智能農業(yè)是利用物聯(lián)網 大數據 云計算等現代信息技 術 實現精準 高效 可持續(xù)的 農業(yè)生產管理方式 近年來 江 蘇省積極采取政策扶持 產學 研合作 成果轉化推廣等措施 加快運用信息技術和智能裝備 改造提升農業(yè) 為推進農業(yè)高 質量發(fā)展提供了重要支撐 蔬 菜產業(yè)是江蘇省農業(yè)農村經濟 發(fā)展中的支柱產業(yè) 在農業(yè)增 效 農民增收中發(fā)揮著突出作 用 也是物聯(lián)網技術應用較多 的農業(yè)生產領域 全省農業(yè)農 村部門 涉農科研院所 IT 企業(yè) 等加強設施蔬菜物聯(lián)網技術裝 備研發(fā)和推廣 應用范圍覆蓋 產前 產中和產后各環(huán)節(jié) 有力 提升了智能化 綠色化生產水 平 取得較好成效 1 設施蔬菜智能化生產技 術概述 開展設施蔬菜智能化生產 包括溫室 大棚 建設 傳感器布 設 水肥一體化灌溉系統(tǒng)建設 智能采摘機器人應用 智能管控 系統(tǒng)建設等幾個方面 溫室 大棚 建設 溫室 大棚 是設施蔬菜種植的基礎 在開展溫室 大棚 主體工程建 設時 一般遵循從下到上 從高到 低 從外到內 先地下后地上的原 則 溫室 大棚 建設施工安裝順 序為溫室 大棚 骨架 外遮陽 頂部 四周圍護 濕簾 風機 內遮陽 供暖 給水等 同時 溫 室 大棚 內還需要部署高速無線 Wi Fi網絡作為基礎設施 網速 帶寬不低于100 Mbps 近年來 省內智能化程度較高的溫室 大 侯喜林 博士 二級教授 博士生導 師 享受 國務院特殊津貼 獲 全國 模范教師 稱號 現為國家大宗蔬菜 產業(yè)技術體系崗位科學家和江蘇省 蔬菜產業(yè)體系首席專家 農業(yè)農村 部華東地區(qū)園藝作物生物學與種質 創(chuàng)制重點實驗室主任 園藝作物種 質創(chuàng)新與利用教育部工程研究中心 主任 南京農業(yè)大學蔬菜學國家重 點學科帶頭人 育成不結球白菜新 品種13 個 民間傳頌著 夏有 暑 綠 冬有 寒笑 情人節(jié)有 黃玫 瑰 就是對其育成品種的充分肯 定 先后獲國家技術發(fā)明獎二等獎1 項 省部級二等獎5項 中國學位與 研究生教育學會研究生教育成果獎 一等獎 江蘇省學位委員會研究生 教育改革成果獎一等獎各1 項 江 蘇省本科教學成果二等獎2項 百 名教授科教興百村小康工程 科技 貢獻特等獎 圖1 溫室 大棚 實景 基于物聯(lián)網技術的江蘇 設施蔬菜智能化生產 徐茂 吳昊 魏祥帥 DOI 10 3865 j issn 1001 3547 2020 08 008 2020 8 20 2020 8 棚 競相涌現 如鹽城市豐收大 地種業(yè)有限公司建設的2 hm 2 玻 璃智能溫室 5 hm 2 連棟育苗溫 室 年生產種苗量 2 億株以上 徐州蘇蔬農業(yè)科技有限公司建 設高標準全裝配式鋼結構智能 溫室 40 座 其中 32 個高溫溫 室 1個魚菜共生溫室 7 個冷棚 溫室 產量增加30 以上 圖1 傳感器布設 設施蔬菜 生長環(huán)境中溫濕度 CO 2 濃度等 對作物生長有很大影響 需要準 確監(jiān)測空氣溫度 空氣相對濕 度 光照 CO 2 濃度 土壤溫度 土 壤相對濕度等環(huán)境參數 對于一 些高附加值或生長控制精確度 要求較高的品種 還應部署作物 葉片溫度 莖稈直徑微變化傳感 器 果實直徑微變化傳感器等植 物本體傳感器 近年來 江蘇現 代農業(yè) 蔬菜 產業(yè)技術體系智 能生產創(chuàng)新團隊從元器件選擇 結構設計 工作間隔設置等方 面 對環(huán)境傳感器 植物本體傳 感器的性能和使用壽命進行了 優(yōu)化 并提出傳感器部署優(yōu)化方 案 實現對種植區(qū)域的有效覆 蓋 從而達到傳感器合理布局 優(yōu)化效果的目標 以40 m 40 m 連棟大棚為例 部署空氣溫濕度 傳感器1個 光合有效輻射傳感 器1個 安裝位置與植株高度一 致 土壤濕度傳感器2 個 四探 頭葉片溫度傳感器2 個 莖稈直 徑微變化傳感器2 個 果實直徑 微變化傳感器2 個 選取具代表 性的同一株作物上安裝 數據 收發(fā)器1個 pH值和EC值傳感 器各 1 個 安裝在水肥控制器 上 圖2 水肥一體化灌溉 設施 蔬菜產量 質量與水肥科學管理 緊密相關 每一階段生長都要求 水肥按需供應 建設水肥一體化 系統(tǒng) 可以實現溫室內水肥集中 配比施用 減少勞動用工量 節(jié) 約水肥成本 同時提高水肥灌溉 的精準度 江蘇省設施蔬菜生產 中水肥一體化應用較多 如張家 港永聯(lián)菜籃農業(yè)專業(yè)合作社投 資 150 萬元建設水肥一體化系 統(tǒng) 投入使用后可節(jié)約人工45 以上 經濟效益明顯 創(chuàng)新團隊 也研究設計了水肥一體化灌溉 系統(tǒng) 該系統(tǒng)由中心控制臺 人 機交互接口 傳感器水肥檢測裝 置 混肥腔 肥料原液罐 主管路 供水系統(tǒng)及灌溉系統(tǒng) 過濾系統(tǒng) 等部分組成 水肥的具體參數根 據傳感器數據在模型中計算得 出 然后具體數據在灌溉控制的 云端軟件中進行詳細設定 并可 以設置操作周期和間隔 實現智 能化全自動灌溉 水肥一體化灌 溉系統(tǒng)部署示意如圖3所示 智能采摘機器人應用 當 前 設施蔬菜生產環(huán)節(jié)自動化 智能化已經取得較大進展 但采 收環(huán)節(jié)的自動化 智能化程度還 處于初級階段 蘇州博田自動化 技術有限公司與中國農業(yè)大學 蘇州大學合作 開發(fā)設施農業(yè)專 用機器人及農機智能管理 農機 輔助導航等裝備 多項產品在國 內領先 該公司創(chuàng)新性研發(fā)了國 內第一款 果蔬采摘機器人 該 裝備融合人工智能和多傳感器 技術 采用基于深度學習的視覺 算法 引導機械手臂完成識別 定位 抓取 切割 放置任務的高 度協(xié)同自動化系統(tǒng) 可解決自然 條件下的果蔬選擇性收獲難題 雙目立體視覺精準判別可采摘 果蔬的大小 顏色 形狀 成熟度 和采摘位置定位 輕巧型多自由 度機械臂可輕松完成路徑規(guī)劃 采摘和放籃多個任務 柔性采摘 手通過自動適應控制完成果蔬 采摘位置抓取 不傷果 果蔬采 摘機器人配合相應農藝 可完成 全自主采摘作業(yè) 替代人工解決 農業(yè)采收問題 大大提高生產效 率 降低人力成本 圖4 管控系統(tǒng)智能管理 智 能管控系統(tǒng)是一個中心控制臺 它面向生產管理者提供了可查 看 可操作的人機交互界面 在 內部實現中則是通過網絡獲取 溫室 大棚 內的傳感器采集的 數據并保存到數據庫中 同時將 生產者界面的操作指令發(fā)送到 溫室 大棚 自動化設備控制器 中 實現生產環(huán)節(jié)自動控制 智 能管控系統(tǒng)建設分為存儲層 服 務層和應用層 其中存儲層采用 Redis 緩存 RDBMS 數據庫結合 HDFS TFS 等文件存儲系統(tǒng)對 采集的數據進行保存 服務層開 發(fā)基于 SOA 的 Web Services 接 口 能夠將常用標準數據以服務 形式發(fā)布 供其他各相關信息系 統(tǒng)調用 業(yè)務層基于 B S 架構設 計 提供 PC 端 WEB 界面和手 圖2 傳感器 控制器 無線網關 21 機 APP 具備視頻監(jiān)控 數據查 詢 數據多方式呈現 數據統(tǒng)計 分析 溫室環(huán)境參數設置 控制 指令發(fā)布等基本功能 以及利用 數據分析挖掘技術 提供標準的 數據分析挖掘 主要包含生產安 全判定模型 生產標準判定模型 等 江蘇超數信息科技有限公司 研發(fā)的 基于云計算的農業(yè)大棚 安全控制系統(tǒng) 將溫室 大棚 智 能管控系統(tǒng)移植到云端 種植戶 可通過PC端或APP端訪問云服 務器上部署的智能管控系統(tǒng) 實 時查看作物生長環(huán)境溫度 濕 度 土壤養(yǎng)分及含水量 光照強 度 CO 2 濃度等環(huán)境因子 自動判 斷作物的生長環(huán)境 智能調控相 關設備為作物生長創(chuàng)造適宜環(huán) 境 圖5 2 江蘇省推進設施蔬菜智 能化生產的舉措 一是加強政策引導 江蘇省 圍繞 互聯(lián)網 現代農業(yè) 智慧 農業(yè)建設等出臺一系列政策意 見 現代農業(yè)提質增效工程規(guī)劃 方案中將 智慧農業(yè)建設行動專 項方案 納入其中 促進信息技 術 智能裝備在重點生產領域廣 泛應用 江蘇省每年在省級現代 農業(yè)發(fā)展專項中安排資金予以 扶持 每年投入超過2 000萬元 南京市級財政每年拿出1 000 萬 元智慧農業(yè)專項資金 重點對農 業(yè)物聯(lián)網示范點建設 市級物聯(lián) 網信息系統(tǒng)等給予支持 蘇州每 年安排1 000萬元專項資金支持 推動農業(yè)物聯(lián)網技術應用等互 聯(lián)網農業(yè)發(fā)展 無錫 泰州等地 也采取多種形式對智能農業(yè)建 設主體予以補助 二是加強典型引領 強化農 業(yè)物聯(lián)網應用基地建設 累計建 設省級智能農業(yè)示范基地 127 個 通過總結典型經驗做法 積 極開展面上推廣 常熟市打造設 施蔬菜園藝創(chuàng)新示范區(qū) 建有 7個文洛式智能玻璃溫室 共 3 3 hm 2 形成了 設施草莓移動 架式栽培 瓜果 菜高效無土栽 培 自然光型葉 菜植物工廠 潮 汐式苗床花卉 培育等一系列 高效栽培模式 可有效節(jié)約勞 動用工 30 以 上 單位面積產 出率提高10 以上 生產效益提 升10 以上 投入品減少10 以 上 其中 設施草莓移動架式栽培 項目入選農業(yè)農村部 2019數字 農業(yè)農村新技術新產品新模式優(yōu) 秀項目 江蘇省不少市 縣 市 區(qū) 也積極開展智能農業(yè)示范基 地建設 較好地發(fā)揮了帶動作用 三是加強指導服務 開展國 家農業(yè)物聯(lián)網區(qū)域試驗工程建 設 探索利用設施園藝 水產養(yǎng) 殖 畜禽養(yǎng)殖區(qū)域性農業(yè)物聯(lián)網 服務平臺 為更多經營主體提供 農業(yè)物聯(lián)網技術服務 泰州建成 設施蔬菜農業(yè)物聯(lián)網服務平臺 將轄區(qū)內物聯(lián)網示范基地接入 平臺 強化基地人員培訓 及時 上傳信息數據 加強數據分析研 圖3 水肥一體化灌溉系統(tǒng)部署示意及實景 圖4 蘇州博田自動化技術有限公司生產的果蔬采摘機器人 2020 8 22 基金項目 江蘇現代農業(yè) 蔬菜 產業(yè)技 術體系智能生產創(chuàng)新團隊 JATS 2019 324 徐茂 江蘇省互聯(lián)網農業(yè)發(fā)展中心 南 京市建鄴區(qū)南湖路97號省農機大 院 210017 電話 13913363966 E mail xum 吳昊 魏祥帥 江蘇省互聯(lián)網農業(yè)發(fā)展 中心 收稿日期 2020 03 21 究 探索建立生產管理模型 指導 基地應用物聯(lián)網進行生產管理 江蘇省還組織市縣農業(yè)農村部 門 生產應用主體參加博覽會 高 峰論壇 交流培訓會等活動 拓寬 視野 增強應用能力 各地也將智 能農業(yè)作為新型職業(yè)農民 新型 農業(yè)經營主體培訓的重要內容 采取專家授課 實踐學習 在線指 導 論壇交流等方式 開展農業(yè)物 聯(lián)網技能知識培訓 提高生產實 踐應用能力 3 存在問題 雖然江蘇設施蔬菜物聯(lián)網 智能化生產取得一定成效 但與 發(fā)達地區(qū)水平相比仍存在較大 差距 不能滿足深度應用需求 一是數據不規(guī)范 標準不統(tǒng) 一 農業(yè)物聯(lián)網設施設備數據采 集缺乏統(tǒng)一標準 不同廠商生產的 設備數據格式不統(tǒng)一 接口不兼 容 易出現數據孤島現象 導致數 據難以互聯(lián)互通 成為制約物聯(lián)網 技術產業(yè)化發(fā)展的重要因素 二是自主經濟適用產品不 多 除溫濕度 光照 CO 2 等比較 成熟的物聯(lián)網傳感器外 土壤肥 力 植物營養(yǎng) 作物生長狀態(tài)等傳 感器較為缺乏 農業(yè)物聯(lián)網研發(fā) 達到國際先進水平的本土企業(yè)屈 指可數 具備自主知識產權的高 精度 高穩(wěn)定性 高可靠性的技術 產品和設備嚴重匱乏 三是推廣應用服務力度不夠 江蘇農業(yè)物聯(lián)網全產業(yè)鏈推廣應 用的市場發(fā)育還不健全 技術支 持及后續(xù)服務維護等方面仍有待 加強 市場主體在應用過程中遇 到的問題難以得到及時解決 阻 礙了農業(yè)物聯(lián)網深入推廣應用 4 對策建議 增強研發(fā)創(chuàng)新能力 充 分發(fā)揮科研院所 IT 企業(yè)創(chuàng)新源 頭作用和各類現代農業(yè)園區(qū)資 源集聚作用 瞄準產業(yè)發(fā)展需 求 重點圍繞環(huán)境調控 植物本 體感知 水肥一體化噴滴灌 植 物生長模型等 熟化一批農業(yè)物 聯(lián)網技術產品 研發(fā)一批數據采 集 數據傳輸 數據處理 智能控 制 信息服務的設備和軟件 構 建一批基于物聯(lián)網 大數據驅動 的農業(yè)動植物生長模型 取得一 批具備先進水平的自主知識產 權技術成果 提升示范應用水平 引 導市場主體應用自動化生產設 施 精準化監(jiān)測控制等農業(yè)物聯(lián) 網技術 強化產前 產中 產后各 環(huán)節(jié)全程應用 培育一批農業(yè)物 聯(lián)網技術應用基地 打造一批具 有全國先進水平的應用企業(yè) 支 持各類現代農業(yè)園區(qū) 科技示范 園 農產品加工集中區(qū)等 集聚 主體 平臺 資源等要素 有效構 建產學研合作機制 高水平推廣 應用物聯(lián)網技術和管理服務平 臺 在生產智能調控 數據采集 應用 質量全程溯源等關鍵領域 取得顯著進展 加大技能培訓力度 在 新型職業(yè)農業(yè)培訓中設置農業(yè) 物聯(lián)網技術應用相關課程 多途 徑開展實踐應用培訓 促進他們 加深學習和交流 面向現代農業(yè) 園區(qū) 基層農業(yè)部門的技術人員 及管理人員等 聯(lián)合高等院校 科研院所與農業(yè)物聯(lián)網企業(yè) 培 養(yǎng)一批高水平應用 管理及服務 人才 建立農業(yè)物聯(lián)網專家?guī)?將相關技術負責人員等納入其 中 為各地開展農業(yè)物聯(lián)網知識 技能培訓提供合適的培訓講師 提升數據共享共用水 平 以實施國家農業(yè)物聯(lián)網區(qū) 域試驗工程為契機 加快構建江 蘇省農業(yè)物聯(lián)網管理服務平臺 解決數據采集標準不一 接口不 兼容 售后服務跟不上等問題 促進全省平臺共用 數據共享 高效管理 支持科研機構 農業(yè) 科技企業(yè)依托省級平臺 加強數 據研究 開發(fā)和利用 探索公益 性與市場化相結合的服務機制 為經營主體提供遠程診斷 趨勢 分析 預報預警等技術指導 提 升農業(yè)物聯(lián)網社會化服務水平 圖5 智能管控系統(tǒng)界面 2020 8 23