潘林杰，張 東

（中通服咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的兩大特點(diǎn)是低廉的勞動(dòng)力和豐富的自然資源[1]，但是，隨著人力成本的不斷提高和科技生產(chǎn)的不斷進(jìn)步，僅靠密集的勞動(dòng)力已無法滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求，亟需加快由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型速度，而智慧農(nóng)業(yè)便是當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展的主流趨勢。依托互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化、數(shù)字化、生態(tài)化，從而提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

我國是果蔬花卉的生產(chǎn)大國和消費(fèi)大國，除糧食作物外，果蔬花卉是栽培面積較為廣泛、經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的作物。在社會(huì)發(fā)展日新月異的今天，人們對于生活質(zhì)量要求越來越高，食品安全問題已成為人們的熱點(diǎn)話題，綠色有機(jī)食品的市場不斷擴(kuò)大，果蔬花卉的種植種類及規(guī)模均呈上升態(tài)勢，且單畝產(chǎn)出也提高不少。2008年，全國果蔬花卉播種面積1 785.6萬hm2，總產(chǎn)量逾59 240萬t；2016年，全國果蔬花卉播種面積2 166.9萬hm2，總產(chǎn)量逾80 005萬t。果蔬花卉種植結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，由原有的以量取勝逐漸向效益導(dǎo)向轉(zhuǎn)變。但與國外發(fā)達(dá)國家相比，總體上仍存在較大的差距，如智能化應(yīng)用水平較低、大棚等基礎(chǔ)配套落后、土壤和水污染嚴(yán)重、單位土地出產(chǎn)率較低、質(zhì)量安全隱患突出、標(biāo)準(zhǔn)化體系不完善等。

以荷蘭、日本等國為例，其采用專用設(shè)施栽培果蔬花卉，全自動(dòng)或半自動(dòng)專業(yè)設(shè)備的應(yīng)用貫穿整個(gè)生產(chǎn)過程，從育種、播種到收獲采摘高度實(shí)現(xiàn)專業(yè)化、機(jī)械化和集約化。同時(shí)，國外發(fā)達(dá)國家從土壤、水源、空氣等多種角度考評農(nóng)業(yè)環(huán)境等級(jí)，控制化肥、農(nóng)藥用量，節(jié)約土地和水資源使用。食品安全方面，美國和新西蘭等國家從果蔬花卉種植到銷售的各個(gè)環(huán)節(jié)都有明確的安全規(guī)定，生產(chǎn)者必須建立并提交相應(yīng)的產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)檔案。十分注重產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合，實(shí)用性的先進(jìn)科研成果投入實(shí)際生產(chǎn)中，在生產(chǎn)中驗(yàn)證科研成果并完成改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)螺旋式發(fā)展。

2 社會(huì)價(jià)值

我國果蔬花卉產(chǎn)業(yè)總體發(fā)展態(tài)勢良好，智慧農(nóng)業(yè)的應(yīng)用對于我國城市供給、果蔬花卉生產(chǎn)、保障人民生活和維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定具有重要應(yīng)用和示范意義。

1）節(jié)能環(huán)保，建設(shè)綠色農(nóng)業(yè)。通過物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能以及系統(tǒng)集成技術(shù)建立一種環(huán)保、生態(tài)、資源節(jié)約型農(nóng)業(yè)；通過精細(xì)化種植手段，降低對化肥和農(nóng)藥的依賴程度，減少環(huán)境污染；通過對土壤及作物的動(dòng)態(tài)監(jiān)測及先進(jìn)澆灌技術(shù)，提升水資源的利用效率。

2）智能裝備，提高生產(chǎn)率?；ヂ?lián)網(wǎng)和城鎮(zhèn)化的發(fā)展導(dǎo)致我國農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力緊缺、勞動(dòng)力老年化嚴(yán)重，利用計(jì)算機(jī)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化技術(shù)和智能裝備等提高生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化水平，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高新技術(shù)應(yīng)用水平，增加勞動(dòng)產(chǎn)出效益。管理人員無論身在何地，都可遠(yuǎn)程掌握現(xiàn)場情況。

3）精細(xì)管理，促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；?。對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行量化建模[2]，定期采集氣象條件數(shù)據(jù)及農(nóng)作物生長發(fā)育狀況、病蟲害、水肥狀況的生長因子，構(gòu)建作物生長模型，形成標(biāo)準(zhǔn)化種植方案，形成標(biāo)準(zhǔn)操作流程，建立疑難問題數(shù)據(jù)庫，通過云計(jì)算輔助分析，實(shí)現(xiàn)輔助生產(chǎn)者作出決策，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理，同時(shí)方便規(guī)?；茝V。

4）專業(yè)知識(shí)，增強(qiáng)生產(chǎn)保障。決定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的因素往往有很多，如土壤、空氣、天氣變化、日照時(shí)間、作物品種、設(shè)備條件、技術(shù)措施等。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)表現(xiàn)為顯著的時(shí)空變異性、較大的區(qū)域差異性和分散性，較低的穩(wěn)定性和可控性，傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理以定性或半定量的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)為主。智慧農(nóng)業(yè)可通過專家系統(tǒng)給予生產(chǎn)預(yù)警、知識(shí)檢索和疑難會(huì)診等措施保障生產(chǎn)。

5）全程追溯，保障食品安全。從種子培育直至最終采摘質(zhì)檢，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的投入品、田間作業(yè)、加工和運(yùn)輸過程全程記錄，確?？苫厮莶樵儭Ｕ麄€(gè)過程透明可視，消費(fèi)者或監(jiān)管部門能隨時(shí)切入生產(chǎn)環(huán)節(jié)，了解生產(chǎn)情況，避免數(shù)據(jù)造假，提高公信力。

3 智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)可分為四層。第一層為感知層，第二層為傳輸層，第三層為應(yīng)用層，第四層為用戶層。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Framework of the Internet of Things

1）感知層。通過光照傳感器、土壤溫濕度傳感器、酸堿值傳感器、二氧化碳濃度傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、雨量傳感器等來獲取作物信息[3]。通過射頻識(shí)別（Radio Fre-quency Identification，RFID）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)非接觸式自動(dòng)識(shí)別。

2）傳輸層。傳輸層是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的中樞，可選擇3G/4G網(wǎng)絡(luò)、WiFi網(wǎng)絡(luò)、Zigbee網(wǎng)絡(luò)、Lora網(wǎng)絡(luò)等多種網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對感知層獲取的信息的傳遞和處理。

3）應(yīng)用層。系統(tǒng)在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)與用戶的對接，與用戶實(shí)際需求深度結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的多種實(shí)際功能。

4）用戶層。用戶層是系統(tǒng)的使用人群，包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者、政府監(jiān)管部門、遠(yuǎn)程專家、流通領(lǐng)域人員和消費(fèi)者。

4 智慧農(nóng)業(yè)綜合解決方案

智慧農(nóng)業(yè)綜合解決方案主要由溫室自動(dòng)化控制系統(tǒng)、環(huán)境智慧感知系統(tǒng)、水肥一體化系統(tǒng)和種植專家系統(tǒng)四部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 System structure diagram

4.1 溫室自動(dòng)化控制系統(tǒng)

溫室的自動(dòng)化控制主要由兩部分組成，第一部分是溫室的自動(dòng)化設(shè)備，包括通風(fēng)系統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)、降溫系統(tǒng)和補(bǔ)光系統(tǒng)；第二部分是智能化中央控制系統(tǒng)，可以集成控制溫室內(nèi)所有自動(dòng)化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能化控制。

1）通風(fēng)系統(tǒng)。溫室工程室內(nèi)外氣體流動(dòng)交換的過程，主要目的是調(diào)節(jié)溫室工程內(nèi)空氣濕度、二氧化碳濃度、室內(nèi)溫度以及排出有害氣體，達(dá)到最適宜溫室內(nèi)種植作物生長的環(huán)境條件。自然通風(fēng)系統(tǒng)需安裝電動(dòng)卷膜機(jī)以控制溫室天面及側(cè)面窗口開合，同時(shí)布置風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)。

2）遮陽系統(tǒng)。遮陽系統(tǒng)即起到遮擋陽光的作用，在夏季高溫天氣，一般可降低溫室內(nèi)溫度7℃左右；冬季嚴(yán)寒天氣中，遮陽系統(tǒng)由于自身保暖作用，可進(jìn)一步降低能耗，減少升溫所需能源使用，相比未安裝遮陽系統(tǒng)的大棚，溫度可提高6℃～7℃[4]。

3）降溫系統(tǒng)。溫室降溫系統(tǒng)一般采用通風(fēng)降溫、遮陽降溫（內(nèi)遮陽、外遮陽、側(cè)遮陽）、蒸發(fā)冷卻降溫（風(fēng)機(jī)濕簾系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)）等方式[5]。

4）補(bǔ)光系統(tǒng)。采用熒光燈、高壓鈉燈等設(shè)備，根據(jù)作物生長光周期需要，一是抑制或促進(jìn)花芽分化，人為介入，調(diào)節(jié)作物的開花時(shí)間；二是促進(jìn)作物光合作用，促進(jìn)作物生長，彌補(bǔ)太陽光照的不足。

5）智能化中央控制系統(tǒng)集成。智能化中央控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的集中控制及遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)化控制，結(jié)合種植專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人化植物工廠。

4.2 環(huán)境智慧感知系統(tǒng)

環(huán)境智慧感知系統(tǒng)主要是對種植環(huán)境的氣象、土壤、水和作物長勢等的信息自動(dòng)感知和監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化農(nóng)業(yè)，已精準(zhǔn)數(shù)字代替人工感受和經(jīng)驗(yàn)。

1）室外自動(dòng)氣象站。通過氣象監(jiān)測設(shè)備，針對室外風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、光照時(shí)間、大氣壓力、PM2.5等環(huán)境要素進(jìn)行全天候現(xiàn)場監(jiān)測[6]，同步上傳平臺(tái)記錄，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)曲線分析。

2）室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測站。室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測站主要采集溫室內(nèi)影響作物生產(chǎn)的環(huán)境因子數(shù)據(jù)，包括土壤及空氣溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等[7]，以及觀察作物生長態(tài)勢的視頻系統(tǒng)。

3）病蟲害監(jiān)測。通過光、聲、味等多種信號(hào)，對害蟲進(jìn)行引誘，利用電擊等手段有效滅殺病蟲。同時(shí)采集蟲情數(shù)據(jù)，上傳智慧平臺(tái)，統(tǒng)計(jì)分析多年病蟲害發(fā)生時(shí)間、種類、規(guī)模，從而實(shí)現(xiàn)事前警示預(yù)防，降低病蟲害危害。

4.3 水肥一體化系統(tǒng)

水肥一體化系統(tǒng)是將澆灌用水與肥料混合后統(tǒng)一輸送至作物根部的一種新型農(nóng)業(yè)技術(shù)。根據(jù)不同作物不同時(shí)期的不同需求，可以設(shè)定實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配備不同比例及成分的混合水肥，按需補(bǔ)給，實(shí)現(xiàn)作物全生育期智能管理。

4.4 種植專家系統(tǒng)

種植專家系統(tǒng)將專家經(jīng)驗(yàn)整理錄入專家知識(shí)庫，也可以通過數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)豐富和擴(kuò)充種植知識(shí)庫，知識(shí)庫能存儲(chǔ)大量的種植理論和實(shí)踐知識(shí)。用戶可以直接查詢相關(guān)關(guān)鍵字獲取知識(shí)，可以按系統(tǒng)生成的規(guī)則獲取，還可以在線咨詢專家。

5 結(jié)束語

智慧農(nóng)業(yè)可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)高效利用各類農(nóng)業(yè)資源和改善環(huán)境的目標(biāo)，更大程度地挖掘有限土地資源的農(nóng)業(yè)潛力，同時(shí)全程追溯食品安全，確保生產(chǎn)過程環(huán)保節(jié)能，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。隨著城市化程度的進(jìn)一步提升，農(nóng)業(yè)用地仍將呈現(xiàn)逐年遞減的趨勢，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將會(huì)更加重視其產(chǎn)出效率，智慧農(nóng)業(yè)逐漸將取代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)。