淺談物聯網技術在草莓無土栽培中的應用

吳小李 吳竹 李宏亞 張中華*

（1 上海華維可控農業科技集團股份有限公司，上海 201505；2上海節水灌溉工程技術研究中心，上海 201505） *為通信作者

草莓含有多種氨基酸、微量元素、維生素等，具有調節人體免疫功能、增強人體免疫力的作用，是我國消費者較為喜愛的水果之一[1]，目前在我國山東、遼寧、北京、河北、安徽、四川等地的中性土和微酸性土中均有種植。

草莓傳統種植技術對土壤、溫度等環境因素的要求較高，無法重茬種植，且容易造成土壤養分流失，而當前草莓的市場需求日益增加，故無土栽培成為草莓產業的發展趨勢[2]。無土栽培技術（Soilfree cultivation technology）是智能溫室中常用的一種生產栽培技術，該技術集生產、技術推廣應用、觀光等功能于一體，綜合應用了現代農業生產技術，集成應用了先進的農業裝備（智能玻璃溫室、無土栽培系統、智慧水肥一體化系統、物聯網系統等），故該技術有助于提高農作物產量，降低病蟲害發生概率，保障農產品安全，實現農產品綠色生產，增加經濟收益[3]。

物聯網（The Internet of Things，IOT）可通過各種信息傳感器、射頻識別技術、全球定位系統、紅外感應器、激光掃描器等，實時采集聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種信息，并通過網絡實現物與物、物與人的泛在連接，實現對物品和過程的智能化感知、識別和管理[4]。

近年來，隨著我國經濟的高速發展，農作物種植過程中的精準管理、智能化應用水平不斷提高，將物聯網技術與無土栽培技術相結合成為現代農業發展的必然趨勢。在此背景下，筆者在浙江省嘉興市嘉善縣魏塘基地進行了物聯網技術在草莓無土栽培中的應用，最終取得了較好的應用效果。現將相關技術構成和應用效果進行總結介紹，以供廣大種植戶參考借鑒。

1 物聯網技術在草莓無土栽培上應用的技術構成

1.1 農抬頭智慧農業云平臺

農抬頭智慧農業云平臺是一個基于云平臺技術，集智能感知、控制、執行于一體的綜合管理平臺。該平臺采用“5+N”的系統架構（即一套網、一張圖、一個中心、一個平臺、一個門戶和N 個應用），將整個園區的信息集中到一張圖上展示、分析和控制，實現統一管理和統一控制[5]。

農抬頭智慧農業云平臺可提供的服務包括：（1）開發并支持融入多種類型的聯網硬件設備。（2）讓客戶可以便捷、高效、低成本地使用物聯網設備，且保密性強。（3）提供端到端（end-to-end）的整體解決思路，包括從硬件到APP 端及上云服務。（4）系統在感知端通過農抬頭物聯網網關與具體傳感器[空氣溫度（濕度），土壤溫度（濕度），二氧化碳，照片、視頻等]通信連接，具體連接方式可選有線、無線（ZigBee、LORA、NB-IOT、WiFi、藍牙）等方式。（5）通過農抬頭智能傳感采集中間件，系統可以同時與若干個物聯網網關相連，并通過加密傳輸方式，將采集的各區域傳感器數據上傳到平臺并儲存。

用戶通過農抬頭智慧農業云平臺，不僅可以實時查看園區內的環境數據，還可以遠程遙控園區內的設備開關。具體操作流程為：當平臺接收到控制指令時，指令會匯集至農抬頭控制端路由系統，由路由系統查詢到被控端的具體位置，同時向遠程控制系統發送具體控制指令，最終農抬頭遠程控制系統將控制指令分發至各區域的智能控制設備，然后指令進入實際執行端。執行端由具體執行設備和智能控制模塊組成，當執行端接收到具體控制指令時，先由智能控制中間件將指令下發至目標智能控制模塊，然后由控制模塊驅動目標設備做出相應的動作，最終完成一整套智能控制流程。

1.2 農業數字化功能軟件系統

農業數字化功能軟件系統負責整個項目數據的匯總、計算、分析、處理、顯示、存儲，同時負責下達指令、人機交互、監管系統運行狀態、處理應急響應等，其中，基礎云平臺是整個農業數字化功能軟件系統的核心。農業數字化功能軟件系統通過整合并建設統一標準的應用服務系統，實現了信息和數據的共享，打通了數據鏈、信息鏈、業務鏈和管理鏈，發揮了信息系統的綜合效益。農業數字化功能軟件系統按照“技術體系統一、運行環境穩定、安全措施達標、數據大腦引領、服務門戶唯一”的思路，運用云計算、大數據、物聯網、新一代通信網絡等技術構建平臺，建設了具備智能感知、控制、執行端為一體的系統方案。

1.3 智慧傳感器采集系統

智慧傳感器采集系統運用新一代通信網絡、云計算、圖像識別、VR 等先進技術，實現了農作物種植生產數字化傳輸、存儲、展示、分析等，減少了病蟲害的發生，提升了農作物的產量與品質。同時，智慧傳感器采集系統能全面了解無土栽培草莓的根系分布和植株生長情況，及時掌握水、肥、氣、光、熱、濕等環境數據。此外，智慧傳感器可作為控制條件，當傳感器數據達到預設值時，設備會自動開啟或者關閉，開啟時設備具有順序選擇功能（即可自定義優先開啟某設備，然后開啟某設備，直到所有設備全部開啟）。

2 物聯網技術在草莓無土栽培上的應用

2.1 基地概況

魏塘基地位于浙江省嘉興市嘉善縣魏塘街道雙創園內（雙創園面積為3.0×105m2），魏塘基地的數字化作物工廠分為兩個區域，總面積為9 600 m2。為打造“設施+數字”的可控農業模式，讓智慧農業從云端落到地頭，雙創園打造了可控農業“1+X”的產業集群，全力推動雙創田園示范區建設。

2.2 品種選擇

草莓品種選用易種植、抗病性強、果實品質優良、豐產的品種（如‘櫪乙女’‘阿爾比’‘章姬’‘彌生姬’等）。草莓種植采用天瀑式無土栽培，具體栽培設施和材料包含栽培槽、升降系統、水肥一體化系統、專用基質等。

2.3 物聯網技術的應用

2.3.1 環境信息的感知與傳輸

物聯網的感知層由各種信息和數據采集層以及傳感器設備組成，通過布設的傳感器對無土栽培環境中的各項參數進行采集，并通過5G、Lora、藍牙等無線或有線通信方式進行信息數據的傳輸。其中，信息和數據采集層通過溫度（濕度）傳感器、pH 感應器、營養濃度感應器、攝像頭、紅外線等傳感器來感知和采集無土栽培設備中的溫度、濕度、pH 以及營養液濃度，并將采集到的數據、視頻或物理量轉化為相關信息。另外，自組織傳感器網絡采用數字鏈路的編碼、調制和解調技術來實現局域網內的傳感器及傳感器節點間的數據傳輸，并基于網絡、流量管理、路由等技術，實現各節點間的自組織與協調互通[6]。

2.3.2 環境指標的調控

草莓在不同生長發育階段需要不同的環境指標，故需要對溫室的天窗、遮陽網、風機、濕簾、空氣濕度、灌溉量等進行調控。農抬頭智慧農業云平臺可設定不同的環境指標控制方案。例如，當溫度達到一定數值可開啟或關閉保溫棉；當濕度達到一定數值可打開或關閉天窗（或啟動迷霧系統）；當光照強度達到一定數值可開啟或關閉遮陽網等。同時，農抬頭智慧農業云平臺具備多種水肥一體化控制模式，有手動啟動、定時啟動、按條件啟動、多因子啟動等多種控制模式，種植技術員可根據現場條件及相關種植經驗靈活選用。例如，日出前按順序設定不同閥門進行自動灌溉；根據基質濕度傳感器設定的上下閾值進行自動灌溉；根據太陽輻射累計量進行智慧灌溉等。且所有方案的啟動和執行結果均以信息的方式通知技術人員，以便于技術人員進行管理和控制。

2.3.3 視頻監控

通過布置的360°旋轉高清監控攝像頭及高清相機對種植現場進行監測，可實時對草莓的生長環境、植株長勢、植保活動等情況進行查看，且相關視頻可進行回看和導出保存。另外，在線視頻監控系統可與溫室環控調節、水肥一體化、農事管理、預警預報等系統相結合，在監控中心、PC 端或移動端即可實時查看生產現場的視頻畫面以及農機的運行狀態。

2.3.4 數據收集、查詢、分析

通過布設的傳感器，可將各種數據傳輸到平臺，并自動整理形成曲線或圖表，供相關技術人員查詢、診斷和分析（可根據需要，形成同一類型不同時期的曲線、同一區域不同要素的展示圖表等，便于操作者查看和判斷）。收集和查詢的數據包括：（1）溫室內外的小環境氣候數據，包含空氣溫度（濕度）、光照強度、二氧化碳濃度、土壤溫度（濕度）、營養液濃度和pH 等。（2）各種設備的開關狀況、事件、報警信息及各種歷史操作記錄。

數據分析是基于以往存儲的各類數據信息，對系統發出的報警、預警進行分析，提出相關解決方案，并以信息的方式通知種植管理人員。同時，篩選草莓在產量和品質較好生長情況下的環境數據、水肥配比等，依此為草莓生長模型研究提供依據。

2.4 應用效果

2.4.1 增加效益

在草莓生產上運用物聯網技術和無土栽培技術，可為草莓生長提供可控的環境條件，從而減少外部環境元素的干預，減輕病蟲害的發生。例如，草莓傳統栽培經常有根腐病、炭疽病等發生，植株成活率一般在80%左右，而采用無土栽培后，病害發生程度明顯下降，且種植密度較傳統栽培提高了10%～20%，生態效益顯著。同時，新型溫室無土栽培技術在傳統栽培的基礎上，通過運用物聯網技術，在草莓不同生長發育階段提供了所需的水肥配方，創造了適宜草莓生長發育的環境，提高了草莓的產量和品質，獲得了更高的經濟效益。此外，在草莓生產上運用物聯網技術和無土栽培技術，提高了草莓種植基地的信息化水平，社會效益顯著提升。

2.4.2 節約成本

通過物聯網技術的運用，草莓種植戶可以通過手機APP 或PC 端查看各種環境數據，并通過設定的程序自動進行相關環境指標調控等，降低了勞動強度，減少了勞動投入，提高了生產效率，節約了成本。

2.4.3 推進農業綠色發展

在草莓生產上運用物聯網技術和無土栽培技術，通過集成應用先進的農業裝備，進一步釋放了生產潛能，保障了草莓生產安全及產品質量安全，有利于推進農業綠色發展。

3 結束語

將物聯網技術應用于草莓無土栽培中，不僅可以實現草莓生產的增產增量，緩解供需不平衡的問題，而且能解決勞動力的成本高和老齡化嚴重問題，適合草莓規模化種植的需要。未來隨著我國信息技術的高速發展，物聯網、大數據、云計算等先進技術將繼續在農業場景中得到快速應用和示范，從而能進一步優化農業產業結構，加速產業轉型升級，提高農業生產機械化、自動化、信息化、智能化、規模化、集約化水平，促進我國農業持續、高效發展。