設施智能農業裝備發展現狀及特點

高玲 夏利利 劉勇

摘要 設施智能農業裝備是指設施農業工程、農業資源環境調控技術等方面的自動化、信息化和標準化，其核心是農業環境調控技術。綜述了國外發達國家設施智能農業裝備研究的發展現狀、特點以及趨勢，然后介紹了我國設施智能農業裝備的發展現狀，最后提出了我國設施農業裝備發展建議。

關鍵詞 設施智能農業裝備；環境調控；智能溫室；發展現狀

中圖分類號 S23 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）16-05334-02

設施智能農業技術是指將環境工程技術、信息通信技術、自動化技術以及生物工程技術等現代工程技術應用于農業作物生產領域，研究動植物生長的最適宜的生態環境條件，在現代化設施農業內自動控制環境，使其不會受到外界氣候條件的影響，整個生產過程實現標準化裝備、自動化和智能化。設施智能農業裝備是指設施農業工程、農業資源環境調控技術等方面的自動化、信息化、標準化裝備，其核心是農業環境調控技術裝備。智能化的設施農業環境調控指的是在一定的空間范圍，準確采集設施內光照 、溫度、濕度、氣和肥料等環境因子以及作物生長狀況等參數，同時對采集的數據進行統計、分析，同時進行智能化處理后形成一套專家信息系統，然后通過研究作物生長所需最適宜的環境情況，使相關系統及設備根據智能系統發出的指令，有規律的進行動作，綜合調節設施內溫度、光照、水分、肥料和氣等所有因素，使作物生長達到最佳狀態。設施農業環境智能化調控研究水平，是衡量世界各國農業科技發展水平的重要因素。

1 國外設施智能農業裝備研究現狀

1.1 設施智能農業裝備研究現狀 隨著信息技術、環境工程技術等科學技術的迅速發展，結合現代信息通信技術、電力電子技術、自動化技術、生物工程技術、計算機管理技術等現代化的工程技術應用，現代設施農業目前正在向智能化方向發展。

國外環境自動化調控技術研究較早的主要有荷蘭，其所開發溫室計算機自動控制系統始于從20世紀80年代，同時還開發了相應的模擬控制軟件系統。在20世紀80年代中期，應用于溫室環境因子等方面控制的已達到5 000多臺計算機。目前，荷蘭擁有的玻璃溫室占世界的四分之一以上，達到1.2萬多hm2，通過計算機進行環境調控的占到85%，在購買溫室控制軟件和作物生長營養液后，種植者只需按照不同作物的環境調控需求進行自動控制，使其達到作物生長發育的最合適生長環境。

在國外溫室環境控制管理方面，英國開發了智能溫室系統、西班牙和奧地利研發了具有遙控功能的溫室控制管理系統，德國研發了基于3S技術（地理信息系統GIS、全球定位系統GPS、遙感技術RS）溫室控制與管理系統。20世紀80年代中期，日本擁有1 000多臺計算機應用于溫室環境調控中，其目前計算機在農業生產部門中的應用率達到92%以上。以色列利用光熱資源的優勢，采用節水灌溉技術，通過安裝傳感器在作物周圍，測定作物生長的水、肥狀況，通過田間控制器全天溫室內外部的溫濕度數據采集和儲存，根據辦公室里的控制管理計算機進行數據處理分析，可以非常便捷地進行灌溉和施肥的遙控，同時卷簾裝備系統、遮陰設備系統、加熱系統以及灌溉區的流量控制系統也可以進行有效的自動控制，而且控制系統精確可靠，節省人力資源。

近年來，物聯網技術在設施農業中的運用亦卓有成效，如監視農作物灌溉情況、土壤空氣變更、畜禽的環境狀況以及大面積的地表檢測，收集溫濕度、風力、大氣、降雨量等數據信息，測量有關土地的濕度、氮濃縮量和土壤pH值等，從而進行科學預測，幫助農民抗災、減災，科學種植，提高綜合效益[2]。

1.2 國外設施智能農業裝備發展特點及趨勢 在國外，設施農業裝備已經發展到了較高水平，其發展方向是自動化、網絡化和智能化。

設施智能農業裝備的水平是設施農業科技發展水平的重要標志，智能化程度越高表明農業科技發展水平越高。設施農業裝備從初級自動化控制正轉變為高級智能化，從非標準化向標準化產品轉變，控制系統從自動化轉變為智能化是設施農業發展趨勢，歐美等發達國家設施農業已具備了成套的技術、完善的設施設備、規范的生產等功能，形成了設施農業產品制造、設施環境智能調控、生產材料供給一體化的產業體系，能通過研究作物生長的最適宜環境條件，自動調節設施農業內作物生長環境，使其不受外界氣候條件的影響。

國外連棟溫室得到普遍推廣，并不斷向大型化方向發展。高新技術的有機融合，使得目前設施農業環境調控系統朝著自動化、網絡化和智能化方向發展。歐美、日本等一些發達國家一直在研究“工廠化農業”成套技術，目前，荷蘭、奧地利、英國、美國和日本等國家均建有植物工廠。在西方發達國家，無土栽培技術研究已經取得了突破，而且得到廣泛應用，同時逐漸將成為以后主要的一種作物栽培方式，已經成功開發計算機控制的營養液配制和供給的閉路循環系統。由于溫室高溫潮濕的工作特點及勞動力嚴重不足，隨著設施農業朝著規?；?、產業化和精準化發展，農業機器人將走進農業生產領域，特別是設施農業領域。目前日本已研發出可進行果樹噴藥、嫁接、育苗的機器人，美國發明的施藥機械，裝有計算機芯片和電子眼，它能區分田間空地和雜草，并將除草劑只向雜草上噴灑，還開發了能夠辨別秧苗質量并能分揀的溫室移苗作業機器人等。

2 我國設施智能農業裝備發展現狀

2.1 溫室環境調控設備 我國溫室栽培主要包括塑料大棚、日光溫室和現代化連棟溫室。目前溫室已經實現數字化控制，即按照經營者的生產目標，根據植物的農藝需求，對溫室栽培對象和生產過程進行數字化和可視化控制和管理。他建立在信息技術、精確施肥控制技術、智能農機技術等一系列高新技術之上，集成先進的溫室硬件及栽培技術，實現信息化栽培和管理。其主要特征為溫室生產管理實現數字化和網絡化，具備遠程監控能力。

如北京市農業局農業機械試驗鑒定推廣站開發的TRM.FZ1多通道光輻照監測系統，可以對溫室溫濕度、光照、 CO2濃度、土壤水分等參數進行監測。該儀器智能化程度高，能自動尋回測試與記錄溫室內上述參數的分布及變化，并能實現測試數據的有線與無線傳輸。如北京景鵬環球科技股份有限公司開發的智能環境控制系統，采用分散采集，集中控制，自動檢測溫度、濕度、光照、CO2風速及雨量等室內外參數，在專家系統指導下設定參數，自動調節溫室內各設備狀態，實現對溫室生產環境和植物信息實時動態監測，使各項環境因子符合既定要求，保證植物生長處于最佳狀態，提高控制精度。

2.2 設施智能農業栽培機械

2.2.1 設施穴盤育苗播種機。設施穴盤育苗播種機是在大田精量播種機的基礎上逐步發展起來的，但同時又區別于大田精量播種機結構型式。大田作業精量播種機是通過拖拉機驅動并在行走中進行精量播種，而設施穴盤育苗播種機采用規格化的穴盤，因此播種機不動，通過驅動穴盤及傳送帶與播種器產生相對運動實現播種。設施穴盤育苗播種機播種精度高，而大田精量播種機變異系數較大，設施穴盤育苗播種機由于所播種子較小、重量輕、而且形狀不規則，所以對播種精度要求較高，故多采用氣吸式精量播種方式[1]。

2.2.2 工廠化穴盤育苗播種機工作原理。目前，工廠化穴盤育苗播種機按結構形式可分為針管式、板式和滾筒式播種機；按自動化程度劃分，可分為手動、半自動和全自動播種機[1]。針式精量播種機和滾動式精量播種機屬于全自動播種機。國外已經開發出氣吸式育苗精量播種機，國內許多院所及一些企業也研制出了氣吸式工廠化育苗精量播種機，常見的主要是針吸育苗播種機。氣吸式育苗精量播種機工作主要是采用真空吸附原理，播種機有一個真空發生裝置，通常為真空發生器或真空泵，當穴盤到達播種位置時間，傳感器會檢測到穴盤，針管孔或滾筒小孔利用真空吧種子從秧盤吸附住，運動到穴盤上方，對準穴孔，將負壓切換成較低的正壓，種子便落到穴盤預定位置。

2.2.3 蔬菜嫁接機。國家農業智能裝備工程技術研究中心開發的TJ300型蔬菜嫁接機，綜合運用氣動和傳感器技術，通過單片機控制各執行機構，采用人工上苗、上夾作業，對接更加準確，適用茄果類作物的貼接法嫁接，能夠滿足設施農業工廠化嫁接育苗的需要。

2.3 溫室智能噴灌、施肥設備

2.3.1 精密施肥系統。北京景鵬環球科技股份有限公司開發的精密施肥系統，配備高精度的EC、pH傳感器、壓力調節閥、壓力計、疊片式過濾器、肥料泵等元件，根據作物要求的EC、pH，控制設定值，自動調節肥料泵的施肥速率、灌水施肥的數量、壓力，從而實現水肥一體化。

2.3.2 設施灌溉施肥一體化設備。水肥管理是設施農業作物種植過程中影響設施農業生產效率和品質的關鍵環節，目前國內外也有很多機構研究水肥管理，已經取得了進展，精準化、智能化的施肥灌溉技術已經逐步得到大面積應用。我國在設施水肥管理技方面與國外還存在較大差距。我國自主研發的部分自動注肥系統采用了文丘里、變頻調速技術，但很多還在試驗室研究階段，沒有進行推廣應用。我國自主開發的移動式溫室精準灌溉施肥機，具有自主知識產權，性能良好，同時在京郊溫室基地進行了示范推廣應用，反映較好。

3 設施智能農業裝備發展建議

（1）結合我國設施智能農業裝備的發展現狀，建議重點發展方向如下：（a）設施農業物理環境參數的信息采集技術；（b）作物生長過程信息的實時采集、監測與處理技術；（c）設施智能農業生產過程中所涉及的生產技術的規范化和標準化技術；（d）建立各類控制模型或專家系統的技術，是這個設施農業智能化系統的核心。

（2）加大新產品新技術的宣傳及推廣力度，大力示范推廣設施農業的設施裝備技術、農業環境調控技術、節能減排技術和作物信息管理技術等。爭取政策扶持，資金支持，技術保障，產學研相結合，使得設施智能農業技術及裝備被多數人認知及應用。

參考文獻

[1] 王宏宇，黃文忠，張玉娟.溫室園藝精量播種機械發展現狀概述[J].農業科技與裝備，2008（2）：111-112.

[2] 張唯，劉婧. 設施農業種植下物聯網技術的應用及發展趨勢[J].科技廣場，2002（1）：241.安徽農業科學，Journal of Anhui Agri. Sci.2014，42（16）：5336-5337，5339責任編輯 夏靜 責任校對 李巖