“智慧農業”在辣椒種植中的應用

河南省農業遙感監測中心 韓建征

我國是世界農業大國，農業生產的重要性對我們來說不言而喻。隨著科學技術的發展，中國農業的發展正在朝著“智慧農業”的方向發展，所謂“智慧農業”就是利用現代科學技術成果，集成農業物聯網、5 G、人工智能、遙感、大數據等，實現農業可視化遠程控制、遠程診斷、災害預警等智能化管理。

隨著“智慧農業”的推進（見圖1），我國辣椒產業也在快速發展，栽培技術不斷提高，種植面積也越來越大。雖然辣椒種植面積位于蔬菜作物的第二位，但是其產值和效益仍高居蔬菜作物的第一位。目前，關于辣椒種植的研究主要集中在傳統的辣椒種植技術等方面，而關于智慧農業相關管理技術在辣椒種植中的研究鮮有報道。為了更全面地了解“智慧農業”相關技術在辣椒種植過程中的應用，本文以河南省臨潁縣辣椒現代農業產業園（簡稱“產業園”）為例，產業園以辣椒為主導產業，辣椒種植總面積0.72萬hm2，其中5 G智慧辣椒種植基地近0.13萬hm2。本文詳細介紹了“智慧農業”相關管理技術中物聯網、5 G、人工智能、遙感、大數據等在產業園區辣椒種植過程中數據采集、計算、監測、傳輸以及定位等問題中的應用情況。

圖1 智慧農業田間智能化管理場景

一、物聯網在辣椒種植生產中的應用

（一）物聯網的概念

物聯網是指通過傳感設備，實現物物之間相互聯合的互聯互通的網絡，是互聯網技術的延伸，被稱為第三次信息技術革命。物聯網技術可以將農業生態中的各種個體融為一體，具有對需要檢測的農作物各個時期各種問題進行智能化識別、定位、跟蹤、監控等功能。關于物聯網在農業中的應用，宋艷等人詳細介紹了物聯網技術在農作物種植環境智能化管理、環境監控等方面的應用情況；李道亮等詳細概述了農業物聯網技術在物聯網架構與標準化、農業信息感知技術、傳輸技術、處理技術等方面的研究進展以及農業物聯網技術集成與應用。

（二）物聯網在辣椒種植中的應用

由圖2可知，辣椒在種植過程中環節比較復雜，由于傳統的辣椒種植模式受種植條件的限制，需要消耗大量的人力、財力和物力。最主要的是，在人工種植過程中避免不了種植誤差的存在。而物聯網在辣椒種植過程中應用之后，在各個環節作業時能夠實現精細化、智能化、高效化管理，能夠將誤差縮小到最低，大大提高辣椒的產量和品質，同時也提升了辣椒種植的經濟效益。在此基礎上也形成了以下幾個控制系統：

圖2 辣椒種植流程

1.自動化控制系統。在聯動溫室辣椒育種期間，通過物聯網智能設備探頭收集聯動溫室內環境溫度、濕度、光照等環境因子參數，參考事先設定好的數值，一旦出現偏差系統就會自動啟動水簾、風機、燈帶等設備，從而改善聯動溫室內環境，將其控制在預先設定范圍內。

2.水肥一體化管理系統。水肥一體化管理系統是將水和用肥有效結合起來的系統，它實現了辣椒種植過程中的肥水管理智能化控制，在辣椒種植過程中的幼苗期、始花期、盛花期、果實膨大期、成熟期等各個環節需要不同程度地補充氮肥、磷肥、鉀肥、鈣肥。在此期間，通過土壤監測儀、氣象墑情監測儀、植物營養監測儀等物聯網智能設備對每個環節中的的土壤、環境、水質、植物營養等數據進行實時監控和記錄，通過比對事先設定好的各項元素含量參數，一旦監測數據出現變化，水肥一體化管理系統便會進行智能化控制啟動補充。該系統相對于傳統大水漫灌模式，實現了水肥管理的定時、定量、省時、省人工，大大提高了作業效率。使用水肥一體化管理系統可以節水80%以上，節肥50%以上，節省人工成本90%以上，每667 m2在水肥藥成本上節省500元以上，大大減少了辣椒的種植成本。

3.田間“四情”監測系統。在辣椒以往的種植過程中，針對田間“四情”，一般都是采用經驗進行管理，在病蟲害防治、灌溉、用肥用藥等方面都是以經驗為主，缺乏科學的管理，從而造成用藥和灌溉等環節投入成本較大。而引入多功能氣象站、微型氣象儀、智能蟲情測報燈、土壤墑情檢測儀等物聯網監測設備后，通過對土壤含水量的測定、病蟲害的區分預警、氣候環境的監測、苗情的長勢監控，做到了可以精確測算何時防范病蟲害、何時用藥、何時灌溉等。通過“四情”監測系統，使辣椒種植更有成效、更有產量、更有品質。

4.高清視頻監控系統。在5G智慧辣椒種植基地內，通過對基地采用定點24 h實時監控和無人機定期全基地無死角監控。通過高清攝像頭對基地內實時圖片進行抓拍以及現場視頻直播，利用視頻圖像和防盜周界電子圍欄對非法闖入進行預警。同時，無人機也可以對基地內出現的病蟲害及雜草進行識別，做好上述情況實時監測，一旦出現問題，將配合其他系統，實現農藥定點定量噴灑。同時，該監控系統也可以與病蟲害、墑情、作物長勢情況等系統進行聯動結合，采集到的相關數據上傳大數據平臺進行備份和智能化分析，實時對基地內的辣椒種植情況進行監控和預警。

5.質量溯源管理系統。隨著居民消費水平的日益提高，人們越來越關注食品的質量問題，食品質量安全已成為政府和消費者關注的熱點問題。物聯網技術的應用能夠實現辣椒“從農田到消費者”的全程可追溯信息化管理系統。這個系統以辣椒產品為主線，二維碼技術為手段，可以對辣椒種植過程中的施肥、打藥、采收、加工、流通、成品實行自動識別、記錄和監控，實施全透明的管理，在生產中預防、發現和及時改正錯誤，事后也可以對產品進行追溯，清晰查詢到產品的真偽、去向、存儲、工序記錄、生產者、質檢者和生產日期等信息，進而分析出不良產品產生的原因。該系統建立“一批一碼”，保證讓消費者真正購買到放心的辣椒產品，確保食品質量安全。

二、5G在辣椒種植生產中的應用

（一）5G概述

5G是第五代移動通信技術，其主要優勢就是提高了移動設備中數據的傳輸速率，減少了網絡應用過程的延遲，總體網絡環境速率相當于4 G的100倍。另外，它支持多接口連接設備，有效解決了農村偏遠地方信號差、網絡慢的情況。隨著5 G時代的到來，我們農業的信息化建設迎來了進一步的發展機遇，進而衍生出了“智慧農業”，通過移動平臺或電腦平臺對農業生產過程各個環節進行全方位的控制。

（二）5G在辣椒種植中的應用

在辣椒傳統的種植過程中，種植管理各個時期都要消耗大量的人力，并且種植效率有限。基地自從引入了5G技術后，大大提高了種植的實效性。在5G技術的幫助下，通過引入各種傳感器，辣椒種植實現了遠程監測土壤溫濕度、遠程在線采集土壤墑情、酸堿度、水分、氣象信息等，實現了農田“四情”的實時自動預報、報警、水肥一體化控制系統自動決策、遠程自動控制基地各種設備等功能，并且最終將數據反饋給技術人員，實現了辣椒種植的精細化管理，大大提高了辣椒種植的效率。在種植基地，每667 m2平均效益比傳統種植提高了25%，做到了1人管理33.33 hm2辣椒地，有效節約了人工成本。

三、人工智能在辣椒種植生產中的應用

人工智能（AI）是一個以計算機學科為基礎，多種學科交叉融合的一種用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的新的技術科學。AI技術已廣泛應用于醫療、保險、教育等行業。目前，AI技術在農業中的應用也越來越廣泛，關于人工智能在農業中應用，張治玲詳細介紹了AI技術在作物灌溉、病蟲害識別等方面的應用情況；劉雙印等詳細介紹了AI技術在農作物選種、土壤成分分析、農田灌溉用水分析、農作物采收等方面的應用。

（一）人工智能在機械化升級方面的應用

在機械化升級方面，通過引入人工智能辣椒噴灑植保機，采用無人駕駛技術，精準導航軌跡設定，在辣椒不同的生長周期可以進行除草、殺蟲，噴灑自動控制。與傳統的打藥相比，每小時可以噴灑農藥0.86 hm2，比傳統打藥的效率提高10倍，大大降低了人工成本，提高了作業效率。通過引進人工智能無人駕駛辣椒直播機，推廣直播技術，有效免除了育苗環節，每667 m2在移栽環節可以節省200元以上，大大減少了人力投入，提高了種植效率。機械化直播每天可達4 hm2，同時地膜和滴灌帶的鋪設一次性完成，與原來的人工鋪設相比，效率提高了80倍以上。

（二）人工智能在病蟲害防治方面的應用

在病蟲害防治方面，安裝物聯網太陽能殺蟲燈、智能蟲情警報燈、高清攝像頭、植保拍照無人機等設備后，物聯網設備自動完成蟲情信息的數據、圖像、植物體營養等信息的采集，并自動上傳至云服務器，后臺通過人工智能算法來分析和識別病蟲害，為辣椒提供實時的病蟲害識別和預警。人工智能配合其他技術應用到辣椒病蟲害防治上之后，辣椒每季可減少施藥50%以上，病蟲害造成的損失減少70%以上。

四、遙感在辣椒種植生產中的應用

（一）遙感概述

隨著中國航空航天技術的快速發展，北斗導航系統的建設完成，遙感技術在農業生產中得到越來越廣泛的應用，并且技術已經比較成熟。尤其搭載了物聯網技術、5G技術、大數據技術后，應用空間得到了極大的提升，在農業領域掀起了一場跨時代的變革。關于遙感技術在農業中的應用情況，張民詳細介紹了遙感技術在農作物長勢以及現代農業保險中的應用情況；劉紅松詳細介紹了遙感技術在農業調查、農業災害、病蟲害防治以及農作物估產方面的應用情況。

（二）遙感在辣椒種植中的應用

臨潁縣在辣椒種植過程中，通過在基地周邊配置由多功能氣象站、微型氣象儀、攝像頭、無人機等設備組成的監控網后，首先，能夠對辣椒各個時期的長勢情況進行實時、高效、精準監控；其次，可以對辣椒不同生長時期的生長環境進行實時監控，提前預防有可能出現的病蟲害；再次，對氣象災害也可以做到提前預警，提前防范；最后，通過物聯網系統把各個地塊在地圖上進行標注，通過GIS地圖建立數字基地、數字農田，實時監測辣椒的種植面積，使相關技術人員更能直觀地了解各區域情況，在此期間工作人員遠程可以實時查看各地塊情況，并不需要進入大田內，有效節約了巡邏時間。工作人員只需要點擊GIS地圖上的地塊標識便可以實時了解該地塊辣椒的長勢情況。遙感技術應用到辣椒種植之后，與傳統的種植相比，大大節省了時間、人力和資金投入成本，顯著提高了辣椒種植技術水平和經濟水平。

五、大數據在辣椒種植生產中的應用

（一）大數據的概述

隨著科學技術的快速發展，大數據成為一種新興事物，它不僅是新一代的信息技術，而且是一種新的服務業態。它主要通過信息感知技術、信息傳輸技術、信息應用技術三者有效結合，以集中匯總的方式進行分析和處理海量數據，讓人們能更直觀地對事物變化的趨勢進行了解。近年，大數據在農業中的應用越來越廣泛，高艷麗詳細介紹了大數據技術在農作物選種、精細化種植、農產品質量溯源等方面的應用情況；藍機滿等人詳細介紹了大數據與農業物聯網系統中的數據采集入庫、構建數據庫、智能控制等方面相互協助的情況。

（二）大數據在辣椒種植中的應用

大數據在基地與物聯網系統、5G技術、人工智能和遙感技術有機結合的背景下，通過對辣椒種植過程中往年記錄的溫度、濕度、光照等環境參數以及種植圖片等農田信息進行挖掘，構建相關數學模型，分析影響辣椒種植過程的影響因素。在后期的種植生產中不僅能夠將辣椒每個種植環節進行精細化管理，而且能夠對辣椒各種病蟲害、自然災害進行有效預警和防治。

大數據最重要的作用是它具有決策能力和專家遠程指導系統，在辣椒不同的生長階段，用戶可以選擇專家有針對性地進行在線提問、上傳圖片等，提問或上傳圖片后，專家會在第一時間在線上回復用戶的問題并進行用戶指導，并且可以通過網絡與用戶進行面對面交流，有效解決了由于缺乏專業種植技術而造成的經濟損失。

六、小結

綜上所述，通過物聯網、5 G、人工智能、遙感、大數據等技術在辣椒種植過程中有效結合，產業園實現了對辣椒種植生態環境數據實時監測、智能感知、智能調控和大數據分析，形成辣椒種植知識圖譜，使辣椒種植達到了數據化、網絡化、智能化管理，不僅促使產業園增產創收，而且提升了辣椒產業園的自動化、智能化和信息化水平，同時為辣椒加工、銷售等管理環節的的信息化提供參考和推廣作用。