設施蔬菜高效栽培物聯網系統研究與應用

林佳福

（長沙市蔬菜科學研究所，410003）

設施蔬菜栽培是一種采用現代化農業工程、機械技術和物聯網技術為蔬菜栽培提供可控、適宜的環境條件，有效生產與管理的農業生產方式。發展設施蔬菜栽培是一項集科技、人才、經濟為一體的復雜工程，可有效提高土地產出率、資源利用率和勞動生產率，提升農業素質、效益和競爭力。

物聯網是互聯網和通信網拓展應用和網絡的延伸，實現了人們在任何時間、任何地點與任何物體的連接[1，2]。物聯網使人類可以更加精細及動態的方式管理生產和生活，提升對物理世界實時控制和精確管理的能力，從而實現資源優化配置和科學智能決策，在設施農業和智慧型農業發展中有著十分廣闊的應用前景[3，4]。

許多科研院校和企業對物聯網技術在設施蔬菜栽培方面的研究與應用做了大量工作，戴云新等[5]探索了基于物聯網技術的蝴蝶蘭精細栽培管控系統，實現對蝴蝶蘭生長環境調控和精細栽培育種的需求，馬二磊等[6]研究了基于物聯網的甜瓜遠程控制簡約化高效栽培技術，楊方等[7]設計了基于物聯網的設施蔬菜環境監控系統，實現了基于物聯網的數據采集和遠程自動控制，但沒有考慮蔬菜的質量安全追溯和高效栽培建模。Kolhe等[8]將模糊邏輯與病害診斷相關聯，建立了油菜病蟲害預警監測診斷WEB系統平臺。劉大有等[9]將神經網絡、灰色系統和時間序列預測相結合，提出了一種價格預測新模型。本文提出設施蔬菜高效栽培物聯網系統，通過采集傳感器監測數據和視頻圖像等多源信息，對數據進行分析和挖掘，建立設施蔬菜高效栽培模型和專家決策模型，實現蔬菜栽培的水肥一體化滴灌、智能自動控制和質量安全追溯管理。

1 物聯網系統構架

針對設施蔬菜高效栽培需求，設計設施蔬菜高效栽培物聯網系統構架如圖1所示。

圖1 系統構架示意

①感知與執行層 利用傳感技術，對設施蔬菜栽培全生育期的墑情、氣象、基地土壤溫濕度pH值等數據、視頻監視點圖像數據、現場運行設備狀態進行采集，通過傳輸層上報系統。根據應用層系統模型及專家決策指令，對大棚的天窗、內外遮陽網、風機、水簾、植物補光燈、水肥一體化滴灌設備進行自動控制；同時輔助人工手動控制。

②網絡傳輸層 包括各種無線通信網絡與以太網形成的異構融合網絡。基地監測站自動監測的數據和上報數據通過傳輸層無線遠程傳輸至應用層的系統通訊服務器、數據服務器。應用3G/4G等移動通信網和光纖專用網絡接入公共互聯網。

③應用層 實現物聯網信息技術與蔬菜高效栽培專業領域技術的深度融合，構建環境監測數據庫、視頻圖像庫、專家知識經驗庫以及自學習模型庫等，形成設施蔬菜高效栽培大數據中心；設施蔬菜高效栽培物聯網系統的功能包括設施蔬菜高效栽培采集數據管理與分析、人工調查輔助數據管理（基地管理記錄、蔬菜栽培過程記錄等）、專家控制（水肥一體化滴灌控制、環境及土壤參數控制）、預警預報（溫室環境預警、病蟲害預報）、質量安全追溯等，實現設施蔬菜栽培生產全過程遠程、實時、精準、高效的信息化、智能化管理，達到設施蔬菜栽培生產過程的自動化、標準化，設施蔬菜栽培全程可溯源的目的。

2 系統功能模塊

系統將感知數據進行分析、統計和挖掘，采用設施蔬菜高效栽培模型和專家決策模型，形成多源信息采集模塊、水肥一體化滴灌管理模塊、蔬菜栽培質量安全追溯模塊和智能自動控制模塊4大功能模塊，如圖2所示。

2.1 設施蔬菜高效栽培模型

考慮到設施蔬菜栽培是一個非線性復雜工程，無法運用精確的數學模型，本文將感知數據作為模塊輸入，運用大數據分類和深度挖掘，采用神經網絡和模糊邏輯算法，建立設施蔬菜高效栽培自學習模型，指導設施蔬菜高效栽培。

2.2 專家決策模型

根據不同蔬菜栽培過程中對環境溫濕度、光照、土壤溫濕度以及pH值最適條件的要求，形成相應的蔬菜栽培專家控制參數閥值動態調節表，指導環境參數的自動控制。同時針對土壤肥力及不同微成分對蔬菜質量和口感的影響，將以往的經驗值作為邊界參數，大數據動態挖掘蔬菜栽培技術特征，形成水肥一體化滴灌控制專家參數表，以指導設施蔬菜高效栽培中的水肥一體化滴灌。

2.3 多源信息采集模塊

系統通過基地數字化監測裝置，將基地環境溫度、濕度、光照、CO2濃度，土壤的溫度、濕度、pH值等土壤墑情，蔬菜栽培不同階段的實時視頻，以及不同基地的數據進行分類、統計和組合，為后續應用奠定基礎。

2.4 水肥一體化滴灌管理模塊

系統共享水肥一體化滴灌控制系統的運行參數和運行狀態，根據專家決策模型的專家控制參數，動態調節水肥一體化滴灌控制系統執行機構，實現水肥一體化滴灌系統的控制和管理。

2.5 質量安全追溯模塊

將蔬菜栽培不同階段的環境監測參數、土壤監測參數及視頻圖像數據進行數據融合與關聯提取，系統建立蔬菜栽培全過程信息參數文件并動態輸出蔬菜栽培二維碼。通過掃描蔬菜栽培二維碼，用戶即可以文字瀏覽或視頻播放方式全面展示蔬菜栽培全過程，建立蔬菜質量安全追溯體系，提升蔬菜品牌影響力。

圖2 系統功能模塊示意

2.6 智能控制模塊

系統根據專家決策控制參數，實現對大棚的天窗、內外遮陽網、風機、水簾、植物補光燈進行自動控制。考慮到對環境和土壤參數的控制是1個慣性系統控制，因此對各種參數的控制均采用滯環控制；不同蔬菜對環境和光照要求不同，對于新品種，控制參數把控不準時，輔以人工手動控制，實現冗余和不同需求的應用。

3 設施蔬菜高效栽培管控技術

運用物聯網系統對設施蔬菜進行高效栽培，充分利用多源采集信息，將數據專家處理模型、水肥一體化滴灌控制、智能遠程控制結合起來，實現操作人員實時對蔬菜栽培管理區域的查看和控制，達到節約人工、經濟高效的目標。

3.1 溫濕度控制

根據蔬菜對溫濕度的要求，自動選擇最適條件，一般如白天溫度為22~28℃，晚上溫度為16~25℃，溫度控制要根據蔬菜不同生長階段進行合理調整。

環境相對濕度一般在60%~85%，不同時期要進行相應調節。空氣濕度低時葉面易失水，高時易產生病害。通過物聯網系統自動控制風機、水簾、遮陽網、水肥一體化滴灌對溫濕度進行調節。

3.2 光照度調節

蔬菜栽培需要陽光，但不能太強，一般光強控制為2 000~18 000 lx，根據不同蔬菜的不同階段進行調節，可通過系統控制遮陽網、職位補光燈進行控制和調節。

3.3 通風控制

蔬菜栽培過程中對空氣流通控制很重要，室內應保持良好的通風狀態，防止蔬菜爛根、病蟲害發生及落花等，可利用系統對風機控制實現，但當蔬菜對溫度、濕度和通風的要求有沖突時，應以主要因素為主，進行合理的通風控制。

3.4 水肥一體化管理

不同蔬菜對于肥要求不同，如葉類蔬菜需要將水肥灑于葉片，根類蔬菜需要將水肥滴灌于根部；另外，蔬菜在不同生長階段對液肥濃度要求有所不同，需根據系統預設的邊界條件按需施肥。滴灌澆水根據土壤的濕度邊界參數設置。

3.5 質量安全追溯管理

系統將蔬菜栽培過程中不同生長的階段的參數和視頻數據進行特征性組合，形成蔬菜栽培階段性文字、圖像和視頻的融合資料，同時系統支持實時視頻，無死角隨機查看蔬菜基地的實時栽培過程，確保蔬菜栽培的質量安全性。

4 現場應用

長沙市蔬菜科學研究所對蔬菜栽培進行多年研究，取得許多突破性成果。為進一步加強蔬菜栽培研究信息化管理、建立設施蔬菜高效栽培研究模型，長沙市蔬菜科學研究在長沙市農業高科技中試基地進行4 hm2以上的蔬菜栽培物聯網試點，構建設施蔬菜高效栽培物聯網系統，如圖3所示，建設基地水肥一體化節水灌溉管道網，按蔬菜分類區分地塊布置物聯網監測控制節點和高清視頻監視點，由物聯網平臺管理中心對各節點進行統一監測和控制管理，實現遠程管理中心、遠程客戶端、手機APP移動端等終端對基地各監測控制節點和高清視頻點的實時監測、遠程控制和視頻瀏覽等。

圖3 設施蔬菜高效栽培物聯網系統主界面

設施蔬菜高效栽培物聯網系統運行以來，收集了辣椒、絲瓜、苦瓜等多種蔬菜栽培環境和土壤參數，并根據預定的專家控制參數進行水肥一體化滴灌控制，對大棚的天窗、內外遮陽網、風機、水簾、植物補光燈進行自動控制，實現環境溫濕度、光照和通風的有效調節，形成蔬菜栽培階段性質量安全追溯系統；節約栽培人工成本約45%，節約栽培水肥成本約35%，信息化管理達80%；并構建設施蔬菜高效栽培模型，已取得初步成效。設施蔬菜高效栽培物聯網系統設計合理，運行穩定可靠，具備工程實用性和可操作性，可推廣使用。

5 結論

基于物聯網技術的設施蔬菜高效栽培是設施蔬菜栽培發展方向，有利于信息化管理、自動化控制和設施蔬菜高效栽培建模，根據本研究得出如下結論。

①系統實現設施蔬菜栽培過程中的水肥一體化滴灌自動控制、環境調節自動化控制，節約勞動力成本約45%，節約水肥成本約35%，經濟效益顯著。

②構建設施蔬菜高效栽培信息化管理，分析統計各種蔬菜對環境要求的量化指標，統計蔬菜高效栽培全周期的用工、用肥、用水情況表，便于蔬菜高效栽培的技術指導。

③構成設施蔬菜高效栽培模型，研究環境、土壤、水肥、微金屬等因子對不同蔬菜在不同生長階段的影響程度，量化蔬菜高效栽培邊界參數，不斷優化專家決策參數。

設施蔬菜高效栽培物聯網系統模式使設施蔬菜栽培資源的利用更加信息化、自動化，實現了節水環保，充分體現了在現代農業研究應用中節水環保的新要求，對建設環境友好型的現代設施蔬菜高效栽培產業模式具有重要意義。