設施農業智能管控系統分析與構建

柳 軍，孟力力，夏禮如

(江蘇省農業科學院 農業設施與裝備所，江蘇 南京 210014)

設施農業智能管控系統分析與構建

柳 軍，孟力力，夏禮如

(江蘇省農業科學院 農業設施與裝備所，江蘇 南京 210014)

分析當前設施農業管控系統發展現狀，從系統工程觀點出發，針對現有系統在應用中的主要問題，對設施農業智能管控系統構建進行研究，通過采用信息技術、栽培技術、智能自動控制等技術，對設施環境因子、生長因子的實時監測、預警與調控，并遠程傳輸至生產管理系統進行數據分析與診斷，創新一種設施蔬菜智能化栽培管理模式，并對今后的應用提出建議。

設施農業； 物聯網； 智能

隨著設施種植面積不斷增加，我國設施園藝經過30多年的發展，形成不同地域特色的設施類型，已成為世界設施面積最大的國家[1]。在設施栽培條件下，小氣候環境變化較大，如何為蔬菜等作物生長提供最優環境是設施栽培管理的重點和難點問題。設施農業智能管控系統是提高作物產量和降低勞力成本的關鍵力量，利用信息化和自動化技術，進行環境、作物生長因子的實時監測、預警與調控，創新設施作物栽培、環境因子調控、水肥氣光藥合理供給模式與裝備，可為設施種植產業的可持續發展提供科技支撐。

目前，發達國家設施條件基本實現了機械化和自動化。尤其是環控部分，可有效調節設施內溫光水氣等環境因素，為作物生長提供最佳環境，實現生產和經濟的高效益[2]。而我國由于尚未實現環控自動化和生產環節的機械化，從而導致勞動生產率低，產量和質量及效益不高，嚴重制約了設施園藝生產的發展。因此，開展設施栽培管理模式創新與環境調控系統研究是提高我國設施園藝產品競爭力的戰略選擇。農業物聯網技術作為現代農業最前沿的發展領域之一，是目前發展農業信息化，實現農業可持續發展的關鍵和核心技術[3]，而基于物聯網技術的設施農業管控系統是今后智能農業發展的必然選擇[4]。

1 基于物聯網技術的設施農業管控系統發展現狀

農業物聯網采用信息化的方式改造農業，推動傳統農業向現代農業的轉型，對提升農業生產的決策水平、提升自動化和管理水平起到關鍵性作用[5- 7]。近年來，在政府、企業、高校科研院所等機構的共同推進下，技術研究和示范應用取得了一些成效，積累了一些經驗[8- 11]，但在實際生產中仍然存在著一些問題。設施大棚內的種植管理依賴于人工操作依然較多，雖然國內生產設施環境智能調控設備的企業有很多，但生產經營規模都較小，從國外吸收引進的技術與產品仍需一定時間消化。國內農業科研院所相關專家在設施環境智能調控方面做的相關研究，多偏重于基礎理論與技術研究，相關工作多以項目為主，科研成果并未形成系列成熟產品而廣泛應用。

2 主要問題分析

雖然設施農業智能管控系統研究開發已經起步，對存在著的一些問題和困難也取得了一些經驗，但落實到具體實施者，則表現出對技術發展應用前景認識不足，對使用該項系統的堅定持久性不足，對發生的問題認識不清。實際應用中，環境調控系統處于“只監不控”的工作狀態，產品性能及使用流于形式；設備管理系統中，缺少針對性控制策略，所有功能均是人為經驗手動操作實現；系統暫存的環境因子數據未能及時處理分析，缺少不良趨勢預警與專家診斷反饋調控功能，造成系統調控滯后與實際農藝栽培技術融合性差；缺乏復合應用管理人員，大部分應用農業企業和合作社的管理人員，對新型的基于物聯網管理準備不足，缺乏掌握基于物聯網管理技術、農業技術等復合應用管理人員。綜上所述，構建清晰的設施環境智能管控系統，實現基于物聯網技術的設施栽培關鍵技術信息與環境因子融合，遠程監控與動態預警集成是迫切的。

3 基于物聯網體系構建設施農業管控系統

3.1 系統總體設計

根據目前設施智能管控系統存在的問題，按照系統工程技術角度，總體設計采用設施栽培農藝信息、環境因子、人為經驗信息相融合的研究方法，參照物聯網應用體系[12- 13]，將采集與統計設施作物周年性栽培管理信息、環境因子、設施環境安全生產信息，基于物聯網技術將現場控制系統和遠程管理系統相結合。針對智能環境調控系統工作原理和功能，進行系統方案的詳細設計，進行設施改造與現有選型傳感器、末端執行設備安裝調試，軟件硬件系統集成研發，進而將完成的環境調控系統安裝、調試和試運行。通過設施現場各項環境因子參數的采集對比，進行系統考核試驗，在此基礎上完善系統設計，提高調控準確性，并進行可靠性試驗，形成定型產品。如圖1所示，系統整體設計分為設施監控系統，設施現場管理系統，安全生產管理門戶3個部分。

圖1 設施農業智能管控系統構建

3.2 詳細設計

3.2.1 設施監控系統

包含環境實時感知、裝備管理、通信終端及傳感網絡建設。

環境實時感知。設施大棚環境信息感知單元由無線采集終端和各種環境信息傳感器組成。環境信息傳感器監測空氣溫濕度、光照強度、土壤水分溫度、土壤pH值、CO2等多點環境參數，通過無線采集終端，以zigbee組網方式將采集數據傳輸至監控中心。

裝備管理終端。設施環境智能調控單元由溫濕度調控裝備，包括內遮陽、外遮陽、風機、濕簾水泵、頂部通風、電磁閥等設備，以及水肥管理裝備，主要包括灌溉機組和變量施肥機，測控模塊、電磁閥、配電控制柜及安裝附件組成，通過安全可靠地總線方式與管理監控中心連接，也可通過開放的OPC技術與其他裝備管理系統連接。

通信終端及傳感網絡建設。設施大棚無線傳感通信網絡主要由設施大棚內部感知節點間的自組織網絡建設和設施大棚間及設施大棚與現場管理系統中心的通信網絡建設兩部分組成。前者主要實現傳感器數據的采集及傳感器與執行控制器間的數據交互。設施大棚環境信息通過內部自組織網絡在中繼節點匯聚后，將通過設施大棚間及設施大棚與現場管理系統中心的通信網絡實現監控中心對各設施大棚環境信息的監控。

3.2.2 設施現場管理系統

包含數據處理融合部分和管理策略部分。數據處理融合部分指在設施監控系統交互過來的環境感知信息、調控設備工作狀態信息進行有序存儲、查詢和初步邏輯處理；管理策略則根據作物周年生長數據，查找比對環境調控策略和水肥耦合調控策略，根據傳感器測量的各項參數值和系統預警信息，確定水肥藥合理供給策略，通過控制水肥耦合式灌溉系統，實現水肥精確智能管理；對現場人為干預行為進行系統告知，并記錄有效操作和關聯信息，對更改過的部分通過遠程傳輸，進行數據轉發至安全生產管理門戶部分，同時承擔著安全生產管理門戶決策信息變更，不斷優化管理策略，達到自主更新。

3.2.3 安全生產管理門戶

該部分的設立主要為園區系統管理者提供，也是該項目智能化管理的中心。通過與現場管理系統的數據交互、轉發，取得現場設施作物生長過程中的環境、安全、裝備管理信息，結合專家診斷與大數據挖掘分析，建立自主學習規則，根據作物生長規律和周年調控信息，優化現場設施管理策略。系統中植入周年性栽培關鍵技術信息，跟隨作物生長周期，不斷調控設施環境因子，并對設施環境不利于作物生長的因素進行預判，對有可能產生重大影響的關鍵因子，進行不間斷監測，形成整個生長周期的動態預警。同時，該安全生產管理門戶對現場出現的異常信息進行綜合評價，對不良趨勢進行預警，提高設施安全生產的可靠性。

4 建議與小結

隨著今后人力成本的逐步提高，農業現代化的步伐會是越來越快，利用先進的設施農業智能管控技術，改變生產模式，科學合理安排生產，對全流程的監管方向不會變。結合前述當前問題現狀以及管控系統的構建提出以下建議。

產業園的帶頭引領作用，培育龍頭企業，針對地方產業園特色，在相對一致的架構下構建智能管控系統，開發標準化的硬件接口，支持異構網絡中間件，增加經濟性評價研究。

堅定新技術的使用，使用基于物聯網技術的信息技術和自動化控制，實現生產管理的數字化、自動化和遠程化。數字化體現經驗的積累、產量的預測和質量的控制，為推動精細化農業生產提供數據支持；自動化體現在省力、省工；遠程化體現在解放管理人員的在場限制，管理可借助遠程專家的指導。

深入探索新技術的運營和服務模式，政府與研究機構對應用新技術實現商業價值起積極推廣示范作用，培養更多復合式農業生產管理人才，解決項目投入、企業運營、農戶/消費者收益服務模式的各個環節銜接問題[11]。

鼓勵企業和科研機構不斷開展新技術研究，特別是農用傳感器創新及微型化和智能化，利用新結構、新原理、新材料，實現低成本、低功耗、高可靠性的方向發展[14- 15]。

本文立足于我國設施園藝現代化生產形式，闡述基于物聯網技術的設施農業管控系統發展現狀，分析了其中的主要問題，提出設施農業智能管控系統研究與構建。系統基于物聯網體系融合了作物栽培技術、智能控制技術、信息化技術，對作物環境因子、生長因子的實時監測、預警與調控，并遠程傳輸至生產管理系統進行數據分析與診斷，實現智能化的環境因子調控、水肥氣光藥合理供給模式。該系統不僅顯著提高生產管理效率，大大減少用工量，降低生產成本，而且能有效節約水、肥、藥資源，提升設施農業生產管理自動化水平。

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(責任編輯：張瑞麟)

2016- 12- 24

江蘇省農業科技自主創新資金CX(15)1033

柳 軍(1984—)，江蘇南京人，助理研究員，碩士，研究方向為智能農業設施與裝備研究，E- maill: nkyliu@163.com。

10.16178/j.issn.0528- 9017.20170353

S126；TP277.2

A

0528- 9017(2017)03- 0534- 03

文獻著錄格式：柳軍，孟力力，夏禮如. 設施農業智能管控系統分析與構建[J].浙江農業科學，2017，58(3)：534- 536，540.