溫室園藝 2018-09 溫室園藝 2018-09 28 29 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù) 和云平臺管理技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用魏 瑤（北京科百宏業(yè)科技有限公司，北京 100081） DOI: 10.16815/j.cnki.11-5436/s.2018.25.004農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述 設(shè)施農(nóng)業(yè)以有效調(diào)節(jié)作物生長環(huán)境的功 能見長， 而調(diào)控的首要任務(wù)是了解作物需求。 通俗地講， 植物和孩子一樣需要喝水、 吃飯， 植物也有呼吸、有體溫，在特定的環(huán)境條件 下會(huì)生病。但植物不會(huì)說話，通常人們依靠 經(jīng)驗(yàn)照料植物，但往往會(huì)過量使用水、肥和 780 MHz 物聯(lián)網(wǎng)專用頻段的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) （圖 1 ）。該系統(tǒng)是先進(jìn)的環(huán)境數(shù)據(jù)無線采集 系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、云平臺管理系統(tǒng)， 以及豐富的數(shù)字模型聚合與集成運(yùn)用的綜合技 術(shù)（ 圖 2 ）。運(yùn)用傳感裝備，對植物生長環(huán)境 進(jìn)行全緯度、高密度和高粒度的大數(shù)據(jù)在線監(jiān) 測，然后通過無線傳輸設(shè)備匯總傳輸至科百數(shù) 據(jù)云平臺，經(jīng)過大數(shù)據(jù)模型深度計(jì)算給現(xiàn)場作 業(yè)人員提供如灌溉、降溫、通風(fēng)、加濕亦或是 噴藥等提示，現(xiàn)場作業(yè)人員通過電腦或手機(jī)登 錄專屬網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)大面積的遠(yuǎn)程手動(dòng)或者自動(dòng)控 制。 簡而言之， 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分為采集層、 傳輸層、 應(yīng)用層三個(gè)層次，整套系統(tǒng)解決了植物要多少 給多少，種植經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)模型化，大面積可視化 操控的問題。應(yīng)用 溫室設(shè)施通過水簾風(fēng)機(jī)、導(dǎo)流風(fēng)機(jī)、外側(cè) 開窗、屋頂開窗、外遮陽系統(tǒng)、內(nèi)保溫系統(tǒng)、 人工補(bǔ)光設(shè)備、自動(dòng)灌溉、高壓噴霧等設(shè)備實(shí) 現(xiàn)對植物生長環(huán)境的有效調(diào)控，擺脫自然環(huán)境 的制約，按照人的意愿實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。但是對 于目前的普通溫室而言，過于依賴人工 進(jìn)行操作，多以家庭為單位進(jìn)行分散經(jīng) 營管理，難以進(jìn)行規(guī)?；\(yùn)營。嚴(yán)重缺 乏環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制設(shè)備，精準(zhǔn)化程 度很低，產(chǎn)量小、品質(zhì)低，綜合經(jīng)濟(jì)效 益還有巨大的提升空間。 物聯(lián)網(wǎng)無線監(jiān)測技術(shù)在溫室監(jiān)測方面 的應(yīng)用 在溫室設(shè)施農(nóng)作物種植中，溫室設(shè) 施內(nèi)的環(huán)境直接影響著農(nóng)作物能否健康 良好地生長?；趯珳?zhǔn)農(nóng)業(yè)的理解， 科百自主研發(fā)的傳感器精準(zhǔn)采集影響植 物生長的水、肥、氣、熱、光等要素環(huán) 境信息，并結(jié)合植物生理生長信息的實(shí) 時(shí)監(jiān)測 （圖 3 ） ， 建立植物生長高粒度、 多維度的數(shù)據(jù)庫。傳感器采集的數(shù)據(jù)通 圖 2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、云平臺管理示意圖 超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器 無線傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器 雨量計(jì) 太陽能板 測站主機(jī)（RTU） CaipoBase 物聯(lián)網(wǎng)基站 CaipoWave+ 物聯(lián)網(wǎng)無線節(jié)點(diǎn) 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用 - 病蟲害數(shù)字模型 CaipoWeb 物聯(lián)網(wǎng)云平臺 措施 數(shù)據(jù)分析 模型模擬 決策 作物環(huán)境 數(shù)據(jù)輸出 數(shù)據(jù)輸入 數(shù)據(jù)采集 1 3 4 2 精準(zhǔn)預(yù)測 溫度圈 濕潤圈 營養(yǎng)圈 根系圈 糖分產(chǎn)物 C 6 H 12 O 6 光合作用 + 呼吸作用 氧氣 二氧化碳 糖分儲(chǔ)存 水分蒸騰 水 分/養(yǎng) 分(上 傳) 水 分/養(yǎng) 分(下 傳) 葉面濕度數(shù)據(jù) 果實(shí)直徑數(shù)據(jù) 莖稈直徑數(shù)據(jù) 二氧化碳 氧氣 呼吸作用 ( 無光合作用 ) 氮?dú)?水 肥料 水分及礦物元素通 過根毛進(jìn)入植物體 根吸收區(qū) 土壤溫濕度數(shù)據(jù) 圖 1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) 農(nóng)藥。為了聽懂“植物的語言”，了解植物 的需要，必須通過精準(zhǔn)有效的農(nóng)業(yè)專用傳感 器采集影響植物生長的土壤、氣象環(huán)境和植 物生理數(shù)據(jù)。然后通過數(shù)字模型指導(dǎo)，遠(yuǎn)程 調(diào)控植物的生長環(huán)境才能起到溫室設(shè)施農(nóng)業(yè) 應(yīng)有的提質(zhì)增量目的。 2017 年，北京科百宏業(yè)科技有限公司歷 時(shí) 7 年的研發(fā)和改進(jìn) ，開發(fā)出一套基于中國 過節(jié)點(diǎn)，以無線形式傳輸?shù)奖O(jiān)測站主機(jī)，監(jiān)測 站主機(jī)再通過 GPRS 方式將監(jiān)測結(jié)果發(fā)送到數(shù) 據(jù)中心，用戶通過登錄互聯(lián)網(wǎng)可以遠(yuǎn)程監(jiān)控。 依靠無線節(jié)點(diǎn) + 低功耗 + 多傳感器接入 + 云平 臺 + 無線控制節(jié)點(diǎn)技術(shù)， 能夠?yàn)橛脩籼峁└咝А?經(jīng)濟(jì)、方便的溫室農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集途徑。 物聯(lián)網(wǎng)無線控制技術(shù)在溫室環(huán)境調(diào)控方面的 應(yīng)用 相對于連棟溫室 ，日光溫室每一棟溫室 都是獨(dú)立的，相互之間是分離的，不可能在每 一個(gè)溫室內(nèi)像連棟溫室那樣安裝一套控制器。 即使有控制器，把信號線纜延伸到每個(gè)溫室， 這種解決方案也不可行，因?yàn)檫@需要鋪設(shè)很長 的線纜，線纜、開溝、布線、土方施工以及日 常維護(hù)費(fèi)用很高，在經(jīng)濟(jì)上不可行?？瓢倏萍?對原有溫室進(jìn)行升級改造，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)高效方 便的信息傳輸和處理技術(shù)，可以使溫室設(shè)備控 制水平接近荷蘭連棟玻璃溫室。物聯(lián)網(wǎng)溫室的 所有傳感器和溫室設(shè)備都通過物聯(lián)網(wǎng)接入云平 臺。通過云平臺和手機(jī) APP 對溫室設(shè)施進(jìn)行管 理，便利性和簡易性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)日光溫室的 主要依賴人力和人的經(jīng)驗(yàn)的管理和操作 （圖 4）。 13 km 1000+ 4500 畝 400+ 溫室園藝 2018-09 溫室園藝 2018-09 28 29 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù) 和云平臺管理技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用魏 瑤（北京科百宏業(yè)科技有限公司，北京 100081） DOI: 10.16815/j.cnki.11-5436/s.2018.25.004農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述 設(shè)施農(nóng)業(yè)以有效調(diào)節(jié)作物生長環(huán)境的功 能見長， 而調(diào)控的首要任務(wù)是了解作物需求。 通俗地講， 植物和孩子一樣需要喝水、 吃飯， 植物也有呼吸、有體溫，在特定的環(huán)境條件 下會(huì)生病。但植物不會(huì)說話，通常人們依靠 經(jīng)驗(yàn)照料植物，但往往會(huì)過量使用水、肥和 780 MHz 物聯(lián)網(wǎng)專用頻段的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) （圖 1 ）。該系統(tǒng)是先進(jìn)的環(huán)境數(shù)據(jù)無線采集 系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、云平臺管理系統(tǒng)， 以及豐富的數(shù)字模型聚合與集成運(yùn)用的綜合技 術(shù)（ 圖 2 ）。運(yùn)用傳感裝備，對植物生長環(huán)境 進(jìn)行全緯度、高密度和高粒度的大數(shù)據(jù)在線監(jiān) 測，然后通過無線傳輸設(shè)備匯總傳輸至科百數(shù) 據(jù)云平臺，經(jīng)過大數(shù)據(jù)模型深度計(jì)算給現(xiàn)場作 業(yè)人員提供如灌溉、降溫、通風(fēng)、加濕亦或是 噴藥等提示，現(xiàn)場作業(yè)人員通過電腦或手機(jī)登 錄專屬網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)大面積的遠(yuǎn)程手動(dòng)或者自動(dòng)控 制。 簡而言之， 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分為采集層、 傳輸層、 應(yīng)用層三個(gè)層次，整套系統(tǒng)解決了植物要多少 給多少，種植經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)模型化，大面積可視化 操控的問題。應(yīng)用 溫室設(shè)施通過水簾風(fēng)機(jī)、導(dǎo)流風(fēng)機(jī)、外側(cè) 開窗、屋頂開窗、外遮陽系統(tǒng)、內(nèi)保溫系統(tǒng)、 人工補(bǔ)光設(shè)備、自動(dòng)灌溉、高壓噴霧等設(shè)備實(shí) 現(xiàn)對植物生長環(huán)境的有效調(diào)控，擺脫自然環(huán)境 的制約，按照人的意愿實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。但是對 于目前的普通溫室而言，過于依賴人工 進(jìn)行操作，多以家庭為單位進(jìn)行分散經(jīng) 營管理，難以進(jìn)行規(guī)模化運(yùn)營。嚴(yán)重缺 乏環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制設(shè)備，精準(zhǔn)化程 度很低，產(chǎn)量小、品質(zhì)低，綜合經(jīng)濟(jì)效 益還有巨大的提升空間。 物聯(lián)網(wǎng)無線監(jiān)測技術(shù)在溫室監(jiān)測方面 的應(yīng)用 在溫室設(shè)施農(nóng)作物種植中，溫室設(shè) 施內(nèi)的環(huán)境直接影響著農(nóng)作物能否健康 良好地生長?；趯珳?zhǔn)農(nóng)業(yè)的理解， 科百自主研發(fā)的傳感器精準(zhǔn)采集影響植 物生長的水、肥、氣、熱、光等要素環(huán) 境信息，并結(jié)合植物生理生長信息的實(shí) 時(shí)監(jiān)測 （圖 3 ） ， 建立植物生長高粒度、 多維度的數(shù)據(jù)庫。傳感器采集的數(shù)據(jù)通 圖 2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、云平臺管理示意圖 超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器 無線傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器 雨量計(jì) 太陽能板 測站主機(jī)（RTU） CaipoBase 物聯(lián)網(wǎng)基站 CaipoWave+ 物聯(lián)網(wǎng)無線節(jié)點(diǎn) 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用 - 病蟲害數(shù)字模型 CaipoWeb 物聯(lián)網(wǎng)云平臺 措施 數(shù)據(jù)分析 模型模擬 決策 作物環(huán)境 數(shù)據(jù)輸出 數(shù)據(jù)輸入 數(shù)據(jù)采集 1 3 4 2 精準(zhǔn)預(yù)測 溫度圈 濕潤圈 營養(yǎng)圈 根系圈 糖分產(chǎn)物 C 6 H 12 O 6 光合作用 + 呼吸作用 氧氣 二氧化碳 糖分儲(chǔ)存 水分蒸騰 水 分/養(yǎng) 分(上 傳) 水 分/養(yǎng) 分(下 傳) 葉面濕度數(shù)據(jù) 果實(shí)直徑數(shù)據(jù) 莖稈直徑數(shù)據(jù) 二氧化碳 氧氣 呼吸作用 ( 無光合作用 ) 氮?dú)?水 肥料 水分及礦物元素通 過根毛進(jìn)入植物體 根吸收區(qū) 土壤溫濕度數(shù)據(jù) 圖 1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) 農(nóng)藥。為了聽懂“植物的語言”，了解植物 的需要，必須通過精準(zhǔn)有效的農(nóng)業(yè)專用傳感 器采集影響植物生長的土壤、氣象環(huán)境和植 物生理數(shù)據(jù)。然后通過數(shù)字模型指導(dǎo)，遠(yuǎn)程 調(diào)控植物的生長環(huán)境才能起到溫室設(shè)施農(nóng)業(yè) 應(yīng)有的提質(zhì)增量目的。 2017 年，北京科百宏業(yè)科技有限公司歷 時(shí) 7 年的研發(fā)和改進(jìn) ，開發(fā)出一套基于中國 過節(jié)點(diǎn)，以無線形式傳輸?shù)奖O(jiān)測站主機(jī)，監(jiān)測 站主機(jī)再通過 GPRS 方式將監(jiān)測結(jié)果發(fā)送到數(shù) 據(jù)中心，用戶通過登錄互聯(lián)網(wǎng)可以遠(yuǎn)程監(jiān)控。 依靠無線節(jié)點(diǎn) + 低功耗 + 多傳感器接入 + 云平 臺 + 無線控制節(jié)點(diǎn)技術(shù)， 能夠?yàn)橛脩籼峁└咝А?經(jīng)濟(jì)、方便的溫室農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集途徑。 物聯(lián)網(wǎng)無線控制技術(shù)在溫室環(huán)境調(diào)控方面的 應(yīng)用 相對于連棟溫室 ，日光溫室每一棟溫室 都是獨(dú)立的，相互之間是分離的，不可能在每 一個(gè)溫室內(nèi)像連棟溫室那樣安裝一套控制器。 即使有控制器，把信號線纜延伸到每個(gè)溫室， 這種解決方案也不可行，因?yàn)檫@需要鋪設(shè)很長 的線纜，線纜、開溝、布線、土方施工以及日 常維護(hù)費(fèi)用很高，在經(jīng)濟(jì)上不可行?？瓢倏萍?對原有溫室進(jìn)行升級改造，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)高效方 便的信息傳輸和處理技術(shù)，可以使溫室設(shè)備控 制水平接近荷蘭連棟玻璃溫室。物聯(lián)網(wǎng)溫室的 所有傳感器和溫室設(shè)備都通過物聯(lián)網(wǎng)接入云平 臺。通過云平臺和手機(jī) APP 對溫室設(shè)施進(jìn)行管 理，便利性和簡易性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)日光溫室的 主要依賴人力和人的經(jīng)驗(yàn)的管理和操作 （圖 4）。 13 km 1000+ 4500 畝 400+ 溫室園藝 2018-09 溫室園藝 2018-09 30 31 可能染病 空氣溫度 降雨 蘋果黑星病 噴藥 噴藥 無感染 高 中等 低 無 通過模型預(yù)測指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)例： 施藥 風(fēng)險(xiǎn)等級 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 120 100 80 60 40 20 0 15/05/15 15/06/30 15/06/15 05/06/30 措施 數(shù)據(jù)分析 精準(zhǔn)預(yù)測 模型工作原理圖 作物生長環(huán)境精確預(yù)報(bào) 物聯(lián)網(wǎng)信息采集基站 模型模擬 數(shù)據(jù)采集 決策 作物環(huán)境 數(shù)據(jù)輸出 數(shù)據(jù)輸入 非常適合中國的國情并可以很方便地進(jìn)行推廣。 通過數(shù)量很少的技術(shù)人就可以對大面積的設(shè)施 農(nóng)業(yè)進(jìn)行高效管理。 物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)技術(shù)在溫室水肥一體化方面的 應(yīng)用 節(jié)水灌溉和水肥一體化是溫室大棚種植中 的關(guān)鍵內(nèi)容。傳統(tǒng)溫室大棚的灌溉和施肥管理 主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)人工直接參與，由于作物類別不 同帶來的水肥需求差異，土壤質(zhì)地不同導(dǎo)致的 土壤蓄水能力的差異，過量的水溶肥置換植物 根系水分帶來的燒根問題，使大面積灌溉與施 肥勞動(dòng)強(qiáng)度大、精準(zhǔn)度差而且浪費(fèi)嚴(yán)重?；?物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)的科百智能灌溉系統(tǒng)基于ET 0 （圖 5 ）模型對溫室灌溉做出指導(dǎo)，在通過傳感 器精準(zhǔn)感知土壤水分，水勢的基礎(chǔ)上結(jié)合不同 作物的需求為科學(xué)指導(dǎo)灌溉頻率及灌溉總量， 通過土壤電導(dǎo)率傳感器監(jiān)測土壤 EC，避免水溶 肥過量導(dǎo)致的燒根及肥料浪費(fèi)情況，為溫室制 訂出一個(gè)有關(guān)灌溉與施肥的優(yōu)化方案，應(yīng)用層 根據(jù)優(yōu)化方案控制相應(yīng)的灌溉與施肥設(shè)備采取 相應(yīng)的灌溉與施肥操作（圖 6 ），確保農(nóng)作物在 生長過程中能夠及時(shí)獲取所需要的水分與肥力。 可視化的無線控制平臺可通過電腦及手機(jī) APP （圖 7 ）實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的遠(yuǎn)程控制，降低了人工勞 圖 3 物聯(lián)網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)在溫室中的應(yīng)用 空氣溫度及相對濕度傳感器 葉面濕度傳感器 土壤溫度傳感器 土壤水分傳感器 溫室剖面圖 中央平臺 數(shù)據(jù)查詢終端 GPRS GPRS 動(dòng)強(qiáng)度， 實(shí)現(xiàn)了對溫室內(nèi)農(nóng)作物的定時(shí)、 適量、 均勻、 精確地灌溉與施肥， 有利于水肥利用率， 同時(shí)有效地控制了面源污染。 數(shù)字病蟲害模型在溫室方面的應(yīng)用 農(nóng)作物病蟲害作為溫室農(nóng)業(yè)的主要災(zāi)害之 一， 它具有種類多、 影響大、 時(shí)常暴發(fā)成災(zāi)的特點(diǎn)， 其發(fā)生范圍和嚴(yán)重程度對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常造成重大損 失。 作物病蟲害的發(fā)生受多種因素影響， 如氣象、 土壤、栽培條件等，這些因素與病蟲害的發(fā)生呈 非線性關(guān)系， 具有隨機(jī)性、 差異性、 突發(fā)性等特點(diǎn)。 然而作物病蟲害的發(fā)生也有一定規(guī)律性，如蟲害 發(fā)生的有效積溫法則等。 植物病蟲害最佳控制時(shí)間可能只有幾天甚 至幾個(gè)小時(shí)，這其中包含著復(fù)雜的微生物學(xué)、 病理學(xué)和昆蟲學(xué)問題。經(jīng)過積累 23 年的溫室 圖 4 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在溫室無線控制方面的應(yīng)用 圖 7 在物聯(lián)網(wǎng)無線控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn) 無線灌溉控制，大幅度節(jié)省人工成本 圖 5 基于精準(zhǔn)監(jiān)測實(shí)現(xiàn)的精準(zhǔn)灌溉 圖 6 通過精準(zhǔn)監(jiān)測實(shí)現(xiàn)最有效的給水管理 水分與作物生長關(guān)系圖 田間持水量 有效含水量 凋萎點(diǎn) 加熱器 電磁閥 水流量計(jì) 無線節(jié)點(diǎn) 無線節(jié)點(diǎn) 路由器 電源適配器 中央控制器 風(fēng)扇 無線協(xié)調(diào)器 滴灌設(shè)備 灌溉 土壤 降水 土壤 橫向滲透 排水 蒸發(fā) 蒸騰 蒸騰 + 蒸發(fā) kcb-mid kcb-end CTOK ET 0 RAW TAW kcb 無線節(jié)點(diǎn) 水泵 肥料罐 水流量計(jì) 中央控制器 路由器 電源適配器 無線協(xié)調(diào)器 全維度海量數(shù)據(jù)，建立適應(yīng)作物的數(shù)字病蟲害 模型和生長模型（圖 8 ）。隨著本地化數(shù)據(jù)不 斷積累，逐步修正、完善和優(yōu)化影響病蟲害爆 發(fā)的關(guān)鍵因子，最終建成更適合本地化、越來 越精準(zhǔn)的病蟲害模型和生長模型，為溫室生產(chǎn) 提供智能決策。 科百物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在提供病蟲害發(fā)生時(shí)間 點(diǎn)和等級的同時(shí)，且為用戶提供本地化生長 環(huán)境精準(zhǔn)預(yù)測預(yù)報(bào)。種植專家、管理人員根 據(jù)病蟲害模擬結(jié)果，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)地勘察及確 圖 8 數(shù)字病蟲害模型應(yīng)用示意圖 溫室園藝 2018-09 溫室園藝 2018-09 30 31 可能染病 空氣溫度 降雨 蘋果黑星病 噴藥 噴藥 無感染 高 中等 低 無 通過模型預(yù)測指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)例： 施藥 風(fēng)險(xiǎn)等級 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 120 100 80 60 40 20 0 15/05/15 15/06/30 15/06/15 05/06/30 措施 數(shù)據(jù)分析 精準(zhǔn)預(yù)測 模型工作原理圖 作物生長環(huán)境精確預(yù)報(bào) 物聯(lián)網(wǎng)信息采集基站 模型模擬 數(shù)據(jù)采集 決策 作物環(huán)境 數(shù)據(jù)輸出 數(shù)據(jù)輸入 非常適合中國的國情并可以很方便地進(jìn)行推廣。 通過數(shù)量很少的技術(shù)人就可以對大面積的設(shè)施 農(nóng)業(yè)進(jìn)行高效管理。 物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)技術(shù)在溫室水肥一體化方面的 應(yīng)用 節(jié)水灌溉和水肥一體化是溫室大棚種植中 的關(guān)鍵內(nèi)容。傳統(tǒng)溫室大棚的灌溉和施肥管理 主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)人工直接參與，由于作物類別不 同帶來的水肥需求差異，土壤質(zhì)地不同導(dǎo)致的 土壤蓄水能力的差異，過量的水溶肥置換植物 根系水分帶來的燒根問題，使大面積灌溉與施 肥勞動(dòng)強(qiáng)度大、精準(zhǔn)度差而且浪費(fèi)嚴(yán)重。基于 物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)的科百智能灌溉系統(tǒng)基于ET 0 （圖 5 ）模型對溫室灌溉做出指導(dǎo)，在通過傳感 器精準(zhǔn)感知土壤水分，水勢的基礎(chǔ)上結(jié)合不同 作物的需求為科學(xué)指導(dǎo)灌溉頻率及灌溉總量， 通過土壤電導(dǎo)率傳感器監(jiān)測土壤 EC，避免水溶 肥過量導(dǎo)致的燒根及肥料浪費(fèi)情況，為溫室制 訂出一個(gè)有關(guān)灌溉與施肥的優(yōu)化方案，應(yīng)用層 根據(jù)優(yōu)化方案控制相應(yīng)的灌溉與施肥設(shè)備采取 相應(yīng)的灌溉與施肥操作（圖 6 ），確保農(nóng)作物在 生長過程中能夠及時(shí)獲取所需要的水分與肥力。 可視化的無線控制平臺可通過電腦及手機(jī) APP （圖 7 ）實(shí)現(xiàn)規(guī)?；倪h(yuǎn)程控制，降低了人工勞 圖 3 物聯(lián)網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)在溫室中的應(yīng)用 空氣溫度及相對濕度傳感器 葉面濕度傳感器 土壤溫度傳感器 土壤水分傳感器 溫室剖面圖 中央平臺 數(shù)據(jù)查詢終端 GPRS GPRS 動(dòng)強(qiáng)度， 實(shí)現(xiàn)了對溫室內(nèi)農(nóng)作物的定時(shí)、 適量、 均勻、 精確地灌溉與施肥， 有利于水肥利用率， 同時(shí)有效地控制了面源污染。 數(shù)字病蟲害模型在溫室方面的應(yīng)用 農(nóng)作物病蟲害作為溫室農(nóng)業(yè)的主要災(zāi)害之 一， 它具有種類多、 影響大、 時(shí)常暴發(fā)成災(zāi)的特點(diǎn)， 其發(fā)生范圍和嚴(yán)重程度對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常造成重大損 失。 作物病蟲害的發(fā)生受多種因素影響， 如氣象、 土壤、栽培條件等，這些因素與病蟲害的發(fā)生呈 非線性關(guān)系， 具有隨機(jī)性、 差異性、 突發(fā)性等特點(diǎn)。 然而作物病蟲害的發(fā)生也有一定規(guī)律性，如蟲害 發(fā)生的有效積溫法則等。 植物病蟲害最佳控制時(shí)間可能只有幾天甚 至幾個(gè)小時(shí)，這其中包含著復(fù)雜的微生物學(xué)、 病理學(xué)和昆蟲學(xué)問題。經(jīng)過積累 23 年的溫室 圖 4 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在溫室無線控制方面的應(yīng)用 圖 7 在物聯(lián)網(wǎng)無線控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn) 無線灌溉控制，大幅度節(jié)省人工成本 圖 5 基于精準(zhǔn)監(jiān)測實(shí)現(xiàn)的精準(zhǔn)灌溉 圖 6 通過精準(zhǔn)監(jiān)測實(shí)現(xiàn)最有效的給水管理 水分與作物生長關(guān)系圖 田間持水量 有效含水量 凋萎點(diǎn) 加熱器 電磁閥 水流量計(jì) 無線節(jié)點(diǎn) 無線節(jié)點(diǎn) 路由器 電源適配器 中央控制器 風(fēng)扇 無線協(xié)調(diào)器 滴灌設(shè)備 灌溉 土壤 降水 土壤 橫向滲透 排水 蒸發(fā) 蒸騰 蒸騰 + 蒸發(fā) kcb-mid kcb-end CTOK ET 0 RAW TAW kcb 無線節(jié)點(diǎn) 水泵 肥料罐 水流量計(jì) 中央控制器 路由器 電源適配器 無線協(xié)調(diào)器 全維度海量數(shù)據(jù)，建立適應(yīng)作物的數(shù)字病蟲害 模型和生長模型（圖 8 ）。隨著本地化數(shù)據(jù)不 斷積累，逐步修正、完善和優(yōu)化影響病蟲害爆 發(fā)的關(guān)鍵因子，最終建成更適合本地化、越來 越精準(zhǔn)的病蟲害模型和生長模型，為溫室生產(chǎn) 提供智能決策。 科百物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在提供病蟲害發(fā)生時(shí)間 點(diǎn)和等級的同時(shí)，且為用戶提供本地化生長 環(huán)境精準(zhǔn)預(yù)測預(yù)報(bào)。種植專家、管理人員根 據(jù)病蟲害模擬結(jié)果，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)地勘察及確 圖 8 數(shù)字病蟲害模型應(yīng)用示意圖 溫室園藝 2018-09 溫室園藝 2018-09 32 33 收，從而可以以更高的價(jià)格進(jìn)行銷售。同時(shí)， 通過調(diào)整晝夜溫差等環(huán)境，可以促進(jìn)水果糖分 的積累，從而生產(chǎn)出遠(yuǎn)高于自然生長的品質(zhì)和 風(fēng)味更加優(yōu)良的蔬菜水果。通過物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù) 據(jù)升級的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)化溫室將對農(nóng)業(yè)觀光、旅 游、采摘、科普、自然體驗(yàn)、休閑、養(yǎng)生等延 伸產(chǎn)業(yè)具有全面的和高效的支撐，使一二三產(chǎn) 業(yè)得到自然和技術(shù)的高度融合。 作者簡介：魏瑤（1992-），北京科百宏業(yè)科技有限 公司市場經(jīng)理，山西人，主要從事農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及農(nóng)業(yè) 大數(shù)據(jù)應(yīng)用推廣。 引用信息魏瑤.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)和云平臺管理技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用J. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù),2018,38(25):28-32. 設(shè)施園藝物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展 *李振波 1,2,3 ，楊晉琪 1 ，蓋國衛(wèi) 4 （1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083；2. 北京市農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，北京 100083； 3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；4. 黃河三角洲農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)管委會(huì)，山東東營 257000） 【摘要】近年來，由于生產(chǎn)附加值高，設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中以設(shè)施園藝業(yè)為代表的農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 率先應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來了精準(zhǔn)、高效、便捷的環(huán)境控制方法，通過各 種傳感設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)施環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，結(jié)合智能管理系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的環(huán)境調(diào)控， 使作物盡可能的處在適宜栽培環(huán)境中，從而提高產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化種植。 物聯(lián)網(wǎng) 物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things，IoT) 是新一代 信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時(shí)代 的重要發(fā)展階段。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相 連的互聯(lián)網(wǎng)，是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)和 傳感網(wǎng)等信息承載體，讓所有普通物理對象能夠 通過信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來， 進(jìn)行計(jì)算、 處理和知識挖掘，實(shí)現(xiàn)智能化識別、控制、管理 和決策的智能化網(wǎng)絡(luò) 1-2 ，物聯(lián)網(wǎng)在本質(zhì)上是通 信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、傳感技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新一代 信息技術(shù)的交叉融合和綜合應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的 快速發(fā)展和應(yīng)用，催生了在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，農(nóng) 業(yè)物聯(lián)網(wǎng)迅速崛起。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，是通過應(yīng)用各類傳感器設(shè)備和 感知技術(shù)，采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品流通以及農(nóng)作 物本體的相關(guān)信息，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng) 通信無線網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息傳輸，將獲取的海 量農(nóng)業(yè)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、加工、融合、處理， 最后通過智能化操作終端， 實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)前、 產(chǎn)中、 產(chǎn)后的過程監(jiān)控、科學(xué)決策和實(shí)時(shí)服務(wù) 3 。農(nóng)業(yè) 物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的高度集成 和綜合運(yùn)用，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境的遠(yuǎn) 程監(jiān)測和控制，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)管理的智能化、集 約化、高效化，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵技術(shù)之 一。基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室系統(tǒng)，可遠(yuǎn)程監(jiān) 測溫室環(huán)境，并根據(jù)作物的環(huán)境需求實(shí)施精準(zhǔn)的 溫室控制，科學(xué)高效的提高管理溫室效率 4 。農(nóng) 業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提 高和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營模式轉(zhuǎn)型升級，是新一代信息 技術(shù)滲透進(jìn)入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的必然結(jié)果。國內(nèi)外農(nóng)業(yè) 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的實(shí)踐證明，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)被認(rèn)為 是改變農(nóng)業(yè)、農(nóng)民、農(nóng)村的新力量，將會(huì)對我國 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、農(nóng)村社會(huì)的現(xiàn)代化和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng) 的改善，產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響 5 。 設(shè)施園藝 設(shè)施園藝 （protected horticulture）又稱設(shè) 施栽培，是指在露地不適于園藝作物生長的季節(jié) ( 寒冷或炎熱 ) 或地區(qū)，利用特定的設(shè)施 ( 連棟溫 室、日光溫室、塑料大棚、小拱棚和養(yǎng)殖棚 ) ， 人為創(chuàng)造適于作物生長的環(huán)境，以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、高 產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的蔬菜、花卉、水果等園藝產(chǎn)品的一種 環(huán)境可控制農(nóng)業(yè)。 設(shè)施園藝以整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈為基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)使用 價(jià)值的全過程，可在廣義上定義為：設(shè)施園藝是 為農(nóng)產(chǎn)品商品化各階段提供最適宜環(huán)境和條件 , 以擺脫自然環(huán)境和傳統(tǒng)生產(chǎn)條件的束縛，從而獲 得高產(chǎn)、 優(yōu)質(zhì)、 高效農(nóng)產(chǎn)品的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)營活動(dòng)， 具有高投入、高產(chǎn)出、高效益的特點(diǎn) 6-7 。 由于設(shè)施園藝種植作物附加值往往較高，種 植環(huán)境可控， 可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的閉環(huán)過程， 因此， 設(shè)施園藝物聯(lián)網(wǎng)在許多國家和地區(qū)率先開展了實(shí) DOI: 10.16815/j.cnki.11-5436/s.2018.25.005 認(rèn)，最終采取更有效的分類管理措施（藥品種 類、噴藥時(shí)間、噴藥量等）。保障作物從種植 端實(shí)現(xiàn)無公害化嚴(yán)格規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，為生產(chǎn) 綠色、有機(jī)、質(zhì)量安全的農(nóng)產(chǎn)品提供科技化、 智慧化管理模式。結(jié)束語 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的介入可以使溫室在農(nóng)作 物精準(zhǔn)化栽培方面顯著減少人力和水肥藥等傳 統(tǒng)農(nóng)資的投入，大幅提高溫室的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí) 現(xiàn)高度數(shù)字化的大規(guī)模精準(zhǔn)溫室栽培和管理。 由于高度可控的生長環(huán)境，部分地區(qū)多發(fā)的病 蟲害和氣象災(zāi)害將得到有效控制，從而降低植 保成本并生產(chǎn)高度安全的有機(jī)或綠色高附加值 作物。由于可以對植物生理和生長進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào) 控，可以比同類作物的上市日期提前或延后采