智慧農業的綜合解決方案

潘林杰，張 東

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

我國傳統農業的兩大特點是低廉的勞動力和豐富的自然資源[1]，但是，隨著人力成本的不斷提高和科技生產的不斷進步，僅靠密集的勞動力已無法滿足現代農業產業發展要求，亟需加快由傳統農業向現代農業的轉型速度，而智慧農業便是當前農業發展的主流趨勢。依托互聯網、大數據技術，可實現農業生產智能化、數字化、生態化，從而提升農業生產的經濟價值。

1 國內外發展現狀

我國是果蔬花卉的生產大國和消費大國，除糧食作物外，果蔬花卉是栽培面積較為廣泛、經濟價值較高的作物。在社會發展日新月異的今天，人們對于生活質量要求越來越高，食品安全問題已成為人們的熱點話題，綠色有機食品的市場不斷擴大，果蔬花卉的種植種類及規模均呈上升態勢，且單畝產出也提高不少。2008年，全國果蔬花卉播種面積1 785.6萬hm2，總產量逾59 240萬t；2016年，全國果蔬花卉播種面積2 166.9萬hm2，總產量逾80 005萬t。果蔬花卉種植結構也發生了變化，由原有的以量取勝逐漸向效益導向轉變。但與國外發達國家相比，總體上仍存在較大的差距，如智能化應用水平較低、大棚等基礎配套落后、土壤和水污染嚴重、單位土地出產率較低、質量安全隱患突出、標準化體系不完善等。

以荷蘭、日本等國為例，其采用專用設施栽培果蔬花卉，全自動或半自動專業設備的應用貫穿整個生產過程，從育種、播種到收獲采摘高度實現專業化、機械化和集約化。同時，國外發達國家從土壤、水源、空氣等多種角度考評農業環境等級，控制化肥、農藥用量，節約土地和水資源使用。食品安全方面，美國和新西蘭等國家從果蔬花卉種植到銷售的各個環節都有明確的安全規定，生產者必須建立并提交相應的產品生產技術檔案。十分注重產學研緊密結合，實用性的先進科研成果投入實際生產中，在生產中驗證科研成果并完成改進，從而實現螺旋式發展。

2 社會價值

我國果蔬花卉產業總體發展態勢良好，智慧農業的應用對于我國城市供給、果蔬花卉生產、保障人民生活和維護社會穩定具有重要應用和示范意義。

1）節能環保，建設綠色農業。通過物聯網、云計算、人工智能以及系統集成技術建立一種環保、生態、資源節約型農業；通過精細化種植手段，降低對化肥和農藥的依賴程度，減少環境污染；通過對土壤及作物的動態監測及先進澆灌技術，提升水資源的利用效率。

2）智能裝備，提高生產率。互聯網和城鎮化的發展導致我國農業勞動力緊缺、勞動力老年化嚴重，利用計算機、移動互聯網、自動化技術和智能裝備等提高生產機械化和自動化水平，降低勞動強度，提高新技術應用水平，增加勞動產出效益。管理人員無論身在何地，都可遠程掌握現場情況。

3）精細管理，促進標準化和規模化。對農業生產過程進行量化建模[2]，定期采集氣象條件數據及農作物生長發育狀況、病蟲害、水肥狀況的生長因子，構建作物生長模型，形成標準化種植方案，形成標準操作流程，建立疑難問題數據庫，通過云計算輔助分析，實現輔助生產者作出決策，實現數字化農業生產和管理，同時方便規模化推廣。

4）專業知識，增強生產保障。決定農業生產的因素往往有很多，如土壤、空氣、天氣變化、日照時間、作物品種、設備條件、技術措施等。農業生產系統表現為顯著的時空變異性、較大的區域差異性和分散性，較低的穩定性和可控性，傳統的生產管理以定性或半定量的經驗知識為主。智慧農業可通過專家系統給予生產預警、知識檢索和疑難會診等措施保障生產。

5）全程追溯，保障食品安全。從種子培育直至最終采摘質檢，實現產品的投入品、田間作業、加工和運輸過程全程記錄，確保可回溯查詢。整個過程透明可視，消費者或監管部門能隨時切入生產環節，了解生產情況，避免數據造假，提高公信力。

3 智慧農業物聯網架構

智慧農業物聯網架構可分為四層。第一層為感知層，第二層為傳輸層，第三層為應用層，第四層為用戶層。網絡體系結構如圖1所示。

圖1 網絡體系結構Fig.1 Framework of the Internet of Things

1）感知層。通過光照傳感器、土壤溫濕度傳感器、酸堿值傳感器、二氧化碳濃度傳感器、風速傳感器、風向傳感器、雨量傳感器等來獲取作物信息[3]。通過射頻識別（Radio Fre-quency Identification，RFID）技術，實現非接觸式自動識別。

2）傳輸層。傳輸層是整個物聯網的中樞，可選擇3G/4G網絡、WiFi網絡、Zigbee網絡、Lora網絡等多種網絡實現對感知層獲取的信息的傳遞和處理。

3）應用層。系統在應用層實現與用戶的對接，與用戶實際需求深度結合，從而實現智能農業系統的多種實際功能。

4）用戶層。用戶層是系統的使用人群，包括農業生產者、政府監管部門、遠程專家、流通領域人員和消費者。

4 智慧農業綜合解決方案

智慧農業綜合解決方案主要由溫室自動化控制系統、環境智慧感知系統、水肥一體化系統和種植專家系統四部分組成。系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構Fig.2 System structure diagram

4.1 溫室自動化控制系統

溫室的自動化控制主要由兩部分組成，第一部分是溫室的自動化設備，包括通風系統、遮陽系統、降溫系統和補光系統；第二部分是智能化中央控制系統，可以集成控制溫室內所有自動化設備，實現遠程智能化控制。

1）通風系統。溫室工程室內外氣體流動交換的過程，主要目的是調節溫室工程內空氣濕度、二氧化碳濃度、室內溫度以及排出有害氣體，達到最適宜溫室內種植作物生長的環境條件。自然通風系統需安裝電動卷膜機以控制溫室天面及側面窗口開合，同時布置風機進行強制通風。

2）遮陽系統。遮陽系統即起到遮擋陽光的作用，在夏季高溫天氣，一般可降低溫室內溫度7℃左右；冬季嚴寒天氣中，遮陽系統由于自身保暖作用，可進一步降低能耗，減少升溫所需能源使用，相比未安裝遮陽系統的大棚，溫度可提高6℃～7℃[4]。

3）降溫系統。溫室降溫系統一般采用通風降溫、遮陽降溫（內遮陽、外遮陽、側遮陽）、蒸發冷卻降溫（風機濕簾系統、噴霧系統）等方式[5]。

4）補光系統。采用熒光燈、高壓鈉燈等設備，根據作物生長光周期需要，一是抑制或促進花芽分化，人為介入，調節作物的開花時間；二是促進作物光合作用，促進作物生長，彌補太陽光照的不足。

5）智能化中央控制系統集成。智能化中央控制系統可實現現場的集中控制及遠程控制和自動化控制，結合種植專家系統實現無人化植物工廠。

4.2 環境智慧感知系統

環境智慧感知系統主要是對種植環境的氣象、土壤、水和作物長勢等的信息自動感知和監測，實現數字化農業，已精準數字代替人工感受和經驗。

1）室外自動氣象站。通過氣象監測設備，針對室外風速、風向、雨量、空氣溫度、空氣濕度、光照強度、光照時間、大氣壓力、PM2.5等環境要素進行全天候現場監測[6]，同步上傳平臺記錄，可實現實時曲線分析。

2）室內環境監測站。室內環境監測站主要采集溫室內影響作物生產的環境因子數據，包括土壤及空氣溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等[7]，以及觀察作物生長態勢的視頻系統。

3）病蟲害監測。通過光、聲、味等多種信號，對害蟲進行引誘，利用電擊等手段有效滅殺病蟲。同時采集蟲情數據，上傳智慧平臺，統計分析多年病蟲害發生時間、種類、規模，從而實現事前警示預防，降低病蟲害危害。

4.3 水肥一體化系統

水肥一體化系統是將澆灌用水與肥料混合后統一輸送至作物根部的一種新型農業技術。根據不同作物不同時期的不同需求，可以設定實現自動配備不同比例及成分的混合水肥，按需補給，實現作物全生育期智能管理。

4.4 種植專家系統

種植專家系統將專家經驗整理錄入專家知識庫，也可以通過數據挖掘等技術豐富和擴充種植知識庫，知識庫能存儲大量的種植理論和實踐知識。用戶可以直接查詢相關關鍵字獲取知識，可以按系統生成的規則獲取，還可以在線咨詢專家。

5 結束語

智慧農業可以促進農業生產方式的轉變，實現高效利用各類農業資源和改善環境的目標，更大程度地挖掘有限土地資源的農業潛力，同時全程追溯食品安全，確保生產過程環保節能，實現現代農業可持續發展。隨著城市化程度的進一步提升，農業用地仍將呈現逐年遞減的趨勢，農業生產將會更加重視其產出效率，智慧農業逐漸將取代傳統農業。