自動化技術對傳統農業生產的影響——以自動化農業大棚為例

張 培 唐惟楚

湖南大學電氣與信息工程學院

近年來，自動化技術飛速發展，許多科技成果已經應用在農業領域，尤其是無線技術與自動控制技術的結合，使農業生產發生了巨大的變化，農業自動化生產成為時代潮流。但在基層農村中，我國還遠未實現農業自動化技術的普及，自動化技術在當前的基層農村中并不被認可。基于此，研究分析自動化技術推廣中遇到的難題，有助于我國進一步普及農業自動化技術，提高基層農業生產效率。

傳統的農業大棚主要使用人工管理，工作效率低。為提高農業生產效率，我們設計了農業大棚自動化管理系統，用較低的成本，實現對大棚溫度、濕度、光照、空氣質量、土壤等環境指標的監測，并自動做出相應調節控制，保證大棚內各項指標始終處于最優值，以降低勞動強度，提高效率。采用無線控制技術，解決了布線麻煩的問題，又降低了成本，提高了產品的適應性。因此，農業大棚自動化技術可以帶來很好的經濟效益和社會效益。

但在另一方面，筆者在湖南、廣西等地的調研中，發現農業自動化設備在推廣普及中遇到了瓶頸，大量的普通農戶并沒有接受和使用這些新技術。可以認為，自動控制技術在農業中的應用還處于起步階段，還有許多亟需解決的技術瓶頸。

1 自動化農業大棚技術方案

整體設計思路

農業溫室大棚的技術指標主要取決于溫室內的環境，因此在設計時應把室內植物最適生長條件作為參考值，收集各類農作物的最適環境指標，建立一個農作物生長指標的數據庫。該數據庫包含此類植物每個生長周期的最適溫濕度、CO2濃度和光照強度等條件。該數據庫存放于中央控制器，由檢測節點通過無線系統定期向中央控制器發送實時環境指標，中央控制器將其與設定值進行比較，實現反饋控制。當反饋數據與設計參數的偏差超過允許范圍，則向溫室內環境控制執行器發出動作信號，從而進行相應內環境的調整。

技術方案

總體劃分為檢測節點、控制節點、中央控制器、無線模塊四部分（見圖1）。

系統是以 STC89C52 單片機為核心的無線溫室控制系統，硬件系統由傳感器模塊、NRF 無線模塊、災害預警模塊、人機交互模塊和執行機構電路等組成。傳感器統一采用數字信號輸出的傳感器，如DHT11 溫濕度傳感、BH1750 光強傳感器等。在傳感器測量大棚內環境指標時，確保每個同種類型傳感器的地址不相同，使中央控制器可以通過傳感器的類型和地址，來分辨不同位置節點測量的數據。當中央控制器需要讀取任何一個節點時，只要確定它的類型和地址，就可以通過 NRF 無線模塊與之通信，中央控制器和傳感器采取應答的方式進行通信。當中央控制器需要讀取某個節點的數據時，便通過NRF 無線模塊發送查詢指令，節點接收到查詢指令后返回應答信號，然后傳感器通過無線模塊將測量的數據傳給中央控制器。中央控制器將接收到的環境信息與數據庫的參考值進行對比，計算是否需要執行機構動作。若需要動作，則通過無線模塊向相應的控制節點發送動作指令。

2 傳統農戶樣本分析

根據筆者在2014年4月在湖南和廣西等地調研中，我們發現農業自動化技術在基層農村中的應用范圍較小，與發達地區形成鮮明反差。占中國農業生產勞動人員比重最大的傳統農戶，大多數依舊在使用傳統人力勞動的生產方式。在科技水平不斷發展的今天，許多傳統農戶無法享受科技進步帶來的便利。筆者根據從基層農村收集的數據，對制約農業自動化技術普及和推廣的因素進行了分析整理。

傳統農戶中自動化設備的使用情況

筆者的調查數據顯示，大多數用戶沒有使用過農業自動化設備（見表1）。從表中數據可知，在調查的1003 戶傳統農戶（廣西地區501 戶，湖南地區502 戶）中，從未使用過自動化設備達到了630 戶，占到了整個調查樣本的62.8%；而一直使用自動化農業設備的僅僅占到了總數的4.39%，在調查樣本總體中占極少數。湖南、廣西兩地調查結果比例十分接近，可以排除地域差異，調查結果有廣泛的代表性。由此我們可以認為，農業自動化設備在湖南、廣西等地的農村中，普及程度較低，還有較大的發展空間，大多數人仍處于手工或半手工勞動的狀態，生產效率還有很大的提升空間。

表1 2014年傳統農戶農業自動化設備使用情況

圖2 因素分布柱狀圖

傳統農戶中使用過的農業自動化設備大多屬于傳統的自動播種機、聯合收割機、抽水機等傳統的半自動設備。對于技術更先進的溫濕度、光照等環境綜合指標的自動控制設備，則幾乎沒有使用。可見，先進的自動化控制系統在基層農村普及度不高。調查中有近半數農戶僅使用過純機械化設備，也反映出了純機械化設備比自動化設備更適合基層農業生產。

影響農業自動化設備推廣的因素

從筆者的調查來看，制約農業自動化設備在農村發展的主要因素有設備昂貴、傳統意識主導、設備操作復雜、設備工作精度不足或不可靠，維護和升級繁雜等（見圖2）。

根據統計，設備昂貴是影響最大的因素，我們以500m2自動化溫室大棚為例，對設備費用進行分析。控制節點包括單片機、無線模塊、電源，成本約15 元/個，檢測節點包括單片機、無線模塊、傳感器、電源構成，成本約30 元/個，灌溉機構約40 元，水泵150 元，電動卷簾80元等，費用至少在500 元以上，對于傳統農戶來說，其成本難以接受。

在自動化設備的操作和維護方面，大多數傳統農戶文化水平較低，尤其對于老年農戶，難以學習掌握，直接導致了農戶在意識上不認可自動化設備。

3 研究總結

調查和研究表明，以自動化農業大棚為代表的農業自動化技術能給現代農業帶來巨大的經濟效益，具有廣闊的市場前景。高效率和高精度的自動化的農業生產將是未來的主流。但是我們也應看到，在實際的推過和應用中，自動化技術依舊存在成本高，操作復雜等難題，這就要求技術人員需要進一步降低設備成本，開發操作簡易、適合低文化農業人員使用的操作平臺。總而言之，自動化技術農業技術前景廣闊但仍需進一步完善。