徐英武

摘要

為了進(jìn)一步提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的管理水平和經(jīng)濟(jì)效益，可利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對大棚種植的精細(xì)管理，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化。該研究以大棚種植紅掌為例，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行大棚內(nèi)溫度、濕度和光照度等的控制，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制器的自動(dòng)開關(guān)。

關(guān)鍵詞智能物聯(lián)網(wǎng)；精細(xì)管理；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)

中圖分類號S126文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2015）21-376-03

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)借助傳感技術(shù)由虛擬空間向現(xiàn)實(shí)物理空間拓展的一種新的技術(shù)形式，這種技術(shù)帶來了人類生產(chǎn)方式、生活方式、思維和思考方式的變革。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是系列技術(shù)的組合，但以傳感技術(shù)為基礎(chǔ)。隨著通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，微型智能傳感器得到了現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，這種傳感器同時(shí)擁有感知、計(jì)算和通信能力，目前已應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，但在我國依然不是十分廣泛。筆者基于物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識，以大棚紅掌種植為例，探討了智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。

1物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識

物聯(lián)網(wǎng)概念源頭公認(rèn)的是源于美國麻省理工學(xué)院（MIT）在1999年建立的“自動(dòng)識別中心”（Auto-ID Labs）提出的網(wǎng)絡(luò)無線射頻識別（RFID）系統(tǒng)。對于物聯(lián)網(wǎng)概念界定，國內(nèi)學(xué)者有明晰的框架：“狹義的物聯(lián)網(wǎng)是指連接物品到物品的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)物品的智能轉(zhuǎn)化識別和管理；廣義的物聯(lián)網(wǎng)則可以看作是信息空間與物理空間的融合，將一切事物數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，使物品之間、物品與人之間、人與現(xiàn)實(shí)環(huán)境之間實(shí)現(xiàn)高效信息交互方式，并通過新的服務(wù)模式，使各種信息技術(shù)融入社會行為，使信息化在人類社會綜合應(yīng)用達(dá)到更高境界[1]。

在物聯(lián)網(wǎng)的世界里追求目標(biāo)就是物物相連、人與物相連。網(wǎng)絡(luò)本身就是去中心化的，物聯(lián)網(wǎng)通過網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)把物與人的關(guān)系等同化，人也是其中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，沒有任何凌駕其他物之上的權(quán)利。人與物之間通過網(wǎng)絡(luò)相連各自成為網(wǎng)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。王志東等對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究已從哲學(xué)角度來解釋其含義，超出了單純從技術(shù)角度來完成或?qū)崿F(xiàn)其功能[2]。我國古代哲學(xué)家荀子所說的“善假于物也”就是這個(gè)道理。

目前，世界各國對物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)蓬勃發(fā)展。美國自2009年IBM集團(tuán)提出“智慧地球”，其推出的多個(gè)典型智能方案已在全球推廣，并且制定了一些物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、體系架構(gòu)、安全和管理制度等。2008年歐盟制定了物聯(lián)網(wǎng)政策路線圖，發(fā)布了全球首個(gè)國家級物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃《歐盟物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃》，與企業(yè)對接，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場的部署。在亞洲，日本的uJapan戰(zhàn)略和韓國的uKorea戰(zhàn)略，建立互通有無、無所不能、無所不在的社會環(huán)境，讓普通百姓享有科技智慧服務(wù)。我國自2009年8月溫家寶總理提出“感知中國”概念后，“物聯(lián)網(wǎng)”迅速得到科技界、商業(yè)界的重點(diǎn)關(guān)注。“全面感知，讓物說話，一切事務(wù)智能處理”將是今后發(fā)展的方向。相繼也提出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，建立了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究基地等。越來越多的“物品”嵌入信息網(wǎng)絡(luò)和智能感知敏感電子元件進(jìn)行相互間和機(jī)器內(nèi)部進(jìn)行通信，使得網(wǎng)絡(luò)不斷延伸，李振汕等對此做了細(xì)致研究[3]。

敏感電子元件是作為傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)周邊的末梢網(wǎng)必備硬件，常用來感知環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、壓力、光照等。王雷等認(rèn)為，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的主要內(nèi)容是通信、組網(wǎng)、管理和分布式信息處理等多個(gè)層面。依然是以網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)私有和共有網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)互聯(lián)，并實(shí)現(xiàn)共有或私有云計(jì)算基礎(chǔ)之上的智能感應(yīng)[4]。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在紅掌種植中的應(yīng)用

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)取得了一些進(jìn)展，主要表現(xiàn)在農(nóng)業(yè)傳感器微型化；農(nóng)業(yè)灌溉智能化；實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)作物生長；農(nóng)業(yè)信息可移動(dòng)化，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯化成為主流。這得益于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化技術(shù)的成熟和發(fā)展，尤其是農(nóng)產(chǎn)品種植、加工智能化的技術(shù)。王寧等將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用概括成了4個(gè)方面：空間數(shù)據(jù)采集、精準(zhǔn)灌溉、變量作業(yè)、提供數(shù)據(jù)給農(nóng)民[5]。其中，數(shù)據(jù)采集最關(guān)鍵的無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的最重要的硬件組成部件就是利用ZigBee技術(shù)——一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)[6]，再利用云平臺進(jìn)行存儲、分析、提取規(guī)則，為農(nóng)戶提供種植策略。但是目前只有大型農(nóng)業(yè)承包戶、集團(tuán)化農(nóng)產(chǎn)品加工生產(chǎn)商等在這方面具有優(yōu)勢。

要想改變目前我國大部分農(nóng)民“靠天收”的現(xiàn)狀，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、加工、銷售、質(zhì)量監(jiān)控等的物聯(lián)網(wǎng)化成為必然。

2.2 精準(zhǔn)種植實(shí)驗(yàn)種植紅掌條件

紅掌原產(chǎn)地于南美洲，是一種喜陰忌曬、喜濕忌旱、喜高溫、怕寒冷的熱帶花卉，對環(huán)境的要求很高，以此作為實(shí)驗(yàn)對象十分有意義。這也給研究者提供了一個(gè)很好的機(jī)會，在最苛刻的條件下能實(shí)現(xiàn)智能化管理，那么其他植物的種植智能管理更為方便。經(jīng)查閱資料[9-10]，紅掌栽培養(yǎng)護(hù)時(shí)首先要保持大棚溫度在16～24 ℃，冬季最低溫度在12 ℃以上，夏季溫度超過30 ℃時(shí)，要及時(shí)給紅掌植株周圍噴水降溫。其次，紅掌生長須充足的散射光，避免強(qiáng)光直射葉片、花朵；要使得陽光均勻，使其任何一個(gè)葉片都能獲得光照。第三，需要保持空氣濕度在70%左右。第四，紅掌對基質(zhì)或者肥液的pH和EC值也有較高要求，研究者認(rèn)為，紅掌生長環(huán)境的pH為5.0～6.0，EC值為1.0～1.5 ms/cm，根據(jù)季節(jié)氣溫不同，還應(yīng)該做適當(dāng)微調(diào)。還要測定CO2濃度，在溫室大棚中，一般調(diào)整至800 μmol/mol。這些苛刻條件，人工培植十分困難，效果肯定不佳，也就沒有經(jīng)濟(jì)效益。運(yùn)用智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，勢在必行。

2.3紅掌種植中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

2.3.1

紅掌的大棚種植。安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林園藝系申報(bào)了中央財(cái)政支持植物保護(hù)基地，建立了智能大棚實(shí)驗(yàn)基地1 200 m2。采用智能控制大棚內(nèi)光照、溫度、濕度、pH和EC值等。大棚設(shè)計(jì)棚頂采用雙層制，最外層用黑色網(wǎng)袋遮蓋，并采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過光照度需求測定值來實(shí)現(xiàn)開啟開啟和閉合。下層用透明面板保溫，因大棚很寬，采用3段式弧斜面制作。因紅掌要求濕度大，所以地面采用溝槽盛水保持濕度。紅掌放置鋼床上以盆栽方式種植，以便出售時(shí)方便，為了節(jié)省空間和效率，鋼床設(shè)計(jì)采用滾動(dòng)方式進(jìn)行整床移動(dòng)，方便管理。大棚全貌如圖1所示。

棚內(nèi)有一面墻外圍采用增濕墻面，增濕龍頭采用自動(dòng)控制，當(dāng)濕度感應(yīng)器低于50%時(shí)自動(dòng)開機(jī)。溫度測定用溫度感應(yīng)器測定，溫度設(shè)定為20～26 ℃。pH和EC值統(tǒng)一測定。風(fēng)機(jī)采用室內(nèi)風(fēng)機(jī)和對戶外進(jìn)行交換的大功率風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽風(fēng)換氣。大棚紅掌種植棚內(nèi)場景見圖2。2.3.2

物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)和監(jiān)控執(zhí)行過程，物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)感應(yīng)器有溫度感應(yīng)器、濕度感應(yīng)器、CO2感應(yīng)器等采用陶瓷保護(hù)套管特殊材質(zhì)或需特殊處理，可以耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、耐鹽水、耐腐蝕等。整個(gè)系統(tǒng)采用Zigbee系統(tǒng)實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在監(jiān)控系統(tǒng)中充分利用Zigbee模塊和智能開關(guān)的功能，加大平臺管理，在大棚中架設(shè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過無線網(wǎng)關(guān)傳送到主控機(jī)房，也可以通過平板電腦或手機(jī)下載APP應(yīng)用程序?qū)訚衿鳌o線電磁閥、加熱器、進(jìn)風(fēng)或出風(fēng)口智能開關(guān)、遮陽網(wǎng)等進(jìn)行控制。其整個(gè)監(jiān)控執(zhí)行過程步驟如下：

（1）建立硬件系統(tǒng)，完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)、感應(yīng)器和節(jié)點(diǎn)的布局。首先是溫度感應(yīng)器布局，既要考慮空氣溫度，又要考慮土壤溫度，所以布局在空中懸掛和鋼床上花盆中插入土壤。這樣既可以測試空氣溫度，又可以測試紅掌土壤溫度。

（2）完成安裝監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分。設(shè)計(jì)軟件平臺，既可以在網(wǎng)絡(luò)傳輸下完成實(shí)施監(jiān)控任務(wù)，又可以在無線網(wǎng)絡(luò)下使用手機(jī)進(jìn)行監(jiān)管和控制。此平臺使用Java語言設(shè)計(jì)，基于B/S模式。主要任務(wù)是檢測溫度、濕度、CO2濃度和陽光的光照度等。通過感應(yīng)器完成數(shù)據(jù)的采集，通過設(shè)置閾值，比對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，開啟/關(guān)閉無線智能開關(guān)，實(shí)現(xiàn)溫度、濕度等的智能控制。通過網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)可以觀看整個(gè)大棚紅掌生長情況。紅掌種植大棚智能物聯(lián)網(wǎng)軟件控制流程見3。

（3）執(zhí)行監(jiān)控程序，判斷溫度、光照、CO2濃度、空氣濕度等閾值，合乎條件下繼續(xù)進(jìn)入監(jiān)控程序，否則開啟相應(yīng)無線開關(guān)控制閥作出相應(yīng)的處理，直到合乎監(jiān)控條件后關(guān)閉控制閥。

（4）通過采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，人工調(diào)整閾值，加入到數(shù)據(jù)庫中，建立起植物種植共享資源庫，實(shí)現(xiàn)資源共建共享。進(jìn)一步加大推廣力度，早日實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、科技化、智能化管理當(dāng)代農(nóng)業(yè)，提高種植效益，增產(chǎn)更增收。

3結(jié)語

通過實(shí)施控制紅掌的生長環(huán)境，實(shí)時(shí)了解紅掌的大棚溫度、濕度、CO2濃度等相關(guān)生長信息數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)施補(bǔ)給水、補(bǔ)給肥料、調(diào)節(jié)CO2濃度或光照強(qiáng)度等，使得紅掌生長環(huán)境實(shí)現(xiàn)工業(yè)化自動(dòng)控制。這也為今后大規(guī)模推廣技術(shù)提供依據(jù)，也能很好地為其他植物生產(chǎn)提供相應(yīng)的技術(shù)保障。

今后應(yīng)將進(jìn)一步加大各類植物生長環(huán)境和生活特性資源數(shù)據(jù)庫建設(shè)，從而能夠進(jìn)行在同一大棚中種植多類植物，完成定位管理。進(jìn)一步加大信息化建設(shè)，對各類植物建立二維碼可以實(shí)時(shí)查看植物信息，以便實(shí)現(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)下的信息平臺使用。加大對農(nóng)戶的技術(shù)培訓(xùn)，及時(shí)了解現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢和所需要的知識和技能。建議開放高職院校的資源，實(shí)現(xiàn)農(nóng)戶對口服務(wù)，進(jìn)一步加大高校學(xué)制改革，進(jìn)行田間地頭實(shí)驗(yàn)課題教學(xué)，讓學(xué)生在農(nóng)田中學(xué)習(xí)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理，同時(shí)更要讓農(nóng)民有進(jìn)入大學(xué)學(xué)習(xí)的機(jī)會，讓其掌握現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理技術(shù)。

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