柳 軍，孟力力，夏禮如

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備所，江蘇 南京 210014)

設(shè)施農(nóng)業(yè)智能管控系統(tǒng)分析與構(gòu)建

柳 軍，孟力力，夏禮如

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備所，江蘇 南京 210014)

分析當(dāng)前設(shè)施農(nóng)業(yè)管控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，從系統(tǒng)工程觀點(diǎn)出發(fā)，針對現(xiàn)有系統(tǒng)在應(yīng)用中的主要問題，對設(shè)施農(nóng)業(yè)智能管控系統(tǒng)構(gòu)建進(jìn)行研究，通過采用信息技術(shù)、栽培技術(shù)、智能自動(dòng)控制等技術(shù)，對設(shè)施環(huán)境因子、生長因子的實(shí)時(shí)監(jiān)測、預(yù)警與調(diào)控，并遠(yuǎn)程傳輸至生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與診斷，創(chuàng)新一種設(shè)施蔬菜智能化栽培管理模式，并對今后的應(yīng)用提出建議。

設(shè)施農(nóng)業(yè)； 物聯(lián)網(wǎng)； 智能

隨著設(shè)施種植面積不斷增加，我國設(shè)施園藝經(jīng)過30多年的發(fā)展，形成不同地域特色的設(shè)施類型，已成為世界設(shè)施面積最大的國家[1]。在設(shè)施栽培條件下，小氣候環(huán)境變化較大，如何為蔬菜等作物生長提供最優(yōu)環(huán)境是設(shè)施栽培管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。設(shè)施農(nóng)業(yè)智能管控系統(tǒng)是提高作物產(chǎn)量和降低勞力成本的關(guān)鍵力量，利用信息化和自動(dòng)化技術(shù)，進(jìn)行環(huán)境、作物生長因子的實(shí)時(shí)監(jiān)測、預(yù)警與調(diào)控，創(chuàng)新設(shè)施作物栽培、環(huán)境因子調(diào)控、水肥氣光藥合理供給模式與裝備，可為設(shè)施種植產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科技支撐。

目前，發(fā)達(dá)國家設(shè)施條件基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和自動(dòng)化。尤其是環(huán)控部分，可有效調(diào)節(jié)設(shè)施內(nèi)溫光水氣等環(huán)境因素，為作物生長提供最佳環(huán)境，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)的高效益[2]。而我國由于尚未實(shí)現(xiàn)環(huán)控自動(dòng)化和生產(chǎn)環(huán)節(jié)的機(jī)械化，從而導(dǎo)致勞動(dòng)生產(chǎn)率低，產(chǎn)量和質(zhì)量及效益不高，嚴(yán)重制約了設(shè)施園藝生產(chǎn)的發(fā)展。因此，開展設(shè)施栽培管理模式創(chuàng)新與環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)研究是提高我國設(shè)施園藝產(chǎn)品競爭力的戰(zhàn)略選擇。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)最前沿的發(fā)展領(lǐng)域之一，是目前發(fā)展農(nóng)業(yè)信息化，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵和核心技術(shù)[3]，而基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)管控系統(tǒng)是今后智能農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然選擇[4]。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)管控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)采用信息化的方式改造農(nóng)業(yè)，推動(dòng)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型，對提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的決策水平、提升自動(dòng)化和管理水平起到關(guān)鍵性作用[5- 7]。近年來，在政府、企業(yè)、高校科研院所等機(jī)構(gòu)的共同推進(jìn)下，技術(shù)研究和示范應(yīng)用取得了一些成效，積累了一些經(jīng)驗(yàn)[8- 11]，但在實(shí)際生產(chǎn)中仍然存在著一些問題。設(shè)施大棚內(nèi)的種植管理依賴于人工操作依然較多，雖然國內(nèi)生產(chǎn)設(shè)施環(huán)境智能調(diào)控設(shè)備的企業(yè)有很多，但生產(chǎn)經(jīng)營規(guī)模都較小，從國外吸收引進(jìn)的技術(shù)與產(chǎn)品仍需一定時(shí)間消化。國內(nèi)農(nóng)業(yè)科研院所相關(guān)專家在設(shè)施環(huán)境智能調(diào)控方面做的相關(guān)研究，多偏重于基礎(chǔ)理論與技術(shù)研究，相關(guān)工作多以項(xiàng)目為主，科研成果并未形成系列成熟產(chǎn)品而廣泛應(yīng)用。

2 主要問題分析

雖然設(shè)施農(nóng)業(yè)智能管控系統(tǒng)研究開發(fā)已經(jīng)起步，對存在著的一些問題和困難也取得了一些經(jīng)驗(yàn)，但落實(shí)到具體實(shí)施者，則表現(xiàn)出對技術(shù)發(fā)展應(yīng)用前景認(rèn)識不足，對使用該項(xiàng)系統(tǒng)的堅(jiān)定持久性不足，對發(fā)生的問題認(rèn)識不清。實(shí)際應(yīng)用中，環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)處于“只監(jiān)不控”的工作狀態(tài)，產(chǎn)品性能及使用流于形式；設(shè)備管理系統(tǒng)中，缺少針對性控制策略，所有功能均是人為經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)暫存的環(huán)境因子數(shù)據(jù)未能及時(shí)處理分析，缺少不良趨勢預(yù)警與專家診斷反饋調(diào)控功能，造成系統(tǒng)調(diào)控滯后與實(shí)際農(nóng)藝栽培技術(shù)融合性差；缺乏復(fù)合應(yīng)用管理人員，大部分應(yīng)用農(nóng)業(yè)企業(yè)和合作社的管理人員，對新型的基于物聯(lián)網(wǎng)管理準(zhǔn)備不足，缺乏掌握基于物聯(lián)網(wǎng)管理技術(shù)、農(nóng)業(yè)技術(shù)等復(fù)合應(yīng)用管理人員。綜上所述，構(gòu)建清晰的設(shè)施環(huán)境智能管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施栽培關(guān)鍵技術(shù)信息與環(huán)境因子融合，遠(yuǎn)程監(jiān)控與動(dòng)態(tài)預(yù)警集成是迫切的。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)建設(shè)施農(nóng)業(yè)管控系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)目前設(shè)施智能管控系統(tǒng)存在的問題，按照系統(tǒng)工程技術(shù)角度，總體設(shè)計(jì)采用設(shè)施栽培農(nóng)藝信息、環(huán)境因子、人為經(jīng)驗(yàn)信息相融合的研究方法，參照物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系[12- 13]，將采集與統(tǒng)計(jì)設(shè)施作物周年性栽培管理信息、環(huán)境因子、設(shè)施環(huán)境安全生產(chǎn)信息，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將現(xiàn)場控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)相結(jié)合。針對智能環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)工作原理和功能，進(jìn)行系統(tǒng)方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)，進(jìn)行設(shè)施改造與現(xiàn)有選型傳感器、末端執(zhí)行設(shè)備安裝調(diào)試，軟件硬件系統(tǒng)集成研發(fā)，進(jìn)而將完成的環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)安裝、調(diào)試和試運(yùn)行。通過設(shè)施現(xiàn)場各項(xiàng)環(huán)境因子參數(shù)的采集對比，進(jìn)行系統(tǒng)考核試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高調(diào)控準(zhǔn)確性，并進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，形成定型產(chǎn)品。如圖1所示，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)分為設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)施現(xiàn)場管理系統(tǒng)，安全生產(chǎn)管理門戶3個(gè)部分。

圖1 設(shè)施農(nóng)業(yè)智能管控系統(tǒng)構(gòu)建

3.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.2.1 設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)

包含環(huán)境實(shí)時(shí)感知、裝備管理、通信終端及傳感網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

環(huán)境實(shí)時(shí)感知。設(shè)施大棚環(huán)境信息感知單元由無線采集終端和各種環(huán)境信息傳感器組成。環(huán)境信息傳感器監(jiān)測空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤水分溫度、土壤pH值、CO2等多點(diǎn)環(huán)境參數(shù)，通過無線采集終端，以zigbee組網(wǎng)方式將采集數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心。

裝備管理終端。設(shè)施環(huán)境智能調(diào)控單元由溫濕度調(diào)控裝備，包括內(nèi)遮陽、外遮陽、風(fēng)機(jī)、濕簾水泵、頂部通風(fēng)、電磁閥等設(shè)備，以及水肥管理裝備，主要包括灌溉機(jī)組和變量施肥機(jī)，測控模塊、電磁閥、配電控制柜及安裝附件組成，通過安全可靠地總線方式與管理監(jiān)控中心連接，也可通過開放的OPC技術(shù)與其他裝備管理系統(tǒng)連接。

通信終端及傳感網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。設(shè)施大棚無線傳感通信網(wǎng)絡(luò)主要由設(shè)施大棚內(nèi)部感知節(jié)點(diǎn)間的自組織網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和設(shè)施大棚間及設(shè)施大棚與現(xiàn)場管理系統(tǒng)中心的通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)兩部分組成。前者主要實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集及傳感器與執(zhí)行控制器間的數(shù)據(jù)交互。設(shè)施大棚環(huán)境信息通過內(nèi)部自組織網(wǎng)絡(luò)在中繼節(jié)點(diǎn)匯聚后，將通過設(shè)施大棚間及設(shè)施大棚與現(xiàn)場管理系統(tǒng)中心的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對各設(shè)施大棚環(huán)境信息的監(jiān)控。

3.2.2 設(shè)施現(xiàn)場管理系統(tǒng)

包含數(shù)據(jù)處理融合部分和管理策略部分。數(shù)據(jù)處理融合部分指在設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)交互過來的環(huán)境感知信息、調(diào)控設(shè)備工作狀態(tài)信息進(jìn)行有序存儲(chǔ)、查詢和初步邏輯處理；管理策略則根據(jù)作物周年生長數(shù)據(jù)，查找比對環(huán)境調(diào)控策略和水肥耦合調(diào)控策略，根據(jù)傳感器測量的各項(xiàng)參數(shù)值和系統(tǒng)預(yù)警信息，確定水肥藥合理供給策略，通過控制水肥耦合式灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水肥精確智能管理；對現(xiàn)場人為干預(yù)行為進(jìn)行系統(tǒng)告知，并記錄有效操作和關(guān)聯(lián)信息，對更改過的部分通過遠(yuǎn)程傳輸，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至安全生產(chǎn)管理門戶部分，同時(shí)承擔(dān)著安全生產(chǎn)管理門戶決策信息變更，不斷優(yōu)化管理策略，達(dá)到自主更新。

3.2.3 安全生產(chǎn)管理門戶

該部分的設(shè)立主要為園區(qū)系統(tǒng)管理者提供，也是該項(xiàng)目智能化管理的中心。通過與現(xiàn)場管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互、轉(zhuǎn)發(fā)，取得現(xiàn)場設(shè)施作物生長過程中的環(huán)境、安全、裝備管理信息，結(jié)合專家診斷與大數(shù)據(jù)挖掘分析，建立自主學(xué)習(xí)規(guī)則，根據(jù)作物生長規(guī)律和周年調(diào)控信息，優(yōu)化現(xiàn)場設(shè)施管理策略。系統(tǒng)中植入周年性栽培關(guān)鍵技術(shù)信息，跟隨作物生長周期，不斷調(diào)控設(shè)施環(huán)境因子，并對設(shè)施環(huán)境不利于作物生長的因素進(jìn)行預(yù)判，對有可能產(chǎn)生重大影響的關(guān)鍵因子，進(jìn)行不間斷監(jiān)測，形成整個(gè)生長周期的動(dòng)態(tài)預(yù)警。同時(shí)，該安全生產(chǎn)管理門戶對現(xiàn)場出現(xiàn)的異常信息進(jìn)行綜合評價(jià)，對不良趨勢進(jìn)行預(yù)警，提高設(shè)施安全生產(chǎn)的可靠性。

4 建議與小結(jié)

隨著今后人力成本的逐步提高，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的步伐會(huì)是越來越快，利用先進(jìn)的設(shè)施農(nóng)業(yè)智能管控技術(shù)，改變生產(chǎn)模式，科學(xué)合理安排生產(chǎn)，對全流程的監(jiān)管方向不會(huì)變。結(jié)合前述當(dāng)前問題現(xiàn)狀以及管控系統(tǒng)的構(gòu)建提出以下建議。

產(chǎn)業(yè)園的帶頭引領(lǐng)作用，培育龍頭企業(yè)，針對地方產(chǎn)業(yè)園特色，在相對一致的架構(gòu)下構(gòu)建智能管控系統(tǒng)，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的硬件接口，支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中間件，增加經(jīng)濟(jì)性評價(jià)研究。

堅(jiān)定新技術(shù)的使用，使用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信息技術(shù)和自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理的數(shù)字化、自動(dòng)化和遠(yuǎn)程化。數(shù)字化體現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)的積累、產(chǎn)量的預(yù)測和質(zhì)量的控制，為推動(dòng)精細(xì)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持；自動(dòng)化體現(xiàn)在省力、省工；遠(yuǎn)程化體現(xiàn)在解放管理人員的在場限制，管理可借助遠(yuǎn)程專家的指導(dǎo)。

深入探索新技術(shù)的運(yùn)營和服務(wù)模式，政府與研究機(jī)構(gòu)對應(yīng)用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)價(jià)值起積極推廣示范作用，培養(yǎng)更多復(fù)合式農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理人才，解決項(xiàng)目投入、企業(yè)運(yùn)營、農(nóng)戶/消費(fèi)者收益服務(wù)模式的各個(gè)環(huán)節(jié)銜接問題[11]。

鼓勵(lì)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)不斷開展新技術(shù)研究，特別是農(nóng)用傳感器創(chuàng)新及微型化和智能化，利用新結(jié)構(gòu)、新原理、新材料，實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗、高可靠性的方向發(fā)展[14- 15]。

本文立足于我國設(shè)施園藝現(xiàn)代化生產(chǎn)形式，闡述基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)管控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，分析了其中的主要問題，提出設(shè)施農(nóng)業(yè)智能管控系統(tǒng)研究與構(gòu)建。系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)體系融合了作物栽培技術(shù)、智能控制技術(shù)、信息化技術(shù)，對作物環(huán)境因子、生長因子的實(shí)時(shí)監(jiān)測、預(yù)警與調(diào)控，并遠(yuǎn)程傳輸至生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與診斷，實(shí)現(xiàn)智能化的環(huán)境因子調(diào)控、水肥氣光藥合理供給模式。該系統(tǒng)不僅顯著提高生產(chǎn)管理效率，大大減少用工量，降低生產(chǎn)成本，而且能有效節(jié)約水、肥、藥資源，提升設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理自動(dòng)化水平。

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(責(zé)任編輯：張瑞麟)

2016- 12- 24

江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金CX(15)1033

柳 軍(1984—)，江蘇南京人，助理研究員，碩士，研究方向?yàn)橹悄苻r(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究，E- maill: nkyliu@163.com。

10.16178/j.issn.0528- 9017.20170353

S126；TP277.2

A

0528- 9017(2017)03- 0534- 03

文獻(xiàn)著錄格式：柳軍，孟力力，夏禮如. 設(shè)施農(nóng)業(yè)智能管控系統(tǒng)分析與構(gòu)建[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(3)：534- 536，540.