農業物聯網技術在溫室大棚生產中的應用進展

葛禮姣，程玉靜*，仇亮，王小秋，翟彩嬌，丁曉衛

(1.江蘇沿江地區農業科學研究所，江蘇 南通 226012；2.江蘇超數信息科技有限公司，江蘇 南通 226004)

隨著互聯網、移動通信技術、傳感檢測技術和計算機通信技術的飛速發展，物聯網技術逐步形成，并受到社會廣泛關注[1-2]。物聯網指通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統(GPS)等感知設備，把標的物的各項所需信息進行采集，與互聯網結合形成的一個巨大網絡，通過網絡進行信息交換，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理等，其實質是依托互聯網技術，將人與人之間的信息交流擴展到了物與物之間[3-4]。物聯網是繼互聯網和移動通信之后的又一次信息革命浪潮，也是社會經濟發展到現階段的必然要求[5]。

我國是典型的人口大國，民以食為天，農業生產是人口大國的命脈，保障我們日常生活所需，支撐我國經濟的穩定發展。當前，城鎮化導致土地資源日漸縮減，農村人口大量向城鎮轉移，務農人口減少，無法繼續維持傳統農業勞動密集型的生產方式，因此，亟需利用智能化和自動化技術來提高農業種植產量和效率[6-8]。現階段，我國正努力從傳統農業向現代智能化農業轉型，農業物聯網作為一項新型信息化集成技術，通過各類傳感器實時掌握室內的光照、溫度、濕度、CO2濃度和土壤信息，及時應對環境做出適合農作物的變化，可實現作物生長環境的最優控制，使設施農業更加精準高效，轉變傳統的農業生產方式和農業管理模式，減輕農民勞動壓力，降低農業生產成本，提高生產效率，對農業的可持續性發展意義重大，在溫室大棚生產中有著十分廣闊的應用前景[9-11]。近年來，我國將物聯網列為國家重點發展戰略性新興產業之一，以期加快高效高產的現代農業發展進程。本文擬通過對農業物聯網技術在溫室大棚中的國內外應用現狀、關鍵技術、應用方法和存在的不足進行分析，為農業物聯網在溫室大棚中的實踐應用提供參考。

1 農業物聯網技術的發展與應用概況

1.1 國外農業物聯網技術的發展與應用概況

物聯網的概念最早在1999年，由美國Auto-ID研究中心的Ashton教授在物品編碼、RFID技術和互聯網的基礎上提出。2005年21世紀全球信息社會峰會上，國際電信聯盟對物聯網的概念進行了擴展，提出增加傳感器、模糊識別和智能終端等技術的應用，正式定義了物聯網概念、技術及應用前景[5，12]。此后，隨著各國政府對物聯網技術的政策支持和高新技術企業的迅速發展，物聯網的內涵不斷被豐富完善，并滲透到各個行業領域中。

自20世紀90年代起，美國、日本、以色列、荷蘭等發達國家就開展了農業與物聯網技術相融合的研究，并取得一定成果，其農業信息化已處于世界領先水平。其中，大農場在美國農業物聯網技術推廣中起著引領作用。研究顯示，美國超80%的中大型農場均已應用物聯網技術實現智能化生產。同時，美國政府每年用于農業信息網絡建設方面的投資約為15億美元，已建成當前世界上最大的無線傳感器網絡基地、農業計算機網絡系統AGNET和強大的農業技術信息庫，如生物科學情報社(BISIS)、美國國家農業數據庫(AGRICOLA)和FAO農業情報體系(AGRIS)等，人們可以通過互聯網共享農業服務信息資源[13-16]。與美國農業生產方式不同，日本以輕便型智能農業為主。2004年日本總務省提出U-Japan計劃，將推動農業物聯網發展作為核心內容之一，采用產業界、政府和學術界合作的科技發展體制協同研發農業物聯網技術。此后，日本政府不斷加強對智慧農業的扶持補助，截至當前，日本已有超出50%的農戶使用農業物聯網技術，大幅提升了農產品生產效率，有助于解決日本農業勞動人口高齡化和勞動力不足等問題[15]。以色列將滴灌技術與農業物聯網技術進行結合，開發出智能節水灌溉與施肥系統，運用物聯網技術把滴灌技術做到了極致，有效解決了沙漠地區農作物種植困境，進一步提高了農業集約化水平，實現由沙漠走向綠洲的跨越式發展[17-18]。1974年，荷蘭將計算機與溫室氣候控制系統相結合，邁出設施農業現代化生產的第一步。當前，荷蘭通過智能化設備調控溫室環境的農業生產規模已達1萬km2，基本實現全自動化無人管理，建成設施農業高效生產體系[18]。

1.2 國內農業物聯網技術的發展與應用概況

21世紀以來，我國積極推動農業自動化和智能化發展，大力提倡發展農業物聯網技術。2015年國務院印發《國務院關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》，提出要利用互聯網提升農業生產、經營、管理和服務水平，培育一批精細化、智能化、網絡化的現代種養加生態農業的創新模式，形成示范作用；在基礎良好、大宗農產品規模生產的區域，普及并構建農業物聯網測控體系。近年來，中央一號文件均將大力推動農業物聯網技術在農業領域中應用作為重要內容發布，2023年中央一號文件進一步明確了我國大力發展現代化設施農業的決心。文件指出要實施設施農業現代化提升行動，加快發展集約化育苗中心，集中推進老舊農業設施的改造，探索科學利用戈壁、沙漠等發展設施農業，并鼓勵地方對設施農業建設給予信貸貼息，為我國農業物聯網技術的發展提供廣闊的平臺。

我國農業物聯網起步較晚，自動化配套設施和技術遠遠落后于發達國家。早期，我國農業信息化智能大棚主要采用國外引進的方式，成本高、周期長、后續維護無法得到及時保證，并且由于沒有考慮到我國國情，引入的大部分設備的工作方式難以與我國傳統農業耕種方式相容，同時也由于國內缺乏相應的農業物聯網技術人員，導致進口設備引入后無法發揮功能，造成資源浪費。隨著我國無線通信技術、傳感器技術、大數據及云平臺等先進技術的不斷發展，國內高校及科研院所開始致力于開發適合本國國情和地勢的智慧農業系統，滿足我國現代化設施農業的根本需求。例如，李富善[19]設計了一套融合物聯網裝置和BP神經網絡預測算法的預測型土壤濕度測控系統，有效解決了青海地區傳統土壤濕度測控系統測量誤差大、測量過程受干擾程度大、灌溉不及時和灌溉方式原始等問題。針對大棚內影響果蔬生長的復雜參數，何嵐[20]通過分析環境參數溫度、濕度兩種之間的耦合關系，設計了帶補償的模糊PID控制系統，實現對大棚內環境參數的有效控制。劉澤楠[17]通過ZigBee-WiFi異構網絡的數據傳輸方式，實現無線傳感器網絡與云平臺的數據交互，生產者通過平臺在線監測溫室內環境參數變化，實現溫室內溫濕度的自動控制，有效解決了傳統溫室控制系統智能化程度不足的問題。同時，設計連接消費者與生產者的終端交互平臺，化解了生產者和消費者之間的信任危機。

2 農業物聯網系統結構及關鍵技術

農業物聯網技術體系主要分為感知層、傳輸層和應用層，每個層次行使不同的功能，通過有效組合完成整個農業生產過程[21](圖1)。

圖1 農業物聯網系統結構Fig.1 Structure of agricultural internet of things system

2.1 感知層

感知層在農業物聯網的層次結構中處于最底層，是物聯網識別物體、采集信息的來源。感知層的關鍵技術主要包括RFID技術、全球定位系統(GPS)技術、傳感器技術等。其中，RFID技術可通過射頻信號自動識別目標對象并獲得相關數據，常用于農產品質量溯源；GPS技術則是利用衛星全方位實時導航進行測時和測距，可實現對物體的精準定位，一般用于土地資源調查和農作物監測；傳感器技術利用智能傳感、視覺圖像、生化傳感等方法感知溫室環境信息以及作物生理信息，包括室內空氣參數、土壤環境、水肥條件、作物生長狀況以及病蟲草害等農業要素信息[6，22]。在現代化智能溫室的建設中，感知層是溫室控制系統的基礎，系統通過在感知層中布設環境采集節點，用于收集各種信息數據，將信息通過網絡匯集到數據處理中心進行決策后，接受系統控制中心的指示，實現對溫室的自動控制[23]。感知層的采集節點主要包括溫濕度等各種傳感器設備以及視頻監控設備，控制設備主要有風機、加濕器、加熱器、卷簾、遮陽網等。其中，傳感器的精度決定了整個物聯網系統的性能，在建設智能溫室時要求選擇高精度、耐高溫、耐高濕、耐腐蝕的傳感器設備。

2.2 傳輸層

傳輸層負責感知層與應用層之間的信息傳遞和交換，是農業物聯網的神經中樞。其網絡傳輸方式主要分為有線通信技術和無線通信技術。有線通信技術主要包括RS-232標準和RS-485標準。其中，RS-485標準是在物理層上對RS-232標準的升級，將RS-232標準的單根邏輯電平信號改為雙線的差分信號，提高了抗干擾能力[18]。其次，RS-232標準的最大傳輸距離為15 m，最大傳輸速率為20 kb·s-1，而RS-485標準的最大傳輸距離為1.2 km，最大傳輸速率為10 Mb·s-1，相比于RS-232，具有傳輸距離遠、速度快的優勢[24]。

當前，農業物聯網中應用最多的是無線通信技術，在溫室大棚中應用廣泛的幾種無線通信方式有Zigbee[25]、藍牙[26]、WiFi[27]、GPRS[28]、3G[29]、4G[30]、5G[31]、近場通信(NPF)[32]、紅外數據傳輸(IrDA)[33]。由表1可知，藍牙、IrDA、NFC和ZigBee技術為近距離通信技術，GPRS、3G、4G、5G和WiFi則為遠程通信技術[24，33-34]。通過對比，發現相較于藍牙、IrDA和NFC技術，ZigBee技術具有可靠性好、穩定性高、通信距離長的優勢。當下，基于ZigBee無線傳感器網絡技術的溫室環境測控系統是溫室環境測控的研究熱點[34-35]。遠程通信技術中，GRPS、3G、4G和5G技術比較靈活，網速依次提高，每臺需要聯網的設備需要配備一個SIM卡，每個月僅需為SIM卡繳費即可，但隨著聯網設備和網速的增加，總體價格成本也相對提升。WiFi技術價格相對便宜，僅需繳納固定金額，傳輸速度快，但極易受到建筑物影響，抗干擾性較弱。綜上，每種通信技術均有其優缺點，在設計溫室系統時，種植戶可根據自身的需求以及資金狀況選擇通信設備。

根據網絡功能的不同，可以將傳輸層網絡分為設備間互聯的網絡，設備與應用層互聯的網絡兩部分，在農業物聯網系統的構建中，通常將近距離無線通信技術和有線通信技術用于設備間互聯，遠程無線通信技術用于設備與應用層間的互聯。其中，以ZigBee技術將設備與設備進行互聯，WiFi技術將設備連接至應用層的ZigBee-WiFi異構網絡技術應用最為廣泛[17，24，36-37]。

2.3 應用層

應用層系部署在云端的智能控制平臺[38]，處于農業物聯網體系的最上層，其主要功能是對傳輸層提供的數據進行整理、儲存、顯示和分析處理，并結合農業知識做出判斷和決策，對各種農業設備進行遠程控制，起到數據處理、診斷決策和人機交互的作用[39]。在溫室大棚中，農業物聯網應用層關鍵技術主要包括云平臺技術和農業智能控制技術。

2.3.1 云平臺技術

物聯網云平臺是在一般服務器架構上進行修改，使之成為了具備物聯網服務功能的大數據處理中心，是物與物之間實現通信的橋梁和紐帶[40]。很多大型農業公司都選擇自己開發云平臺，從終端智能硬件到服務器，再到控制軟件，形成一套獨立的軟硬件系統，但開發難度較大，對于小型企業和農戶而言并不親民[41]。隨著云平臺技術的快速發展，不具云平臺開發條件的智能溫室使用者可采用供應商提供的云平臺服務進行終端數據的轉發、儲存和分析。根據提供服務的內容不同，云平臺服務可分為基礎即服務(Iaas)、平臺即服務(Paas)和軟件即服務(Saas)3種模式[17-18，42]。其中，Iaas指由云平臺服務提供商提供存儲、網絡等基礎服務；Paas指由云平臺服務提供商提供開發環境和硬件環境，用戶可以利用平臺設計、開發滿足自己需求的程序；Saas指由云平臺服務提供商直接提供軟件資源[43]。在設計現代化智能溫室時，云平臺供應商可根據用戶需求，將云平臺植入各種智能管控系統，為用戶提供存儲、分析、計算等復雜的網絡服務，用戶將感知層數據傳輸至云平臺后，僅需通過遠程PC或手機終端等移動設備訪問云服務器即可任意享用平臺服務，實時監測溫室大棚傳感器采集的數據，并發送指令到溫室自動化設備調控器中對溫室環境進行調控[44]。選擇成熟的開發平臺可以節省大量的時間精力，降低用戶的成本。當前國內開發較為成熟的云平臺如OneNet、騰訊云和機智云等已在農業物聯網中廣泛應用。孫忠祥[45]采用OneNet云平臺作為數據接收、儲存和轉發平臺，并在平臺上建立相關應用，通過PC在線或手機APP客戶端實現蔬菜大棚的遠程監控功能。溫建勝[46]基于騰訊云服務器，利用LabVIEW、VBSCRIPT和JAVASCRIPT進行服務器后臺數據處理軟件和頁面的設計，實現了系統對葉菜溫室環境因子數據的收集、解析以及用戶對溫室系統參數的遠程調控。汪曉樂[47]采用機智云為后臺監控平臺，并利用機智云提供的APP軟件，對溫室的溫度、濕度和光照等因素進行遠程查看與控制。用戶可以根據自身需求和價格預期進行云服務器的選擇。

2.3.2 農業智能控制技術

在設施農業物聯網中，農業智能控制技術指通過傳感器技術、計算機技術以及人工智能技術等自動調節溫室農業要素，使溫室達到農作物最優生長環境[48]。設施農業溫室大棚智能控制方法主要包括模糊控制法、神經網絡控制法及專家控制法。研究者們[49-51]將這3種方法的應用特點總結為：模糊控制知識可將豐富的種植經驗總結起來，把復雜的溫室環境變化規律簡單化，表達能力和推理能力強，無須建立精確的模型，但知識表達結構單一，只可實現對溫室環境的粗略控制。神經網絡控制是指利用計算機語言模擬人腦神經的決策方式，具有自學習能力，計算速度快，能夠適應復雜環境，但是結構和類型難以確定，無法保證結果的絕對正確性，算法易陷入局部最優。專家系統控制法的實質是根據農業專家提供的農業知識和經驗，運用計算機技術，對數據進行推理和判斷，得出最佳解決方案，優點在于對規則和推理過程的清晰、正確表達，缺點是不具備自學習能力，推理范圍狹窄，效率較低。由此可知，單一的控制方法各有局限性，無法滿足對復雜的溫室環境的智能控制，應將多種算法進行融合，從而實現對溫室眾多環境因子變量更有效的控制。目前，農業智能控制技術的研究方向主要為環境參數控制算法的融合創新。Atia等[52]通過對多種控制方法進行對比試驗發現，將模糊控制與人工神經網絡結合的自適應神經模糊控制算法應用于溫室系統，可以迅速響應環境溫度的變化，提升了溫室溫度控制系統的整體控制效果，達到了恒定室溫的目的。韋玉翡等[53]采用的模糊專家控制系統能根據番茄各生育期的環境因子最優值，對控制設施進行調節，促使溫室環境更趨于作物最佳生長環境，具有良好的控制效果。張濤[54]為彌補常規算法速度慢、預測準確率低的缺點，提出了廣義神經網絡算法，提高了中藥材生長環境診斷預測的準確性，實現了對影響中藥材生長的環境因素的實時監測和及時調整。

3 農業物聯網技術在溫室大棚中的應用

3.1 農業物聯網技術在作物各個種植階段的應用

根據作物生長習性和規律，在作物的不同種植階段應用農業物聯網技術可有效地提高作物生產效率、解放人力、降低生產成本。在作物種植準備階段，利用農業物聯網傳感器技術，科學采集并分析棚內的氣候條件和土壤條件數據，可篩選出適宜播種的作物種類，提高種植作物的成活率和品質。在作物生長階段，利用物聯網傳感器技術實時監測蔬菜生長的土壤水分含量、土壤肥力、環境溫濕度、光照情況等環境信息，為智能控制系統設定最佳環境參數閾值，當環境指標超出最佳環境參數范圍時，自動啟動空氣內循環系統，加熱系統、風機降溫系統、光照系統、以及水肥一體化系統的相關控制設備將環境指標調整到最佳狀態，隨后自動關閉控制設備，有效實現節能環保；利用超清監控攝像頭，隨時查看溫室大棚中作物的生長狀態，獲取相應的視頻監控圖像，可及時排除影響作物生長的不利因素；作物生長后期，利用傳感器和攝像頭設備采集數據，結合作物生長積溫模型可對作物的成熟程度和收獲期進行預測，供用戶參考，讓用戶有充足的時間為作物收獲做準備[55-56]。在作物收獲階段，利用物聯網技術對作物生長信息進行匯總和儲存，可在作物的銷售環節提供基礎信息，用于農產品品質的安全溯源[5，57]。

3.2 農業物聯網技術在作物病蟲害防控中的應用

使用農業物聯網技術可以有效地防控作物病蟲害，具體應用為：通過傳感器全天候實時監測影響作物病蟲害發生的關鍵環境因子，并使用超清監控攝像頭實時拍攝的影片作為參考資料，將這些信息傳輸至云平臺數據處理中心后，利用智能算法，建立作物病蟲害發生模型，結合專家系統實現作物病蟲害的預測和預警，并將信息發布至用戶端提示管理人員做好防治工作。管理人員可通過種植經驗和專家系統的建議進行管控，以防病蟲害的大規模流行。當前，研究人員還對農業物聯網傳統的病蟲害預警功能延伸開發出專家視頻會商功能，用戶可通過圖片集和視頻的形式向專家庫專家介紹作物病蟲害的發病情況，專家通過互聯網遠程對用戶進行指導和培訓，解答種植過程中的各種問題，有效預防作物病蟲害的流行[2，58]。

3.3 農業物聯網技術在溫室大棚中的應用效果

目前，農業物聯網技術已廣泛應用到番茄[38]、草莓[59]、葡萄[60]等作物的溫室栽培中，并帶來一定的經濟效益和生態效益。蘆天罡等[38]發現，相比于無物聯網監控系統的日光溫室，應用物聯網監控系統更有利于創造作物生長的最佳環境，每年可節省33%的人工成本，提高11.4%的單位面積產量。刁書中[59]利用物聯網技術改造日光溫室，對比改造前節水50%～70%，節肥20%～40%，減少農藥使用量15%～20%，減少人工4～5人，在改良后的日光溫室種植草莓，可實現每667 m2增收36%，每667 m2年收入提高1.3萬元。王素青等[60]應用物聯網技術根據葡萄不同生育時期的生長特性進行葡萄園溫度與水肥的自動化控制，對比應用前，葡萄商品果率從75%提升至85%，園區年產值提高了40萬～50萬元。

4 農業物聯網技術在溫室大棚應用推廣中存在的問題

4.1 產品技術匱乏

當前我國農業物聯網研發達到國際水平的本土企業屈指可數，市面產品不夠靈敏、經常故障，且維修困難，具備自主產權的高精度、高穩定性、高可靠性的技術和產品嚴重匱乏，影響農民應用農業物聯網技術的積極性[44]。

4.2 成本較高，成本與利潤不成正比

農業物聯網在溫室大棚中的應用是基于多種高精度傳感器設備和數據傳輸網絡實現的，然而高精度傳感器設備價格昂貴，并需要經常維護保養，勢必在應用中產生較高的維護費，此外，寬帶和移動網的使用也是一筆不小的開支，因此，想要引進農業物聯網技術，就需要投入大量資金。我國農作物種植利潤較低，應用物聯網技術對于小型企業和農民來說是筆巨大的成本投入，成本與利潤不成正比致使物聯網技術難以大面積推廣。

4.3 農民應用困難

老齡化和文化程度低是我國的農業生產者普遍存在的問題，農民依然保留著傳統的生產習慣，接受和適應新興事物的能力慢，對智能設備不夠熟練，是農業物聯網技術推廣過程中最大的難題。

4.4 缺乏規范統一的應用標準體系

當前，我國在應用農業物聯網技術時，由于缺乏統一的數據采集標準，不同廠商生產的設備數據格式不統一、接口不兼容，導致農業數據采集相對隨機且孤立，各地甚至各個用戶采集的數據之間既無法兼容，也無法與國內外開放的大型農業數據庫實現信息共享，導致信息孤島現象的形成，物聯網市場呈現分割狀態，嚴重影響了農業信息的共享交換，制約了農業物聯網技術的產業化發展[61]。此外，伴隨我國科技的迅速發展，部分標準更新滯后，與農業生產實際大相徑庭，無法適應現代化農業生產要求，亟須重新修訂。

5 展望

農業物聯網技術的應用對于改變我國農業生產效率低、生產經營模式粗放、耕地細碎化的農業現狀，提升農業生產規模化、產業化、智能化水平，提高作物產量和品質，推動農業現代化進程具有重要意義。在今后的工作中，各地方政府應充分發揮主導功能，給予政策傾斜，為中小型企業和農戶設置信貸補貼，大力支持農業物聯網的建設與推廣工作。與此同時，政府相關部門應結合農業科研機構、高等院校、高新企業，共同參與農業物聯網技術研發，瞄準產業所需，研發出一批具有先進水平的高精度、高穩定性、高可靠性、低成本、低能耗的技術和產品，解決當前農業物聯網技術產品匱乏的難題；組建專業的科普隊伍，設置情景化培訓課程，多途徑開展對農民的實踐應用培訓，幫助農民熟練、正確地使用物聯網技術；建設專業的農業物聯網人才培訓機構，培養高水平的應用、管理及服務人才，打造專業的人才團隊，為推進農業物聯網技術的大面積應用奠定基礎。此外，應盡快解決農業物聯網系統中傳感器接口不兼容、數據傳輸格式不一致的問題，建立高效的數據清洗和數據質量管理體制，統一數據采集標準，積極完善農業物聯網標準體系，促進全國平臺共用、數據共享，推動我國農業物聯網技術的產業化發展。