大數據在日光溫室蔬菜生產中的應用

姜懿芮 段玉聰 王勇 姜俊

摘 要： 大數據、互聯網、云計算等信息技術在設施生產中的應用，加快了設施農業的現代化進程。大數據技術在日光溫室蔬菜生產中的應用報道的較少，筆者闡述了日光溫室蔬菜大數據的特點、日光溫室裝備系統、數據平臺建設及應用，為日光溫室蔬菜智能化生產探討出一條新途徑，助力設施蔬菜產業的發展。

關鍵詞： 蔬菜； 日光溫室； 大數據； 裝備系統； 智能化

當今世界，科學技術突飛猛進。以大數據、物聯網應用為代表的信息技術，正以驚人的速度，迅速在各領域運用[1-2]?！按髷祿夹g”已成為科研學術界和相關產業界的熱門話題，吸引著越來越多的科學家研究大數據帶來的相關問題[3]。大數據技術在工業控制和電子商務等領域已經有較快的發展，與此同時，我國日光溫室蔬菜產業正從傳統意義上的精耕細作向精準化和智能化的現代農業邁進[4-5]，然而大數據技術在日光溫室蔬菜生產中的應用卻鮮有報道。

目前，各級政府非常重視農業信息數據資源的建設及其在設施蔬菜生產上的應用[6-8]，面對這些機遇我們需要依托大數據技術更加全面及時地掌握日光溫室蔬菜產業的發展動態。在日光溫室蔬菜生產中，有效的大數據處理可以更好地控制澆水、施肥、光照、溫度等生產要素，為日光溫室蔬菜生產提供決策服務，幫助種植戶做出科學決策，然后有目的地實施管控，從而提高蔬菜產量和品質[9]。

1 大數據與日光溫室蔬菜生產

1.1 大數據概念

大數據通常指是很難用現有的數據和信息技術進行充分獲取、存儲、搜索、共享、分析和處理的海量的、復雜的并可能帶有很強處理時效和精度要求的數據集合[10]。大數據包含了5個V，即數據本身量大（Volume）、要求處理速度快（Velocity）、數據類型多變（Variety）、數據使用價值大（Value）、數據真實性（Veracity）。農業大數據涉及到耕地、育種、播種、氣象、施肥、植保、災害預防、收獲、貯運、農產品加工、品牌建立、銷售、畜牧業生產等各環節，是IT大數據相關的理念、技術和方法在農業領域的實踐。農業大數據實施和應用是跨行業、跨專業的數據分析與挖掘，對農業產業現代化、特色發揮、優勢體現、國家菜籃子工程、國家糧食和食品安全等方面都具有重大意義[11]。

1.2 日光溫室蔬菜大數據的特點

日光溫室蔬菜大數據涉及到土壤化學、品種選擇、播種育苗、氣象預報、災害預警、科學施肥、環保防病、自動化收割、倉儲物流、產品加工、市場營銷、售后服務等諸多環節[12]，這是一個跨領域、跨行業、跨平臺的深層次、互動的、動態的數據分析與知識發現，以及相關數據分析可視化。

表示發掘難度，Frequencyvariation表示變異頻率，Frequencyuse表示使用頻度，Factordimension表示維度系數，DTL表示數據時間線。DA指代當前數據距離數據被數據創造的時間；公式（2）中DA表示當前數據距離數據被數據創造的時間，DL表示數據從產生到被更替或者廢棄的時間。

我們設想在大服務的解決架構下，數據和服務處理的聚集，針對設施農業產業相關的多種利益相關者充分貢獻出客觀的大數據處理所帶來的價值。我們擴展徐曉飛教授的大數據下的大服務概念到日光溫室農業大數據為：“大、雜、跨、聚、客、價值、變（變異）”。

2 日光溫室裝備系統的組成

裝備系統由數據挖掘采集系統、視頻監控系統、無線傳輸系統、遠程控制系統、數據處理系統和專家系統組成，主要包括3部分（圖1）：

（1）信息采集部分：包括溫室空氣溫濕度信息監測、土壤信息監測、氣象信息監測、視頻信息采集等。（2）自動控制部分：包括溫室的溫度控制、遮陽控制、風機、補光、加熱、開窗、灌溉水肥控制等。（3）信息的發布與智能處理部分：包括 LED 信息發布系統、中央控制室的管理平臺、意外信息的手機報警處理等功能。

3 日光溫室蔬菜大數據的應用

日光溫室是在不適宜蔬菜生長的季節，通過日光溫室的建造為蔬菜生長發育提供良好的環境條件。傳統的日光溫室蔬菜生產往往憑感覺進行管理，存在較大的盲目性，生產效率低下。基于大數據技術實現了日光溫室蔬菜產業的智能化管理，實現了從種到收的全程智能化控制。河南省新蔡縣谷未來農業生態園設施蔬菜基地，是一家以“沼-肥-菜”高效循環為核心的省級重點龍頭企業，占地面積134 m2，年產值近億元。近年來，該公司把大數據技術應用到了日光溫室蔬菜生產中，推進設施環境科學調控，水肥一體化，實現了日光溫室蔬菜病蟲害診治足不出棚，綠色蔬菜生產技術得到很大的應用，減少了種植的盲目性。參照谷未來農業公司，日光溫室蔬菜大數據技術的應用主要包括以下方面。

3.1 日光溫室設備控制平臺的建造

3.1.1 數據傳輸系統 數據傳輸系統由空氣溫度與濕度、土壤溫度與濕度、光照強度、pH、CO2 傳感器等組成。傳感器將采集的數據通過ZigBee 模塊傳送到中心節點上，同時，用戶終端和一體化控制器間傳送的控制指令也傳送到中心節點上，中心節點再經過邊緣網關將傳感器數據、控制指令發送到上位機的業務平臺。管理者可通過上位機訪問網絡系統平臺，實時監測日光溫室內的環境參數，有效控制現場設備[13]。

3.1.2 數據分析系統 數據分析及顯示部分包括電腦、軟件、無線接收模塊、報警系統，依據不同的蔬菜作物、環境參數、生長狀況，制定不同的生產控制方案。

3.1.3 生產操作系統 日光溫室內的空氣溫濕度監控系統可利用傳感器采集日光溫室蔬菜的生長環境，設定環境參數，當環境參數超出正常范圍時，可自動啟動風機、濕簾降溫系統、水暖加溫系統、空氣內循環系統；土壤溫濕度監測系統是利用土壤濕度和溫度傳感器等來實時獲取土壤濕度和溫度數據，為溫濕度控制系統提供實時信息。

3.2 日光溫室裝備控制系統的應用

3.2.1 日光溫室環境的監測 使用無線傳感器實時采集日光溫室蔬菜生長環境的空氣溫度、土壤溫度，空氣濕度、土壤含水量，光照、CO2濃度、土壤pH、灌溉水重金屬含量、露點溫度等環境數據信息及視頻圖像信息，再通過 GPRS 網絡傳輸到數據中心，為數據統計分析提供依據，對不適合日光溫室蔬菜生長的環境進行自動告警。

3.2.2 病蟲害預警 監測日光溫室大棚內影響病蟲害發生的環境因子，實現對病蟲害預測預報，利用短信、微信等途徑向種植戶傳遞可能即將發生的病蟲害信息，進行及時防控。

3.2.3 遠程日光溫室設備控制 通過手機APP管理系統，對加熱器、卷膜機、通風機、滴灌等設備實施遠程控制，從而有效控制日光溫室內蔬菜的生長環境。

3.2.4 遠程生產指導 根據日光溫室蔬菜的生長特點，對蔬菜溫室大棚溫濕度、CO2等監測到的數據對比分析，超出蔬菜正常生長的閾值范圍，系統將自動發出警報。

4 展 望

大數據技術的應用，解決了日光溫室蔬菜生產中的信息獲取、信息傳輸與互聯和不同應用環境的決策智能化，實現了傳統農業向現代農業的轉變，有力地推動了日光溫室蔬菜向“優質、高效、生態、安全”方向發展[14]。日光溫室蔬菜大數據技術的應用對于改變我國傳統農業生產模式粗放、成本高、農產品附加值低的現狀，不斷提升日光溫室蔬菜產業化、智能化生產水平，加快日光溫室蔬菜產業化進程具有深遠意義。

由于日光溫室蔬菜生產存在著分散性、生產主體多元性、產品需求多樣性，因此，與互聯網大數據相比，針對日光溫室蔬菜的異質、異構、海量、分布式大數據處理與分析技術依然缺乏。例如日光溫室番茄生產在苗期、開花期、坐果期、采收期等不同生育期所適宜的溫度、濕度、土壤養分、空氣CO2濃度等均有差異，因此今后日光溫室蔬菜大數據的分析處理應該將信息分析處理技術與蔬菜作物的關鍵生長期緊密結合，只有這樣才能做到更精確、更可靠。

參考文獻

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