智慧溫室發展現狀及趨勢探討

李東星，周增產,3，余連海，蘭立波，李秀剛，李 立

（1.北京京鵬環球科技股份有限公司，北京 100094；2.北京市植物工廠工程技術研究中心，北京 100094；3.北京市農業機械研究所有限公司，北京 100092）

智慧溫室，是指將溫室工程建造技術、無土栽培技術、物聯網技術、自動化裝備技術、環境控制技術、無線傳感器技術、信息技術、大數據技術、無線通信技術等集成于一體，實現農業生產環境的智能化監控和管理，從而保障溫室內作物的品質、產量得到改善和提高[1-3]。智慧溫室的發展，是未來溫室產業的發展趨勢，是未來智慧農業的重要保障，可以為農業生產者提供精準化種植，可視化管理，以及智能化決策，帶動我國智慧農業向精準化、機械化、智能化、自動化方向發展。

智慧溫室發展現狀

隨著現代農業的快速發展，溫室的智能化管控水平不斷提升。以荷蘭為代表的歐美國家設施園藝規模大、自動化程度高、生產效率高，主體溫室內的光、水、氣、肥等均實現了智能化控制。荷蘭番茄溫室以每個標準溫室10 hm2為效益最大化，其黃瓜、番茄單產水平已經達到了60～120 kg/m2。以色列的現代化溫室可根據作物對環境的不同要求，通過計算機對環境進行自動監測和調控，實現溫室作物全天候、周年性的高效生產。近年來，美國、日本等國采用人工補充光照、網絡通訊技術和視頻技術對溫室環境進行遠程控制與診斷，由機械手進行移栽作業，是世界最先進的全封閉式生產體系[4]。

2013年11月，國內首個智慧溫室在北京市通州區投產，3 000 m2的溫室將再生能源、現代農業裝備以及物聯網技術有機融合，實現作物的高效生產，是國內第一個擁有自主知識產權的智慧溫室，能夠進行工廠化種苗繁育，花卉、果菜等生產，進行低碳節能、精準遠程控制等農業高新技術試驗展示。近幾年，我國智能化溫室、植物工廠等智慧溫室的面積規模在逐步增大[5]，在環境智能化控制[6]、自動化裝備技術[7]、傳感器技術[8]、無土栽培技術、物聯網技術[9]等方面均取得了一定的成效，但相比規模化、專業化、集約化、自動化等程度高的設施發達國家還有一定的差距，仍然處在智慧溫室發展的初級階段。

智能環境控制技術

國外設施園藝發達國家早在20世紀后期就進行了網絡化、分布式溫室環境控制系統的研發，并進行了廣泛的應用。如，荷蘭研制的CECS計算機控制系統，通過一系列計算機軟硬件配置，實現了溫室施肥、供水和環境自動化控制[10]。隨著我國智慧溫室的興起，智能環境控制技術水平得到了進一步的提升，“九五”到“十一五”期間，國內各高校及科研院所研發了溫室監控系統，但這些系統過多關注局部環境調控[11-14]；“十二五”期間，基于ZigBee和Internet的溫室群環境遠程監控系統逐漸興起，實現對溫室群農作物的動態監測、智能控制、在線決策。目前，已經針對不同氣候特征和作物需求，成功研制出溫室濕簾—風機降溫、遮陽保溫、采暖通風等環控技術裝備及其智能化管控系統，進一步提升了我國智能溫室環控水平[9]。

自動化裝備技術

自動化裝備技術包括“種苗裝備技術、生產裝備技術、物流裝備技術、管理裝備技術”4個方面[15]。國外設施農業發達國家隨著溫室單體規模不斷擴大，勞動力成本持續升高等因素，自動化裝備技術發展迅速。美國最早開發出育苗穴盤播種一體化裝備，日本、荷蘭等開發出蔬菜及盆花的定植、移栽、收獲、分級包裝、物流等工廠化成套裝備，并進行了實際應用，可滿足規模化、智能化和信息化的設施園藝生產[9,16]。目前，我國從育苗、移栽、定植、收獲、包裝、物流等各個環節均進行了自動化裝備技術的研究，并形成了種植、基質栽培、水肥管理、植保、運輸、收獲、作物生長信息監測等的系列智能化裝備成果，如江蘇大學設施農業裝備研發團隊開發的蔬菜苗全自動移栽機、高架草莓苗自主移栽機、溫室高架栽培基質智能管理裝備、設施園藝水肥智能管理裝備、設施園藝智能施藥裝備、溫室智能化現場運輸裝備、溫室智能收獲裝備等[7]，但目前除了育苗環節的裝備較為成熟以外，其他環節的自動化裝備還相對薄弱，大部分處于科研試驗示范階段。

無土栽培技術

荷蘭是世界上無土栽培最發達的國家之一，主要采用無土栽培技術種植番茄、黃瓜、甜椒和花卉（主要是切花）等，且大部分實現了微電腦控制，達到了現代化、自動化生產管理水平。日本在無土栽培試驗研究和大面積應用方面開展了超前性研究，在植物工廠內大面積應用了無土栽培技術，并實現了全自動控制[17]。我國無土栽培技術的研究應用起步較晚，但發展迅速，目前，已形成了水培（浮板水培、動態浮根、浮板毛管水培、NFT）、霧培、槽培、袋培、巖棉栽培、沙培、立體栽培、有機生態型無土栽培等多種栽培模式。在智慧溫室蔬菜種植中，廣泛借鑒荷蘭技術，番茄、黃瓜等采用巖棉栽培，生菜等葉菜類采用營養液栽培，且通過應用計算機控制系統，對作物需要的溫濕光氣等進行自動調控，實現了種植的自動化、數字化，但在精準化方面還存在一定的差距。

傳感器及物聯網技術

國外農業物聯網技術發展迅速，以色列將物聯網技術應用于節水灌溉中，即利用一系列口徑不同的塑料管道，將水和溶于水中的肥料通過壓力管道直接輸送到作物根部，水、肥均按需由電腦控制定時、定量供給，在設施種植中起到了非常關鍵的作用[18-19]。日本非常重視農業物聯網的推廣應用，將農業物聯網列入日本政府計劃，提出到2020年日本農業信息技術化規模將達到600億日元，農業云技術運用率將達75%[20]。

我國智慧溫室生產中也廣泛應用了物聯網技術（圖1），通過各種傳感器實時監測溫室內溫度、濕度、光照、土壤水分等環境因子數據，在專家決策系統的支持下進行智能化決策，通過電腦、手機、觸摸屏等終端實時遠程調控濕簾風機、噴淋滴灌、內外遮陽、加溫補光等設備，調節溫室內生長環境至適宜狀態，彌補了傳統設施農業參數采集監控的不足，實現了科學監視、科學種植、提高農業綜合效益，但其準確度較國際先進水平等仍存在一定的差距。

智慧溫室發展趨勢

規模化

設施農業發達國家如荷蘭，種植花卉和蔬菜溫室主要采用玻璃溫室，集中分布在海牙和鹿特丹機場之間、Westland、Drenthe省和Limburg省（如Venlo市）幾個地區，具有集群式、大面積特點，這樣做的好處是可以降低基礎設施（道路、供電、供水等）投資，據了解，2 hm2的溫室建設比0.3 hm2溫室平均每平方米節約20%的成本。規模化的溫室便于種植者進行機械化操作，種植者可積累豐富的經驗，提高管理水平和工人的操作技能。我國近些年溫室的發展廣泛借鑒了荷蘭技術，其建設規模也在朝大型化、規模化發展，如由北京京鵬環球科技股份有限公司建設的位于山東慶云的7 hm2智慧溫室，以及位于石家莊鹿泉區封龍谷的6 hm2現代化連棟溫室，采用荷蘭最新技術和先進設計理念，頂部使用專用的散射玻璃覆蓋、折疊式防蟲網和進出口的風幕風機系統，不僅滿足了無土栽培、節水灌溉等現代農業需求，還可提供溫室育苗、魚菜共生、種養循環等環保、節能、安全需求。

自動化

荷蘭為增強盆花企業市場競爭力，解決溫室花卉生產勞動力不足、勞動力成本高等問題，大力發展了自動化生產裝備系統，實現了溫室盆花高效自動化生產，其溫室盆花自動化生產裝備技術達到世界領先水平[21]。我國在溫室內的育苗環節、移栽環節、收獲環節等基本實現了自動化，隨著我國智慧溫室大型化、規模化的發展以及我國勞動力短缺，勞動力成本日益提高，人工依賴度過高的育苗、移栽、收獲、包裝等生產模式將不能滿足需要，自動化、機械化的溫室裝備將是未來的發展趨勢。

智能化

智慧農業以智慧溫室為主體，依托物聯網集成溫室內的溫濕度采集、光照、CO2濃度、智能水肥控制、遠程監控等多項前沿技術，通過完善的模塊化數據采集和管理，對溫室內的環境進行遠程控制。目前，智慧溫室已經初步實現了通過電腦、手機APP等多項智能產品實現遠程管理，實時遠程獲取溫室內部的溫濕度、二氧化碳濃度、光照強度等作物生長環境及視頻信息，實現精細化的管理，為作物的高產、優質、高效、生態、安全創造條件，讓溫室種植者輕松地遠程操控溫室環境，實現智能化管理。

圖1 物聯網技術

精準化

設施農業發達國家如荷蘭，在環境調控、水肥管理、采收管理等各個環節基本做到了精準化控制。如，在研究LED新型節能光源方面，荷蘭不再將節能效果作為LED照明技術的最終訴求點，而是在節能的基礎上利用各種單色光源或配比光源對植物進行自定義調節；同時，荷蘭非常注重作物生長過程中的數據積累，根據作物生理學和生態學原理，對作物生長發育過程及其與環境的動態關系進行定量描述，將獲得的試驗數據加以理論概括和數據抽象，通過建立作物生長動態模型，應用于決策支持系統、植物監測、溫室氣候調控和生產預測與規劃[22]。通過對溫室內作物進行精準化控制，進一步提高作物產量及品質，隨著我國智慧溫室的發展，精準化管理將是必然趨勢。

標準化

目前，在溫室建造中，荷蘭TNO研究院的CASTA溫室結構計算程序仍然是世界上唯一完整的權威計算程序，國際上所有的專業溫室公司都采用或者借鑒此軟件[23]。溫室有別于其他輕鋼結構建筑，除框架是鋼結構外，天溝、屋脊、其他屋面玻璃型材都是整體結構的一部分，承擔著各種載荷，都需要進行力學計算。溫室標準化建設，可以大大節約建設和運轉成本，是未來智慧溫室發展的必然選擇。

安全化

荷蘭溫室病蟲害防控堅持源頭控制和綜合防控的理念，以溫濕度精準調控以及有益昆蟲生態系構建為基礎，充分發揮自然調控和生態調控優勢，以種植番茄為例，定植番茄第1穗花開放時，在溫室內引入熊蜂授粉，隨著開花數量的不斷增加，每周每公頃增加熊蜂4箱。同時溫室內引入暗黑長脊盲蝽、麗蚜小蜂、漿角蚜小蜂用于防治粉虱。我國溫室內生產病蟲害防治通常采用化學防治，存在污染環境、操作人員易中毒等問題，隨著近些年我國溫室規模化發展，逐步地以物理防治和生物防治代替化學防治，物理防治通常采用如防蟲網、燈光誘殺、臭氧防治等；生物防治通常采用麗蚜小蜂等天敵來防治害蟲[24]，通過物理防治與生物防治相結合策略，達到有效防控病蟲害、確保產品安全、減少產量損失的目的。

智慧溫室案例——山東水發田園綜合體項目

山東水發田園綜合體項目總體概況

山東水發田園綜合體項目以國家級石斛特色小鎮、山東水發設施農業產業集群和周邊的美麗鄉村示范點為依托，圍繞“農業增效、農民增收、農村增綠”的發展策略，以中藥材和設施蔬菜為主導產業，以“創新引領、綠色發展”為理念，以區內龍頭企業、農村集體組織、農民合作社、鄉村創客等為主體，致力于打造精品生產為核心、農旅美村為載體、文化體驗為靈魂、綠色田園為底蘊的省級田園綜合體。

項目規劃占地333.33 hm2，總投資10億元。是一個集有機果蔬生產加工、休閑采摘、科普教育、田園體驗為一體，一二三產業融合發展的現代農業園。

項目分兩期建設，一期規劃占地約133.33 hm2，包括建設1處占地超7萬m2的智能溫室超級大棚、占地5萬m2的連棟塑料大棚、超大型的牡丹觀賞園、3萬m2的智能玻璃溫室、10萬m2的日光溫室等；二期主要是建設農業休閑旅游、養老、酒店等設施工程。

功能分區

項目建有綠色智慧溫室、連棟塑料溫室、科普教育基地、航天科技教育基地、農業科技展示中心、果蔬育苗中心、加工交易物流中心、觀光休閑采摘區等，主要經營項目有綠色食品蔬菜生產、加工、銷售及休閑采摘、科普教育。

綠色智慧溫室建筑面積70 480 m2，其中生產區65 360 m2，配套服務區面積5 120 m2。在設計過程中，結合德州的自然條件，運用系統工程方法，進行多學科技術有機融合，將信息采集、工程技術、自動控制、物聯網、生物防治等技術裝備用于設施生產中，充分體現先進性、創新性、經濟性、示范性。以實現作物周年生產、智能化管理、精細化作業、規模化生產為目標，在智慧溫室設計建造過程中進行了一系列技術創新和高科技集成。

智慧溫室技術創新

建筑結構節能化

主體結構計算采用歐盟CASTA軟件，采用了新型鋁合金天溝，溫室覆蓋材料采用散射鋼化玻璃，溫室屋脊采用連續通長頂窗。

環境調控精確化

采用荷蘭Hortimax公司CX500環境控制系統，溫室外部配置了自動化氣象站，溫室內部配置了精確傳感器，通過專家系統，實現了溫室內部微氣候環境的精確化智能控制。

水肥利用高效化

采用荷蘭Hortimax先進的水肥一體化技術，灌溉排水回收再利用，提高水肥的利用率，達到節水灌溉的目的。

植物生長安全化

采用病蟲害綜合防治管理（IPM）體系，采用物理防治和生物防治相結合的措施，優先選用高質量的性誘劑和粘蟲板以及自然天敵措施。

生產管理精細化

采用Hortimax勞動力系統，根據管理者的設置給相應的員工分配工作任務，從而提高員工的工作效率及管理者的利益。

裝備應用智能化

集成了番茄生產過程的自動化裝備技術，從作業過程中自動行走升降采摘車，到貨物運輸無人駕駛牽引車的物流系統，到自動卸貨、分級、包裝系統，實現了全程機械化、自動化，提高了番茄生產的效率，降低了勞動強度，真正實現番茄工廠化生產。

結論

智慧農業的發展是我國農業發展的必由之路，智慧溫室是實現智慧農業的重要保障。從生產模式的角度來看，智慧溫室需要創造植物最佳生長環境，創新“環境設施化、形式立體化、資源節能化、流程數字化、管理智能化、技術集成化”的最佳生產模式，開發利用新能源、新材料、新裝備，從而達到提高植物產量、品質和效益的目的。在智慧溫室產業化發展進程中，規模化、自動化、智能化、精準化、標準化的管理是未來農業發展的必然趨勢，越來越多的現代農業技術、無土栽培技術、自動化裝備技術、物聯網技術等應用于智慧溫室建設中，讓溫室內作物生產更加自動化、智能化，安全化，提高溫室的產品質量，實現“高品高效”；同時，溫室的規模化發展以及精細化、標準化管理可實現“降本降耗”，從而快速推動我國現代農業的發展。