金 娟

（北京市數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村促進(jìn)中心，北京 100101）

0 引言

“十三五”期間，北京市先后印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”的實(shí)施意見》《北京市鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃（2018?2022）》和《關(guān)于全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的實(shí)施方案》等文件，將數(shù)字農(nóng)業(yè)列為全市農(nóng)業(yè)領(lǐng)域重點(diǎn)工作，提出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化水平要大幅提升，核心技術(shù)、智能裝備研發(fā)與集成應(yīng)用取得重大突破，適宜農(nóng)業(yè)、方便農(nóng)民的輕簡(jiǎn)化、“傻瓜”式信息技術(shù)得到大面積推廣應(yīng)用，中試和熟化一批農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)、智能裝備和解決方案，推廣一批節(jié)本增效農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)出率、勞動(dòng)生產(chǎn)率、資源利用率[1-2]。

結(jié)合實(shí)際，北京市積極整合涉農(nóng)資源，利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)日光溫室中各類硬件、設(shè)備的智能化控制，提升控制端的精準(zhǔn)性、易用性；同時(shí)開發(fā)智能操控軟件，并優(yōu)化調(diào)控策略，讓農(nóng)民會(huì)使用、放心用。

1 日光溫室環(huán)境控制系統(tǒng)

如圖1 所示，溫室環(huán)境智能集成控制技術(shù)體系由物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境感知系統(tǒng)、溫室智能控制終端、信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)、溫室智能硬件裝備、遠(yuǎn)程控制平臺(tái)5 部分組成。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境感知系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，是整個(gè)系統(tǒng)的感知層；溫室智能控制終端是系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)接收物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境感知系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳送的環(huán)境信息，并根據(jù)技術(shù)人員的指令或者預(yù)設(shè)的策略，向溫室中各個(gè)硬件裝備發(fā)送控制指令，同時(shí)監(jiān)測(cè)其工作狀態(tài)和完成程度；遠(yuǎn)程控制平臺(tái)分為電腦端和手機(jī)端，技術(shù)人員可以應(yīng)用該平臺(tái)實(shí)時(shí)查看并控制各個(gè)裝備，并可以預(yù)設(shè)控制策略讓整個(gè)系統(tǒng)自主運(yùn)行[3-4]。

圖1 溫室環(huán)境智能集成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of greenhouse environment intelligent integrated control system

1.1 農(nóng)業(yè)通用智能硬件接入與控制平臺(tái)

針對(duì)目前農(nóng)業(yè)智能硬件控制軟件專用性強(qiáng)、可開發(fā)性低、升級(jí)成本高等問題，開發(fā)了農(nóng)業(yè)硬件專用服務(wù)系統(tǒng)?農(nóng)業(yè)通用智能硬件接入與控制平臺(tái)。該平臺(tái)通過多種協(xié)議智能解析，形成通用接口，實(shí)現(xiàn)多廠家、多功能、多類型的農(nóng)業(yè)智能硬件設(shè)備接入，形成企業(yè)內(nèi)部的智能控制網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)不同智能控制設(shè)備開發(fā)相應(yīng)的控制策略，直接使用微信就可以實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備的遠(yuǎn)程智能控制。操作簡(jiǎn)便，農(nóng)民容易接受、愿意使用。通用、簡(jiǎn)單的傳輸接口，幫助實(shí)現(xiàn)該平臺(tái)采集的智能硬件設(shè)備數(shù)據(jù)以及控制功能，并可以與農(nóng)場(chǎng)云等業(yè)務(wù)平臺(tái)無縫對(duì)接，農(nóng)業(yè)通用智能硬件接入與控制平臺(tái)顯示界面如圖2 所示。

圖2 農(nóng)業(yè)通用智能硬件接入與控制平臺(tái)Fig. 2 Agricultural general intelligent hardware access and control platform

1.2 環(huán)境感知設(shè)備

環(huán)境感知設(shè)備像整個(gè)體系的“感官”系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境智能控制的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和來源，包括新型太陽能可移動(dòng)溫室環(huán)境傳感器、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)圖像自動(dòng)采集設(shè)備、手持式多功能農(nóng)業(yè)智能檢測(cè)分析設(shè)備、農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測(cè)站。為了適應(yīng)椰糠基質(zhì)栽培模式，基質(zhì)槽內(nèi)部署了基質(zhì)含水量傳感器、基質(zhì)溫濕度計(jì)等設(shè)備[5-7]。

1.3 智能控制終端

溫室智能控制終端是整個(gè)體系的大腦和神經(jīng)中樞，負(fù)責(zé)接收物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境感知系統(tǒng)的各類環(huán)境信息，同時(shí)對(duì)溫室內(nèi)各個(gè)硬件裝備進(jìn)行電路管理、控制命令發(fā)送、工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并可以無線連接云端WEB、手機(jī)APP、遙控器，遠(yuǎn)程控制溫室內(nèi)所有設(shè)備。一個(gè)設(shè)備便可將所有溫室執(zhí)行設(shè)備有機(jī)聯(lián)結(jié)到一起，為農(nóng)作物創(chuàng)造一個(gè)最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的效果。

智能控制終端采用一體化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)多路控制、語音控制、自動(dòng)升級(jí)。同時(shí)，終端自帶20.32 cm（8 寸）液晶顯示屏，機(jī)身采用ABS 工程塑料，機(jī)身全封閉，機(jī)內(nèi)不裸露線纜，避免人體觸碰，更安全。短路保護(hù)、過流保護(hù)；觸屏操控，簡(jiǎn)捷高效，故障反饋，可追溯操作。配套陀螺儀與急停設(shè)備，避免保溫被上下卷有危險(xiǎn)；語音喚醒后屏幕點(diǎn)亮，人臉識(shí)別后才可操控配電柜，預(yù)防無關(guān)人士隨意操控溫室設(shè)備。

1.4 日光溫室的智能硬件

部署于日光溫室的智能硬件是整個(gè)環(huán)境智能控制系統(tǒng)的“四肢”，負(fù)責(zé)最終實(shí)現(xiàn)智能控制，溫室內(nèi)外設(shè)備分別如圖3 和圖4 所示。智能硬件包括卷膜和卷被智控模塊、水肥一體化模塊、溫室增溫降溫模塊、空氣循環(huán)系統(tǒng)、濕簾風(fēng)機(jī)控制模塊、空間電場(chǎng)除霧控制模塊等[8]。

圖3 日光溫室內(nèi)設(shè)備部署Fig. 3 Deployment of equipment inside solar greenhouse

圖4 日光溫室外設(shè)備部署Fig. 4 Deployment of equipment outside solar greenhouse

2 存在的問題

目前，溫室智能控制技術(shù)體系在設(shè)施種植推廣應(yīng)用中仍然存在不少問題，總結(jié)來看有以下3 個(gè)方面。

2.1 投入產(chǎn)出不匹配

溫室智能控制技術(shù)體系推廣最大的障礙在于投入產(chǎn)出比低，經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)。相較于溫室單產(chǎn)收益，智能控制裝備價(jià)格高昂；同時(shí)，智能設(shè)備的實(shí)際價(jià)值未充分體現(xiàn)。當(dāng)前，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用還處于溫室環(huán)境感知層面，只有卷膜卷簾、灌溉等少數(shù)環(huán)節(jié)的應(yīng)用相對(duì)成熟，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用率還較低，導(dǎo)致對(duì)溫室環(huán)境控制和設(shè)備操作無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，耗費(fèi)人工較大，生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化程度低[9-10]。

2.2 管理模式不匹配

經(jīng)營(yíng)主體的管理模式導(dǎo)致其對(duì)于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的接受程度不同，因而溫室智能控制的推廣難易程度并不同。經(jīng)營(yíng)主體有多種類型，大致分為農(nóng)戶、家庭農(nóng)場(chǎng)、農(nóng)民合作社、企業(yè)管理（大/中型）。經(jīng)營(yíng)者和家庭農(nóng)場(chǎng)直接經(jīng)營(yíng)屬于個(gè)體經(jīng)營(yíng)模式，其生產(chǎn)銷售一體化，對(duì)于溫室智能控制接受程度低，適合功能簡(jiǎn)單、可產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的產(chǎn)品，如卷膜卷簾等。在企業(yè)管理的模式下，其生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)流程相對(duì)完善，具有一定的規(guī)模，適合推廣功能完備的溫室智能控制終端，如水肥一體化設(shè)備等。因此，溫室控制技術(shù)體系推廣需要與農(nóng)場(chǎng)管理模式相匹配，不同的經(jīng)營(yíng)管理模式，應(yīng)構(gòu)建不同的服務(wù)模式[11]。

2.3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不匹配

目前，國(guó)內(nèi)缺乏完整的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，自動(dòng)卷簾、施肥灌溉等常用的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來自不同廠家和品牌，接口和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議存在明顯差異，使得數(shù)據(jù)分享和服務(wù)協(xié)同變得異常困難，這種異構(gòu)性使得物聯(lián)網(wǎng)難于實(shí)現(xiàn)廣泛的集成應(yīng)用，可靠性也難以保證。同時(shí)，上層應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)也沒有統(tǒng)一模式接口，無法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)共享。

3 日光溫室環(huán)境控制系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 技術(shù)創(chuàng)新

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、傳感、人工智能等多種信息技術(shù)，通過技術(shù)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，示范了新型智能控制設(shè)備，并改造了傳統(tǒng)溫室硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了不同型號(hào)不同廠家的各類硬件裝備串聯(lián)成線、統(tǒng)一控制和應(yīng)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集、分析、控制一體化應(yīng)用，日光溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的技術(shù)體系及軟件功能模塊的運(yùn)轉(zhuǎn)充分體現(xiàn)了信息技術(shù)與農(nóng)藝技術(shù)有效融合的特點(diǎn)，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)與信息化的同步發(fā)展[12]。

3.2 模式創(chuàng)新

日光溫室環(huán)境控制系統(tǒng)充分考慮了農(nóng)機(jī)、農(nóng)藝、與信息化融合應(yīng)用原則，為今后高標(biāo)準(zhǔn)的智能日光溫室建設(shè)提供了參考標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)模型，在技術(shù)方案和設(shè)備示范上，堅(jiān)持問題導(dǎo)向，針對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的問題和不足，瞄準(zhǔn)農(nóng)民真正需求，著力攻堅(jiān)關(guān)鍵環(huán)節(jié)技術(shù)難關(guān)，形成了可復(fù)制、可推廣的建設(shè)模式。

3.3 機(jī)制創(chuàng)新

通過與農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣、農(nóng)業(yè)信息化部門間的深度合作，建立了各有分工、資源共享、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、科技聯(lián)合、共同推進(jìn)項(xiàng)目的管理機(jī)制，為項(xiàng)目實(shí)施中設(shè)備研發(fā)、技術(shù)方案設(shè)計(jì)、效果驗(yàn)證、系統(tǒng)試運(yùn)行與功能完善等關(guān)鍵環(huán)節(jié)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)信息化的支撐和服務(wù)作用，改變了以往信息化單打獨(dú)斗、閉門造車的項(xiàng)目實(shí)施機(jī)制[13]。

4 建議

結(jié)合近年來推廣實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)北京市農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)推廣提出以下建議。

（1）結(jié)合北京市農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵核心技術(shù)和共性技術(shù)的研究，進(jìn)一步提升農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的適用性、可靠性和智能化，同時(shí)降低成本。充分發(fā)揮北京市科研力量，逐步形成政府引導(dǎo)、科研單位支持、企業(yè)主體及生產(chǎn)主體參與的科技支撐體系，促進(jìn)科研要素向企業(yè)集聚，培育一批數(shù)字農(nóng)業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)新型企業(yè)。

（2）目前，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)較為成熟，但是灌溉、通風(fēng)、降溫等智能裝備應(yīng)用率較低，尚未形成“感知?決策?控制”的應(yīng)用“閉環(huán)”，限制了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用效益[14]?？刂颇Ｐ秃偷讓涌刂凭仁菍?shí)現(xiàn)閉環(huán)的關(guān)鍵性因素，這依賴于精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)感知、智能化的數(shù)據(jù)模型學(xué)習(xí)技術(shù)。

（3）以需求為導(dǎo)向，分層分級(jí)制定農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)方案，以滿足不同規(guī)模、不同經(jīng)營(yíng)模式的需求。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度應(yīng)用需要具備一定規(guī)模的集約化生產(chǎn)模式的支撐，以小規(guī)模單一農(nóng)戶種植為主的設(shè)施蔬菜種植對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整體解決方案的需求并不強(qiáng)烈。在實(shí)踐應(yīng)用中，以單一應(yīng)用場(chǎng)景建設(shè)解決農(nóng)場(chǎng)實(shí)際需求，再尋求場(chǎng)景的整合應(yīng)用。

5 結(jié)束語

數(shù)字農(nóng)業(yè)是新時(shí)期農(nóng)業(yè)的主要形態(tài)和典型特征，是用現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的組織方式、管理理念和先進(jìn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)而形成的一種新的農(nóng)業(yè)業(yè)態(tài)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理、服務(wù)的在線化和數(shù)據(jù)化的重要技術(shù)方式，是數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展的必要支撐?！笆奈濉逼陂g，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究推廣必將成為北京市數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展重要方向。