(shí)，這其中包含著復(fù)雜的微生物學(xué)、 病理學(xué)和昆蟲學(xué)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)積累 23 年的溫室 圖 4 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在溫室無(wú)線控制方面的應(yīng)用 圖 7 在物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn) 無(wú)線灌溉控制，大幅度節(jié)省人工成本 圖 5 基于精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)的精準(zhǔn)灌溉 圖 6 通過(guò)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)最有效的給水管理 水分與作物生長(zhǎng)關(guān)系圖 田間持水量 有效含水量 凋萎點(diǎn) 加熱器 電磁閥 水流量計(jì) 無(wú)線節(jié)點(diǎn) 無(wú)線節(jié)點(diǎn) 路由器 電源適配器 中央控制器 風(fēng)扇 無(wú)線協(xié)調(diào)器 滴灌設(shè)備 灌溉 土壤 降水 土壤 橫向滲透 排水 蒸發(fā) 蒸騰 蒸騰 + 蒸發(fā) kcb-mid kcb-end CTOK ET 0 RAW TAW kcb 無(wú)線節(jié)點(diǎn) 水泵 肥料罐 水流量計(jì) 中央控制器 路由器 電源適配器 無(wú)線協(xié)調(diào)器 全維度海量數(shù)據(jù)，建立適應(yīng)作物的數(shù)字病蟲害 模型和生長(zhǎng)模型（圖 8 ）。隨著本地化數(shù)據(jù)不 斷積累，逐步修正、完善和優(yōu)化影響病蟲害爆 發(fā)的關(guān)鍵因子，最終建成更適合本地化、越來(lái) 越精準(zhǔn)的病蟲害模型和生長(zhǎng)模型，為溫室生產(chǎn) 提供智能決策。 科百物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在提供病蟲害發(fā)生時(shí)間 點(diǎn)和等級(jí)的同時(shí)，且為用戶提供本地化生長(zhǎng) 環(huán)境精準(zhǔn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。種植專家、管理人員根 據(jù)病蟲害模擬結(jié)果，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察及確 圖 8 數(shù)字病蟲害模型應(yīng)用示意圖 溫室園藝 2018-09 溫室園藝 2018-09 32 33 收，從而可以以更高的價(jià)格進(jìn)行銷售。同時(shí)， 通過(guò)調(diào)整晝夜溫差等環(huán)境，可以促進(jìn)水果糖分 的積累，從而生產(chǎn)出遠(yuǎn)高于自然生長(zhǎng)的品質(zhì)和 風(fēng)味更加優(yōu)良的蔬菜水果。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù) 據(jù)升級(jí)的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)化溫室將對(duì)農(nóng)業(yè)觀光、旅 游、采摘、科普、自然體驗(yàn)、休閑、養(yǎng)生等延 伸產(chǎn)業(yè)具有全面的和高效的支撐，使一二三產(chǎn) 業(yè)得到自然和技術(shù)的高度融合。 作者簡(jiǎn)介：魏瑤（1992-），北京科百宏業(yè)科技有限 公司市場(chǎng)經(jīng)理，山西人，主要從事農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及農(nóng)業(yè) 大數(shù)據(jù)應(yīng)用推廣。 引用信息魏瑤.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)和云平臺(tái)管理技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用J. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù),2018,38(25):28-32. 設(shè)施園藝物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展 *李振波 1,2,3 ，楊晉琪 1 ，蓋國(guó)衛(wèi) 4 （1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083；2. 北京市農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，北京 100083； 3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；4. 黃河三角洲農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)管委會(huì)，山東東營(yíng) 257000） 【摘要】近年來(lái)，由于生產(chǎn)附加值高，設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中以設(shè)施園藝業(yè)為代表的農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 率先應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來(lái)了精準(zhǔn)、高效、便捷的環(huán)境控制方法，通過(guò)各 種傳感設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)施環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合智能管理系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的環(huán)境調(diào)控， 使作物盡可能的處在適宜栽培環(huán)境中，從而提高產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化種植。 物聯(lián)網(wǎng) 物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things，IoT) 是新一代 信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時(shí)代 的重要發(fā)展階段。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相 連的互聯(lián)網(wǎng)，是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)和 傳感網(wǎng)等信息承載體，讓所有普通物理對(duì)象能夠 通過(guò)信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)， 進(jìn)行計(jì)算、 處理和知識(shí)挖掘，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、控制、管理 和決策的智能化網(wǎng)絡(luò) 1-2 ，物聯(lián)網(wǎng)在本質(zhì)上是通 信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、傳感技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新一代 信息技術(shù)的交叉融合和綜合應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的 快速發(fā)展和應(yīng)用，催生了在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，農(nóng) 業(yè)物聯(lián)網(wǎng)迅速崛起。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，是通過(guò)應(yīng)用各類傳感器設(shè)備和 感知技術(shù)，采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品流通以及農(nóng)作 物本體的相關(guān)信息，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng) 通信無(wú)線網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息傳輸，將獲取的海 量農(nóng)業(yè)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、加工、融合、處理， 最后通過(guò)智能化操作終端， 實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)前、 產(chǎn)中、 產(chǎn)后的過(guò)程監(jiān)控、科學(xué)決策和實(shí)時(shí)服務(wù) 3 。農(nóng)業(yè) 物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的高度集成 和綜合運(yùn)用，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境的遠(yuǎn) 程監(jiān)測(cè)和控制，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)管理的智能化、集 約化、高效化，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵技術(shù)之 一?；谵r(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室系統(tǒng)，可遠(yuǎn)程監(jiān) 測(cè)溫室環(huán)境，并根據(jù)作物的環(huán)境需求實(shí)施精準(zhǔn)的 溫室控制，科學(xué)高效的提高管理溫室效率 4 。農(nóng) 業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提 高和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式轉(zhuǎn)型升級(jí)，是新一代信息 技術(shù)滲透進(jìn)入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的必然結(jié)果。國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè) 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的實(shí)踐證明，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)被認(rèn)為 是改變農(nóng)業(yè)、農(nóng)民、農(nóng)村的新力量，將會(huì)對(duì)我國(guó) 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、農(nóng)村社會(huì)的現(xiàn)代化和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng) 的改善，產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響 5 。 設(shè)施園藝 設(shè)施園藝 （protected horticulture）又稱設(shè) 施栽培，是指在露地不適于園藝作物生長(zhǎng)的季節(jié) ( 寒冷或炎熱 ) 或地區(qū)，利用特定的設(shè)施 ( 連棟溫 室、日光溫室、塑料大棚、小拱棚和養(yǎng)殖棚 ) ， 人為創(chuàng)造適于作物生長(zhǎng)的環(huán)境，以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、高 產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的蔬菜、花卉、水果等園藝產(chǎn)品的一種 環(huán)境可控制農(nóng)業(yè)。 設(shè)施園藝以整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈為基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)使用 價(jià)值的全過(guò)程，可在廣義上定義為：設(shè)施園藝是 為農(nóng)產(chǎn)品商品化各階段提供最適宜環(huán)境和條件 , 以擺脫自然環(huán)境和傳統(tǒng)生產(chǎn)條件的束縛，從而獲 得高產(chǎn)、 優(yōu)質(zhì)、 高效農(nóng)產(chǎn)品的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)， 具有高投入、高產(chǎn)出、高效益的特點(diǎn) 6-7 。 由于設(shè)施園藝種植作物附加值往往較高，種 植環(huán)境可控， 可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的閉環(huán)過(guò)程， 因此， 設(shè)施園藝物聯(lián)網(wǎng)在許多國(guó)家和地區(qū)率先開(kāi)展了實(shí) DOI: 10.16815/j.cnki.11-5436/s.2018.25.005 認(rèn)，最終采取更有效的分類管理措施（藥品種 類、噴藥時(shí)間、噴藥量等）。保障作物從種植 端實(shí)現(xiàn)無(wú)公害化嚴(yán)格規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，為生產(chǎn) 綠色、有機(jī)、質(zhì)量安全的農(nóng)產(chǎn)品提供科技化、 智慧化管理模式。結(jié)束語(yǔ) 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的介入可以使溫室在農(nóng)作 物精準(zhǔn)化栽培方面顯著減少人力和水肥藥等傳 統(tǒng)農(nóng)資的投入，大幅提高溫室的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí) 現(xiàn)高度數(shù)字化的大規(guī)模精準(zhǔn)溫室栽培和管理。 由于高度可控的生長(zhǎng)環(huán)境，部分地區(qū)多發(fā)的病 蟲害和氣象災(zāi)害將得到有效控制，從而降低植 保成本并生產(chǎn)高度安全的有機(jī)或綠色高附加值 作物。由于可以對(duì)植物生理和生長(zhǎng)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào) 控，可以比同類作物的上市日期提前或延后采