姜懿芮 段玉聰 王勇 姜俊

摘 要： 大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算等信息技術(shù)在設(shè)施生產(chǎn)中的應用，加快了設(shè)施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化進程。大數(shù)據(jù)技術(shù)在日光溫室蔬菜生產(chǎn)中的應用報道的較少，筆者闡述了日光溫室蔬菜大數(shù)據(jù)的特點、日光溫室裝備系統(tǒng)、數(shù)據(jù)平臺建設(shè)及應用，為日光溫室蔬菜智能化生產(chǎn)探討出一條新途徑，助力設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 蔬菜； 日光溫室； 大數(shù)據(jù)； 裝備系統(tǒng)； 智能化

當今世界，科學技術(shù)突飛猛進。以大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)應用為代表的信息技術(shù)，正以驚人的速度，迅速在各領(lǐng)域運用[1-2]。“大數(shù)據(jù)技術(shù)”已成為科研學術(shù)界和相關(guān)產(chǎn)業(yè)界的熱門話題，吸引著越來越多的科學家研究大數(shù)據(jù)帶來的相關(guān)問題[3]。大數(shù)據(jù)技術(shù)在工業(yè)控制和電子商務等領(lǐng)域已經(jīng)有較快的發(fā)展，與此同時，我國日光溫室蔬菜產(chǎn)業(yè)正從傳統(tǒng)意義上的精耕細作向精準化和智能化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)邁進[4-5]，然而大數(shù)據(jù)技術(shù)在日光溫室蔬菜生產(chǎn)中的應用卻鮮有報道。

目前，各級政府非常重視農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)資源的建設(shè)及其在設(shè)施蔬菜生產(chǎn)上的應用[6-8]，面對這些機遇我們需要依托大數(shù)據(jù)技術(shù)更加全面及時地掌握日光溫室蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展動態(tài)。在日光溫室蔬菜生產(chǎn)中，有效的大數(shù)據(jù)處理可以更好地控制澆水、施肥、光照、溫度等生產(chǎn)要素，為日光溫室蔬菜生產(chǎn)提供決策服務，幫助種植戶做出科學決策，然后有目的地實施管控，從而提高蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)[9]。

1 大數(shù)據(jù)與日光溫室蔬菜生產(chǎn)

1.1 大數(shù)據(jù)概念

大數(shù)據(jù)通常指是很難用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)和信息技術(shù)進行充分獲取、存儲、搜索、共享、分析和處理的海量的、復雜的并可能帶有很強處理時效和精度要求的數(shù)據(jù)集合[10]。大數(shù)據(jù)包含了5個V，即數(shù)據(jù)本身量大（Volume）、要求處理速度快（Velocity）、數(shù)據(jù)類型多變（Variety）、數(shù)據(jù)使用價值大（Value）、數(shù)據(jù)真實性（Veracity）。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)涉及到耕地、育種、播種、氣象、施肥、植保、災害預防、收獲、貯運、農(nóng)產(chǎn)品加工、品牌建立、銷售、畜牧業(yè)生產(chǎn)等各環(huán)節(jié)，是IT大數(shù)據(jù)相關(guān)的理念、技術(shù)和方法在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的實踐。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)實施和應用是跨行業(yè)、跨專業(yè)的數(shù)據(jù)分析與挖掘，對農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化、特色發(fā)揮、優(yōu)勢體現(xiàn)、國家菜籃子工程、國家糧食和食品安全等方面都具有重大意義[11]。

1.2 日光溫室蔬菜大數(shù)據(jù)的特點

日光溫室蔬菜大數(shù)據(jù)涉及到土壤化學、品種選擇、播種育苗、氣象預報、災害預警、科學施肥、環(huán)保防病、自動化收割、倉儲物流、產(chǎn)品加工、市場營銷、售后服務等諸多環(huán)節(jié)[12]，這是一個跨領(lǐng)域、跨行業(yè)、跨平臺的深層次、互動的、動態(tài)的數(shù)據(jù)分析與知識發(fā)現(xiàn)，以及相關(guān)數(shù)據(jù)分析可視化。

表示發(fā)掘難度，F(xiàn)requencyvariation表示變異頻率，F(xiàn)requencyuse表示使用頻度，F(xiàn)actordimension表示維度系數(shù)，DTL表示數(shù)據(jù)時間線。DA指代當前數(shù)據(jù)距離數(shù)據(jù)被數(shù)據(jù)創(chuàng)造的時間；公式（2）中DA表示當前數(shù)據(jù)距離數(shù)據(jù)被數(shù)據(jù)創(chuàng)造的時間，DL表示數(shù)據(jù)從產(chǎn)生到被更替或者廢棄的時間。

我們設(shè)想在大服務的解決架構(gòu)下，數(shù)據(jù)和服務處理的聚集，針對設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)相關(guān)的多種利益相關(guān)者充分貢獻出客觀的大數(shù)據(jù)處理所帶來的價值。我們擴展徐曉飛教授的大數(shù)據(jù)下的大服務概念到日光溫室農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)為：“大、雜、跨、聚、客、價值、變（變異）”。

2 日光溫室裝備系統(tǒng)的組成

裝備系統(tǒng)由數(shù)據(jù)挖掘采集系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、遠程控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和專家系統(tǒng)組成，主要包括3部分（圖1）：

（1）信息采集部分：包括溫室空氣溫濕度信息監(jiān)測、土壤信息監(jiān)測、氣象信息監(jiān)測、視頻信息采集等。（2）自動控制部分：包括溫室的溫度控制、遮陽控制、風機、補光、加熱、開窗、灌溉水肥控制等。（3）信息的發(fā)布與智能處理部分：包括 LED 信息發(fā)布系統(tǒng)、中央控制室的管理平臺、意外信息的手機報警處理等功能。

3 日光溫室蔬菜大數(shù)據(jù)的應用

日光溫室是在不適宜蔬菜生長的季節(jié)，通過日光溫室的建造為蔬菜生長發(fā)育提供良好的環(huán)境條件。傳統(tǒng)的日光溫室蔬菜生產(chǎn)往往憑感覺進行管理，存在較大的盲目性，生產(chǎn)效率低下?；诖髷?shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)了日光溫室蔬菜產(chǎn)業(yè)的智能化管理，實現(xiàn)了從種到收的全程智能化控制。河南省新蔡縣谷未來農(nóng)業(yè)生態(tài)園設(shè)施蔬菜基地，是一家以“沼-肥-菜”高效循環(huán)為核心的省級重點龍頭企業(yè)，占地面積134 m2，年產(chǎn)值近億元。近年來，該公司把大數(shù)據(jù)技術(shù)應用到了日光溫室蔬菜生產(chǎn)中，推進設(shè)施環(huán)境科學調(diào)控，水肥一體化，實現(xiàn)了日光溫室蔬菜病蟲害診治足不出棚，綠色蔬菜生產(chǎn)技術(shù)得到很大的應用，減少了種植的盲目性。參照谷未來農(nóng)業(yè)公司，日光溫室蔬菜大數(shù)據(jù)技術(shù)的應用主要包括以下方面。

3.1 日光溫室設(shè)備控制平臺的建造

3.1.1 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由空氣溫度與濕度、土壤溫度與濕度、光照強度、pH、CO2 傳感器等組成。傳感器將采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee 模塊傳送到中心節(jié)點上，同時，用戶終端和一體化控制器間傳送的控制指令也傳送到中心節(jié)點上，中心節(jié)點再經(jīng)過邊緣網(wǎng)關(guān)將傳感器數(shù)據(jù)、控制指令發(fā)送到上位機的業(yè)務平臺。管理者可通過上位機訪問網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺，實時監(jiān)測日光溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，有效控制現(xiàn)場設(shè)備[13]。

3.1.2 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng) 數(shù)據(jù)分析及顯示部分包括電腦、軟件、無線接收模塊、報警系統(tǒng)，依據(jù)不同的蔬菜作物、環(huán)境參數(shù)、生長狀況，制定不同的生產(chǎn)控制方案。

3.1.3 生產(chǎn)操作系統(tǒng) 日光溫室內(nèi)的空氣溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)可利用傳感器采集日光溫室蔬菜的生長環(huán)境，設(shè)定環(huán)境參數(shù)，當環(huán)境參數(shù)超出正常范圍時，可自動啟動風機、濕簾降溫系統(tǒng)、水暖加溫系統(tǒng)、空氣內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)；土壤溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)是利用土壤濕度和溫度傳感器等來實時獲取土壤濕度和溫度數(shù)據(jù)，為溫濕度控制系統(tǒng)提供實時信息。

3.2 日光溫室裝備控制系統(tǒng)的應用

3.2.1 日光溫室環(huán)境的監(jiān)測 使用無線傳感器實時采集日光溫室蔬菜生長環(huán)境的空氣溫度、土壤溫度，空氣濕度、土壤含水量，光照、CO2濃度、土壤pH、灌溉水重金屬含量、露點溫度等環(huán)境數(shù)據(jù)信息及視頻圖像信息，再通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，為數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析提供依據(jù)，對不適合日光溫室蔬菜生長的環(huán)境進行自動告警。

3.2.2 病蟲害預警 監(jiān)測日光溫室大棚內(nèi)影響病蟲害發(fā)生的環(huán)境因子，實現(xiàn)對病蟲害預測預報，利用短信、微信等途徑向種植戶傳遞可能即將發(fā)生的病蟲害信息，進行及時防控。

3.2.3 遠程日光溫室設(shè)備控制 通過手機APP管理系統(tǒng)，對加熱器、卷膜機、通風機、滴灌等設(shè)備實施遠程控制，從而有效控制日光溫室內(nèi)蔬菜的生長環(huán)境。

3.2.4 遠程生產(chǎn)指導 根據(jù)日光溫室蔬菜的生長特點，對蔬菜溫室大棚溫濕度、CO2等監(jiān)測到的數(shù)據(jù)對比分析，超出蔬菜正常生長的閾值范圍，系統(tǒng)將自動發(fā)出警報。

4 展 望

大數(shù)據(jù)技術(shù)的應用，解決了日光溫室蔬菜生產(chǎn)中的信息獲取、信息傳輸與互聯(lián)和不同應用環(huán)境的決策智能化，實現(xiàn)了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變，有力地推動了日光溫室蔬菜向“優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全”方向發(fā)展[14]。日光溫室蔬菜大數(shù)據(jù)技術(shù)的應用對于改變我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式粗放、成本高、農(nóng)產(chǎn)品附加值低的現(xiàn)狀，不斷提升日光溫室蔬菜產(chǎn)業(yè)化、智能化生產(chǎn)水平，加快日光溫室蔬菜產(chǎn)業(yè)化進程具有深遠意義。

由于日光溫室蔬菜生產(chǎn)存在著分散性、生產(chǎn)主體多元性、產(chǎn)品需求多樣性，因此，與互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)相比，針對日光溫室蔬菜的異質(zhì)、異構(gòu)、海量、分布式大數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)依然缺乏。例如日光溫室番茄生產(chǎn)在苗期、開花期、坐果期、采收期等不同生育期所適宜的溫度、濕度、土壤養(yǎng)分、空氣CO2濃度等均有差異，因此今后日光溫室蔬菜大數(shù)據(jù)的分析處理應該將信息分析處理技術(shù)與蔬菜作物的關(guān)鍵生長期緊密結(jié)合，只有這樣才能做到更精確、更可靠。

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