曹耀鵬，劉厚誠（.北京科百宏業(yè)科技有限公司，北京 0008；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣州 50642）

濟南科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園位于山東省濟南市萊蕪區(qū)，使用科百KB-CPS 作物精準栽培管理信物融合操作系統(tǒng)對園區(qū)大空間智能日光溫室作物（圖1）進行全面數(shù)字化管控，在充分利用自然條件和設(shè)施化、物聯(lián)網(wǎng)精準調(diào)控的基礎(chǔ)上，在暖溫帶地區(qū)生產(chǎn)出可以全年供應(yīng)市場的高品質(zhì)蓮霧、番木瓜、荔枝等熱帶水果，取得了良好成效。該產(chǎn)業(yè)園蓮霧年產(chǎn)量達4500 kg/667 m2（圖2a），可溶性固形物14%，高出原產(chǎn)地50% 以上，商品果率80%。番木瓜年均產(chǎn)量為5000 kg/667 m2（圖2b），可溶性固形物13% 以上，高出原產(chǎn)地25%。熱帶作物年產(chǎn)值均在10 萬元/667 m2以上。

圖1 科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園的大空間智能日光溫室

圖2 科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園智能溫室內(nèi)的南果北種

南果北種在技術(shù)實現(xiàn)方面存在較大難度，尤其是在溫室環(huán)境控制方面，利用傳統(tǒng)方式和普通溫室進行栽培，管控效果受限，管理成本較高?？瓢僦腔坜r(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園的高效管理則得益于大數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在栽培管理中的成熟應(yīng)用。

傳統(tǒng)的普通溫室環(huán)境控制過程中，控制決策大部分依靠農(nóng)藝師或種植者的經(jīng)驗和感性認知，存在粗放、寬泛、不確定的屬性。雖然目前大部分溫室也配置了卷簾電機、軸流風(fēng)機、濕簾系統(tǒng)等機械化環(huán)境控制設(shè)備，為環(huán)境控制提供了必要的硬件設(shè)備，但這些設(shè)備的運行控制仍然依賴于人的決策，且耗費大量時間成本。尤其是在規(guī)?；O(shè)施栽培中，如何高效精準地實現(xiàn)環(huán)境控制是需要解決的問題?；谶@些問題，科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園對系統(tǒng)提出了很多新的需求，例如人力成本節(jié)約要求、生產(chǎn)效率要求、環(huán)境控制的精準化要求、時效性要求，對農(nóng)產(chǎn)品規(guī)范化、標(biāo)準化和一致性的要求，這些要求解決的前提是環(huán)境控制的高效管理、精準管理、智能管理和經(jīng)濟管理。實際上，無論溫室栽培還是大田栽培，從始至終都是圍繞著大量的數(shù)據(jù)在進行，需要時刻關(guān)注和利用溫度、濕度、太陽輻照度、晝夜溫差、露點溫度、有效積溫等數(shù)據(jù)。文章主要介紹在智慧溫室環(huán)境控制中數(shù)據(jù)監(jiān)測、采集、傳輸、存貯以及計算應(yīng)用等問題。

數(shù)據(jù)監(jiān)測

科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園每個智能日光溫室都配置了一系列的傳感器來采集數(shù)據(jù)?？諝鉁貪穸取⑼寥罍貪穸?、太陽輻照度、CO2濃度、土壤pH和EC 等這些因素都是影響溫室內(nèi)作物生長的基本要素，是溫室環(huán)境控制中需要收集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。更進一步，收集作物生長的數(shù)據(jù)信息，如葉片溫濕度、葉面積、莖稈和果實的微變參數(shù)，徑流等。從這些數(shù)據(jù)中，可以讀取出更深層次環(huán)境與作物生長的關(guān)系，給中長期的環(huán)境控制提供更精準的智能決策。在科百智能溫室中，利用各種類別的傳感器即可收集到作物生長環(huán)境實時的、密集的、精確的全維度大數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行智能控制的基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲

圖3 園區(qū)內(nèi)不同類型的無線傳感器及中央基站

圖4 園區(qū)使用的果實直徑微變傳感器及可視化的大數(shù)據(jù)實時監(jiān)控界面

圖5 智能日光溫室中的光照傳感器和無線數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點

圖6 農(nóng)業(yè)環(huán)境大數(shù)據(jù)生產(chǎn)力

園區(qū)內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)無線農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)微基站基于互聯(lián)網(wǎng)功能，通過GPRS/GSM 網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)專用頻段將各類傳感器和節(jié)點的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到中央數(shù)據(jù)平臺。值得指出的是，相對于有線傳感器和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，科百使用的無線傳感器和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)取表現(xiàn)出了更加明顯的優(yōu)勢。一個中央微基站可覆蓋1～3 km 距離，意味著至少在4500 畝（300.15 hm2）的區(qū)域范圍內(nèi)，只需要1 座中央基站即可實現(xiàn)布置在園區(qū)中所有的傳感器和數(shù)據(jù)節(jié)點通訊。不僅節(jié)約空間，可模塊化安裝，還不受使用場景限制，低功耗，低成本，可根據(jù)園區(qū)管理者需求進行定制化配置。數(shù)據(jù)的云存儲技術(shù)更是為園區(qū)管理者節(jié)約了硬件和空間成本，使數(shù)據(jù)成為一種可隨時取用的無形資產(chǎn)。

數(shù)據(jù)計算和應(yīng)用

數(shù)據(jù)采集和存儲的最終目的是數(shù)據(jù)應(yīng)用，大量的數(shù)據(jù)需要通過物聯(lián)網(wǎng)平臺和一系列的算法來計算控制邏輯，因此一個完整的、可靠的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)還必須具備強大的數(shù)據(jù)計算能力。根據(jù)不同應(yīng)用場景和需求，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)可以完全實現(xiàn)六大農(nóng)業(yè)環(huán)境大數(shù)據(jù)生產(chǎn)力（圖6）。

大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在智能溫室環(huán)境控制中的基礎(chǔ)應(yīng)用

科百物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通過云平臺或手機APP（圖7～8）可實現(xiàn)對溫室環(huán)境的遠程實時控制。所有接入平臺的環(huán)控設(shè)備如通風(fēng)口、保溫被、軸流風(fēng)機、濕簾系統(tǒng)、遮陽網(wǎng)、補光燈、電磁閥、加濕器等設(shè)備，都可在指令下發(fā)后實現(xiàn)遠程和實時管理。這些應(yīng)用可節(jié)約大量的人力成本，實現(xiàn)設(shè)備控制的統(tǒng)一和標(biāo)準化管理，尤其是在多溫室管理中，一個園區(qū)管理員通過云平臺可對十多個溫室進行遠程實時環(huán)境管理，遠程一鍵操作某個或多個設(shè)備設(shè)施的啟停。系統(tǒng)還可根據(jù)園區(qū)管理員需求，針對某一類設(shè)備設(shè)置定時任務(wù)或條件任務(wù)。

圖7 信物融合系統(tǒng)大空間智能溫室環(huán)境控制APP 界面

圖8 CaipoWeb 數(shù)據(jù)云平臺的智能控制模塊界面

在智能溫室中，某些環(huán)境管理需要通過設(shè)備高頻次的啟停來實現(xiàn)目標(biāo)環(huán)境控制，以溫室高溫時的降溫為例，如果設(shè)定蓮霧智能溫室目標(biāo)溫度為25～27 ℃，在不使用濕簾系統(tǒng)的節(jié)能要求前提下，最經(jīng)濟有效的手段是通過通風(fēng)口的頻繁開啟和關(guān)閉實現(xiàn)降溫目的，這可能需要間隔十幾分鐘的高頻次風(fēng)口電機啟停動作，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可根據(jù)條件設(shè)定，自動下發(fā)啟停和開度指令，實現(xiàn)溫度保持在設(shè)定范圍之內(nèi)。在智能連棟溫室環(huán)境調(diào)控中需要風(fēng)機、遮陽簾、加溫設(shè)備、濕簾等設(shè)備的聯(lián)合運行來確保溫度在設(shè)定的范圍內(nèi)，這種控制就需要多個設(shè)備的聯(lián)合、高頻動作，設(shè)備運行的先后順序、運行時間、運行強度包括能效指標(biāo)都需要被考量，這種控制就需要一套復(fù)雜的邏輯運算來進行，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可根據(jù)采集的數(shù)據(jù)和目標(biāo)任務(wù)在計算后制定出嚴密的設(shè)備控制決策，自動執(zhí)行，智能運行，達成環(huán)境控制目的。

大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在智能溫室環(huán)境控制中的高級應(yīng)用

農(nóng)業(yè)數(shù)學(xué)模型的研究一直是農(nóng)科領(lǐng)域的熱點之一，但數(shù)學(xué)模型在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中很難被實質(zhì)性應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，高效的數(shù)據(jù)采集傳輸運用等問題迎刃而解，這給農(nóng)業(yè)數(shù)學(xué)模型的高效應(yīng)用創(chuàng)造了必要條件。

以計算果樹需冷量的猶他模型為例，該模型如果以傳統(tǒng)手段來運行十分困難，僅數(shù)據(jù)采集就是一項龐大而復(fù)雜的工程。但在智能溫室中，以秒級為采集時間顆粒度的溫度大數(shù)據(jù)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)后臺算法，即可精準實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集、傳輸和存儲，便捷地運行模型，同時物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)施可在系統(tǒng)支持下智能運行，來進行需冷量的精準監(jiān)測和環(huán)境調(diào)控，為精準生產(chǎn)提供有效的支撐。在科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園溫室荔枝栽培中，使用了基于猶他模型理論的需冷量控制模型進行低溫積溫預(yù)測和智能環(huán)境控制，實現(xiàn)了荔枝在該園區(qū)的早成花、早坐果、早成熟，同時提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

圖9 科百云平臺的保溫被開關(guān)智能決策模型界面

保溫被是智能日光溫室進行溫度管理的重要設(shè)備，何時開啟和關(guān)閉影響光熱資源的有效利用，如何實現(xiàn)無人值守式的多溫室同步管理需涉及人力資源和高效管理；如何應(yīng)對不良天氣因素對設(shè)備造成的損失，涉及管理中的安全性問題。針對這一系列問題，在濟南科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園，基于長期采集的大量保溫被控制數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選和深度分析，在其物聯(lián)網(wǎng)云平臺上開發(fā)了保溫被開關(guān)智能決策模型，模型上線后可指導(dǎo)保溫被在合適的時間自動開啟和關(guān)閉（圖9），實現(xiàn)了溫度光照控制高效和便捷化管理。該模型數(shù)據(jù)分析原理見公式（1）、公式（2），具體因素與權(quán)重詳見表1。

表1 影響保溫被開啟和關(guān)閉的因素及權(quán)重

根據(jù)系統(tǒng)平臺的大數(shù)據(jù)分析，保溫被打開關(guān)閉預(yù)測函數(shù)為：

判斷邏輯：當(dāng)F(x)≥某值時，保溫被打開

當(dāng)F(x)＜某值時，保溫被關(guān)閉

一些病蟲害的發(fā)生和流行與種植環(huán)境參數(shù)關(guān)系密切。例如有效積溫影響蚜蟲的發(fā)生世代和蟲態(tài)，溫濕度和持續(xù)時間影響炭疽病等真菌性病害在作物生長某一時期的發(fā)生風(fēng)險?；谶@些基本原理，通過溫室環(huán)境監(jiān)測和計算，可以精準預(yù)測病蟲害的發(fā)生規(guī)律，為植保管理提供決策，更進一步，可以在不影響作物生長的前提下進行環(huán)境干預(yù)，來預(yù)防病蟲害的發(fā)生和流行。在科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園，植保管理依靠物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的數(shù)十個病蟲害模型進行病蟲害預(yù)警和提前預(yù)防。以蓮霧炭疽病為例，該模型基于真菌性病害發(fā)生的侵染機理，分析炭疽病侵染、傳播、流行所需的必要條件，通過采集大量高密度的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)、蓮霧生長狀況數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)篩選和算法，計算和預(yù)測病害發(fā)生臨界點，通過系統(tǒng)給管理者發(fā)送植保預(yù)警信息，同時指導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主動開啟通風(fēng)除濕系統(tǒng)等設(shè)備采取干預(yù)措施，阻止病害發(fā)生和流行，有效促進了植保管理中的綠色防控（圖10）。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和水肥管理數(shù)字模型（圖11）基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采集的土壤數(shù)據(jù)（田持、相對濕度變化值、土壤EC 和pH 變化值）、大氣環(huán)境數(shù)據(jù)（氣溫、風(fēng)速）、作物生長數(shù)據(jù)（物候期、目標(biāo)產(chǎn)量）等多維度數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)平臺的數(shù)據(jù)篩選、模型公式的運算，計算蒸騰蒸散量、每天作物的需水和需肥量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)預(yù)測未來多天的需水需肥值，主動開啟電磁閥和施肥機通道開關(guān)，對作物進行精準化水肥管理決策。作物在生長過程中對水肥的吸收是持續(xù)不斷的，只是基于傳統(tǒng)的方式不可能實現(xiàn)“一日三餐”式的水肥補給?；谧詣踊椭悄芑奈锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)就可在無人操控水利設(shè)施對作物進行極高頻次灌溉和施肥，科百智慧產(chǎn)業(yè)園的蓮霧栽培中，根據(jù)蓮霧需水規(guī)律，利用水肥管理模型，將灌水周期縮短至數(shù)個小時的級別（3～4 次/ 天），這種智能化的管理模式可極大地節(jié)約用水和提高肥料利用率，經(jīng)園區(qū)實踐驗證，相對于傳統(tǒng)方式物聯(lián)網(wǎng)智能水肥管理模型可節(jié)約用水70%，肥料利用率提高50% 以上。

圖10 科百云平臺的病蟲害預(yù)警模型界面

圖11 基于智能水肥管理決策模型的高頻灌溉數(shù)據(jù)界面

數(shù)字農(nóng)場

科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園利用大數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，以數(shù)字孿生技術(shù)可在云平臺構(gòu)建一個與現(xiàn)實物理農(nóng)場相對應(yīng)的數(shù)字農(nóng)場（圖12～13）。數(shù)字農(nóng)場可精準地反饋物理農(nóng)場環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備設(shè)施狀態(tài)等全維度的實時數(shù)據(jù)，配合一系列控制邏輯和數(shù)字模型，實現(xiàn)全程無人值守式的智能化環(huán)境管理和栽培管理。

總結(jié)

科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園通過農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)對園區(qū)智能溫室土壤、作物生理、氣象小環(huán)境等環(huán)境因素的進行全緯度、高密度、高粒度的大數(shù)據(jù)在線監(jiān)測。根據(jù)作物和環(huán)境實時情況，通過物聯(lián)網(wǎng)無線控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)作物栽培的精準控制和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境控制設(shè)備的智能管理。通過病蟲害數(shù)字模型準確預(yù)測農(nóng)作物病蟲害發(fā)生的時間和程度，制定精準預(yù)測、精準預(yù)防和精準控制的植保方案，取代現(xiàn)場人工植保模式。通過水肥管理模型進行作物全生長周期的水肥智能化管理，通過光資源高效利用、保溫被開關(guān)智能決策等模型最大限度利用光熱資源。這一系列科技手段的應(yīng)用在一定程度上代表了智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與方向，科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園優(yōu)秀的管理成效也是其大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可靠性和科技水平的證明。

當(dāng)然，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響因素繁多、環(huán)境復(fù)雜，智能溫室環(huán)境控制更是個多學(xué)科融合的龐大工程，還有廣闊的發(fā)展空間，但發(fā)展方向必然是基于大數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)字化解決模式?？梢灶A(yù)見在不遠的將來，大數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐下的智能溫室環(huán)境控制會在現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)中得以更廣泛的應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)注入強勁的“數(shù)據(jù)力”，帶來一場徹底的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)系變革。

圖12 KB-CPS 信物融合系統(tǒng)數(shù)字農(nóng)場界面

圖13 KB-CPS 信物融合系統(tǒng)智能溫室環(huán)境控制界面