物联网在设施园艺解决方案

农业物联网在设施园艺的智能种植技术和解决方案

农业物联网在设施园艺中的应用和方案

设施园艺是我国农业领域一个重要的方面。蔬菜、花卉、果品是人民生活不可或缺的农产品，随着人民生活水平的日益提高，对设施园艺产品的需求日益增长，产品的附加值也不断提高，经济效益显著；其内容涵盖了建筑、材料、机械、自动控制、品种、栽培、管理等多种学科和多种系统，因而科技含量高，所以设施园艺的发达程度，往往是一个国家或地区农业现代化水平的重要标志之一。

我国是人口众多的农业大国，在耕地资源、水资源和农业能源相对短缺的条件下，要想保证食品安全，解决“三农”问题，增加农民收入，大力发展设施园艺，实行农业高度集约化经营，应是我国农业发展道路的战略性选择之一。同时发展有中国特色的设施园艺是我国农业的战略性任务。

1 关于设施农业和设施园艺业的概念解析

设施农业是指通过采用现代化农业工程和机械技术，改变自然环境，为动、植物生产提供相对可控制甚至最适宜的温度、湿度、光照、水肥和气候等环境条件，而在一定程度上摆脱对自然环境的依赖进行有效生产的农业。它是一种集约化程度较高的现代农业，由环境设施和技术设施相配套，具有高投入、高技术含量、高品质、高产量、高效益等特点，是最有活力的农业新产业。

2设施园艺的特点

设施农业研究的主体对象主要是温室，学术上从不同的角度出发，对温室有各种分类方法，但生产中通用的温室分类还是按照其使用性能来区分，同种类型中不同的变型按覆盖材料的不同来区分。目前国内常用的温室类型主要有塑料大棚(禽中小拱棚)、日光温室和连栋温室。

2.1.1塑料大棚

是指以塑料薄膜作为透光覆盖材料的单栋拱棚，一般跨度在6.0-12.0m。脊高2.4-3.5m，长度30-100m以上。它主要在我国南方地区使用，功能是冬季保温，夏季遮用、防雨；在北方地区使用的主要是起春提早、秋延后作用。一般比露地生产可提早或延后一个月左右。由于其保温性能较差，在北方地区一般不用它做越冬生产。

2.1.2日光温室

是我国科技工作者在一面坡温室的基础上不断完善提高开发出来的一种具

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有中国特色的温室形式。它是以太阳能为主要能源，夜间采用活动保温被在前屋面保温进行越冬生产的单屋面塑料薄膜温室。该类温室的东、西、北三面墙体和后屋面采用高保温建造材料，在我国北方地区使用，正常条件下不用人工加温可保持室内外温差达20-30℃以上。此类温室现已推广到北纬30º-45º地区，是北方地区越冬生产园艺产品的主要温室形式。

2.1.3连栋温室

是将多个单跨的温室通过天沟连接起来的大面积生产温室。是当今世界和我国发展现代化设施农业的趋势和潮流。连栋温室根据结构型式和覆盖材料不同，分为连栋玻璃温室、连栋塑料温室和聚碳酸酯板温室(Pc板温室)。其中连栋塑料温室又根据覆盖塑料薄膜的层数分为单层塑料薄膜温室和双层充气温室。Pc板温室也根据聚碳酸酯板材料的不同。分为Pc中空板温室和Pc浪板温室。温室的屋面型式有拱圆形、锯齿形和人字形等。

上述谈及了几种温室类型，形式给人感觉单一，不多样化，温室建设的关键问题是应遵循切实可行、低成本、高效、高产等原则进行。对成熟温室全链条构建过程应象其它产品生产一样，针对某一地域配套组装式批量生产，形成产业化，这样可在广大设施保护地中推广。目前弄清设施农业主体研究对象很重要，我国设施农业主体研究对象就是温室经济，就是研究温室内外、地上和地下最适宜种植和养殖的环境，研究温室里面-种植和养殖什么，怎样更好的种植和养殖所选品种，研究温室里面出产的产品是否能效益最大化、所建温室是否可持续发展等问题。当然也不应仅包含温室内种植和养殖业生态环境调控。只要通过控制技术调控农业生产环境以达到最佳农业生产所涉及的相关行业都应考虑在内。

2.2关于设施农业相关设备、技术与保障支撑体系

2.2.1设施农业、设施园艺产业的应用基础研究

重点开展设施作物生长发育规律及其调控机制；设施作物抗逆性和光能转化效率以及水分、养分利用效率；设施作物的品质形成和调控规律；设施作物的安全优质生产的调控途径与质量控制；设施土壤障碍机制及可持续利用调控机制；设施环境变化规律及其优化调控等方面的研究。

2.2.2环境调控技术

是采用计算机技术实施自动监测、自动调控的技术。自动测量要素主要包括环境因子和生物因子。其中环境因子有温度、湿度：风速、光照、CO2浓度、土壤营养、营养液成分等，生物因子有叶温、光合速率、气孔阻抗、蒸散、植株含水量等。生态环境因素自动控制主要是保温、降温、除湿、加湿、增施CO2、通

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风、充分采光、补光、遮光、土壤湿度、矿质养分等。多因素综合控制是把各种作物在不同生长发育阶段需要的适宜环境条件要求输入计算机程序，当某一环境因素发生变化时，其余因素自动作出相应的修正或调整。

2.2.3无土栽培技术

无土栽培(Soilless Culture)是指不用自然土壤．而用营养液或营养液与基质栽培作物的方法。

无土栽培系统包括作物生长保护设施，如温室、塑料棚等；容纳基质或营养液的槽、筒、盆、床等；提供作物营养液系统，如营养液的制备、贮存、消毒、注入等；监测调控系统．包括监测调控温度、湿度、光照、CO2浓度、气流速度、pH值、电导度、营养液成分及水位等。无土栽培大致可分为：水培、喷雾(或喷淋)栽培和基质栽培3种。

2.2.4安全无公害栽培技术

安全无公害栽培技术是设施农业技术中的重要技术，设施农业生产最终要达到环境安全无公害、产品安全无公害目的。

3.我国设施园艺的发展

3.1蓬勃发展的现实

全国以蔬菜栽培为主体的设施园艺面积居世界第一位，在一些大中城市郊区，蔬菜设施栽培面积已超过当地菜田总面积的10％以上，某些地区已接近30％，与发达国家的差距明显缩小。设施栽培分布的地域不断扩大，80年代设施园艺主要在“三北”地区发展，而现在正向南方迅速扩展，发展势头已超过北方。

设施园艺工程的总体水平有了明显提高，具体表现在园艺设施逐步向大型化发展，小型简易类型比重下降约20％。通过大型现代化温室及配套设施的引进，促进了我国温室产业的发展，使我国新型优化节能日光温室和国产连栋塑料温室得到进一步推广，由于设施结构设计建筑更加科学合理，使得设施内的光温水气环境得以优化，有利作物生长发育，为高产优质奠定了基础。例如我国日光温室黄瓜的最高亩产已达2．5万kg／年，接近或达到设施园艺发达的荷兰、日本等国的水平。设施栽培作物种类日渐丰富，除蔬菜外，花卉也占有相当比重，果树设施栽培也正在迅速发展。

随着城市建设的发展，大中城市近郊区的耕地不断减少，于是近年来提出了“都市农业”的概念，都市农业的定位是在城市周边，与大都市的二产、三产密切结合，融合服务于大都市，保证都市多元化、高质量消费的需要，要做到可持

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续发展，且有利生态环境的化，因此往往把设施园艺作为首选项目。

3.2园艺发展中存在的问题

和过去比较，我国的设施园艺工程事业正处在新中国成立以来最兴旺发达的时期，令人欢欣鼓舞，但也必需冷静地看到其中存在的问题及与世界发达国家的差距。

3.2.1科技含量低

中国的设施园艺无论是在温室设施本身，还是在配套的栽培管理方面，大多数设施结构简易，栽培管理以传统的经验为主，距离数量化和指标化的要求还有相当大的差距。中国温室市场上目前使用的不少产品，在高品质领域主要以国外产品为主。遮荫网的生产上以瑞典、以色列的高品质产品为主，薄膜的生产上以希腊、西班牙、以色列的高品质产品为主，优良的传动机构以荷兰的产品为主，温室环境控制系统领域上国内的产品同样与国外有相当的差距，国内现有的一些科研成果与真正地推广应用之间还有一段距离。在设施专用品种的选育国内目前尚没有专用型、系列化的温室栽培品种，设施农产品的产量和品质始终在低水平上徘徊。

3.2.2设施水平低下

从统计的数字字面上看来中国设施面积很大，人均16m²的面积也达到了发达国家20世纪80年代的水平，但是中国的设施90％以上以简易型为主，对风雨等自然灾害的抵御能力差，设施栽培生产的风险也就相对高。这种低水平的设施在夏季最热的季节只能够停止使用，在冬季低温冻害的事件屡见不鲜，南方地区夏季的台风总能破坏相当大数量的设施。对于温度、光照、水分、肥料等环境因子的综合调控，在这样的设施里更是不可能了。中国南方地区的单栋塑料大棚和北方地区的目光温室的发展，一方面是适应了比较落后的农村经济状况和人民群众较低的物质生活要求，另一方面也反映了中国较低的设施水平。随着经济社会的发展、人民群众生活水平的提高、以及当前加入WTO后农产品出口面临的竞争压力，这种低水平的重复建设必然会遇到设施水平提升的要求。

3.2.3运行管理水平低

中国的设施建设上盲目性很大，大量的项目在相应的配套设备、人才不到位的情况下，盲目地从国外引进高新技术、盲目地低水平仿制国外产品。温室种植管理上，产品种植前经过市场考察的很少，往往造成产品积压，带来不应有的损失。相关的种植管理方面的研究距离理论化、科学化、系统化地指导生产实践还

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有不小的差距。温室企业在产品的售后配套服务方面尚不够完善，企业的品牌意识、诚信意识还不够，相关温室控制软件的研究上与国外企业相比还有相当大的距离。

此外，中国设施农业行业目前还存在着农业园区规划、设施结构不合理，设施技术不配套，能源浪费严重等问题。

3.3中国设施园艺行业总体发展方向探讨

近年来。随着农业环境工程技术的突破。集成了现代生物技术和工程技术的设施农业，其内涵越来越丰富。技术含量越来越高，朝着自动化、智能化和网络化方向发展。具体地说，设施农业应朝以下方向发展:

3.3.1设施标准化、大型化

我国应根据当地的自然条件、农业资源情况、气候和栽培特点等因素，设计适合当地条件，能充分利用太阳辐射的标准型设施、装置及构件。实现了农业设施的系列化和标准化。与此同时，为了节省材料、降低成本，提高采光率、栽培效益及经济效益，生产型温室不断向大型化方向发展。此外，普遍推广连栋温室，温室的室高在4．5 m以上。温室空间扩大后。可进行立体栽培，便于机械化作业。

3.3.2作业机械化

设施内生产管理的机械化是设施农业的重要方面。应在设施农业中广泛使用小型、轻便、多功能、高性能的设施园艺耕作机械、播种育苗装置、灌溉施肥装置以及自动嫁接装置等，普遍实现了播种、育苗、定植、管理、收获、包装、运输等作业的机械化。

3.3.3设施环境监控自动化、智能化、网络化

设施农业的核心是对设施内环境能够有效地调控．营造适于生物生长发育及农产品储藏保鲜的最佳环境条件。为此，许多学者对控制器和控制方法进行了卓有成效的研究，并取得了丰富的成果。如：美国开发了能够辨别秧苗质量并能分拣的温室移苗作业机器人；日本开发了可行走的耕耘施肥机器人、能在设施内完成各项作业的无人行走车，用于组织培养作业的机器人，柑橘和葡萄收获机器人等。目前。无线传感器网络技术、现代通信技术、智能控制技术、计算机视觉技术和空间技术等不断应用于设施农业领域，这些技术的有机整合，使得设施环境监控系统朝着自动化、智能化和网络化方向发展。设施管理水平不断提高。

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3.3.4生产体系专业化、产业化、国际化

在设施农业发达的国家。设施农业生产完全走专业化、产业化、国际化发展道路。这主要体现在：①温室围绕市场需要生产。温室产品的商品化率非常高。②采用规范有序的市场经营模式，以市场为导向和生产的拉力源，形成完整的体系。③种苗专用，栽培产品多样化与特色化。④设施农业生产迈入国际化市场体系。⑤形成健全的市场销售体系。我国更应加入此行列，朝着此方向迈进。

3.3.5农业生产工厂化

对于工厂化农业，以下2个问题亟待解决：①营养液及养殖用水的净化处理及重复利用。解决思路是建立循环水系统，实现封闭式内循环生产。②降低设施、设备成本及能量消耗。

3.3.6无土栽培将成为主要的栽培方式

无土栽培具有节水、节能、省工、省肥、减轻土壤污染、防止连作障碍、减轻土壤传播病虫害等多方面优点。在西方发达国家，无土栽培技术的研究取得较大进展，已经成功开发计算机控制的营养液配制和供给的闭路循环系统；目前。无土栽培技术正得到广泛应用，并逐渐成为主要的栽培方式。

3.3.7设施生产向节能方向转移

由于能源危机，导致设施农业能源成本不断增加，产品的生产成本提高，经济效益下降，削弱了与露地生产的竞争力。因此，发展风能、太阳能、地热资源及工业余热利用技术；改善温室结构与覆盖材料、小气候控制等成为设施园艺中提高能源利用效率的措施；针对大型温室夏季室温过高的问题，对其结构形式进行了一系列分析研究，已开发通风换气效率高的温室，并获得推广应用。

通过以上对国内外设施农业的较少分析，采取各种有效措施改善我国设施园艺的发展已经刻不容缓，而在此主要对设施园艺机械化、智能化进行剖析。

4.农业机械与设施农业

4.1设施栽培的机械设备

设施栽培的机械产品大体可分为：

(1)栽培(育苗)用各种棚、室的装配式金属骨架及骨架的附属机装置，如开窗机、拉幕机、卷帘机等。

(2)棚、室内环境控制设备。如各种加温设备、补光设备、机械通风设备、

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喷雾滴灌设备、气体施肥设备以及检测和自动控制成套设备等。

(3)棚、室内作物栽培（育苗)机械设备和各种作业机械。

如小型土壤耕作机具、地膜覆盖机具、种植机具、植保机具、育苗播种成套机械设备、嫁接机具、栽培基质制备机械设备、营养液制备及供给(循环)机械成套设备、平面或立体栽培用基质、盆及固定式可变位支撑架系统设备等。

综上所述，设施农业对我国的社会经济、农业生产的发展及人民群众生活的改善都有十分重要的意义，我们的政府部门及科研机构应加大投入力度，逐步实现设施农业工厂化。生产过程机械化，产品销售市场化，促进设施农业健康发展。

4.2设施农业机械化存在的问题

4.2.1微耕机的多功能得不到充分的发挥

如微耕机功率较小。旋耕、深耕作业在深度和效率上达不到要求；加工工艺粗糙；旋耕刀不耐磨等质量问题。另外，由于微耕机的销售价格偏高，农民难以配齐各种机具，使微耕机的扶垄、覆膜、开沟、喷药、收获等多功能的发挥受到了限制。

4.2.2棚内植保机械需要更新

目前用于棚内植保作业的机械仍然是背负式手动喷雾器，劳动强度大，作业效率低，雾化程度差，作业环境恶劣，尤其在病虫害多发年份，往往因工作效率低忙不过来而贻误了防治最佳时期，造成经济损失。微耕机配备药泵后可以进行植保作业，作业效果也比较好。但据了解，购买微耕机的农户很少有配备喷药泵进植保作业的。

4.2.3已有设施农业机械的品种不能满足用户需要

性能达到农艺要求、适合设施农业栽培和收获等环节的农机具研制，在我国起步晚，有些还是空白。如小型钵苗移栽机械、采摘机械和农产品深加工机械等在我市农业龙头设施企业中有很好的应用前景，但市场上基本无此类产品。国外产品虽然技术成熟，具有性能稳定、功能齐全、便于操作等诸多优点，但一般价格较高，而且配件供应、维修服务等方面由于由经销商负责，无固定的售后服务部门，容易造成售后服务跟不上。既能体现国内产品低价格又能体现国外产品高性能的中间产品不多。

4.2.4大棚机械卷帘机械化程度和技术亟待提高

目前全市安装手动卷帘设备的较多台套，而自动卷帘设备较少，已成为实现

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设施农业机械化的一大障碍。影响大棚机械卷帘设备推广的因素主要有技术问题和份格偏高。

5.设施农业智能化

设施农业智能化是将现代生物工程技术、农业工程技术、环境工程技术、信息技术和自动化技术应用于农业生产领域，根据动植物生长的最适宜生态条件在现代化设施农业内进行四季恒定的环境自动控制，使其不受气候条件的影响，生产呈自动化、标准化和智能化，农产品周年生产、均衡上市，实现生产高速度、高产出和高效益。

设施农业智能化包括设施工程、环境调控以及栽培、养殖技术等方面标准化、自动化、信息化，其核心是农业环境调控。设施农业环境调控智能化是在一定的空间内，用不同功能的传感器探测头，准确采集设施内环境因子(光、热、水、气、肥)以及作物生育状况等参数，通过数字电路转换后传回计算机，并对数据进行统计分析和智能化处理后形成专家系统，根据作物生长所需最佳条件，由计算机智能系统发出指令，使有关系统、装置及设备有规律运作，将设施内温、光、水、肥、气等诸因素综合协调到最佳状态，确保一切生产活动科学、有序、规范、持续地进行。目前设施农业环境调控智能化研究已成为当今世界各国展示农业科技发展水平的重要标志。

5.1设施农业智能化技术的发展

近年来，我国设施农业的发展和基本需求已发生了深刻的变化，从硬件设施的大量需求和建设逐步转向为对信息技术(软件技术)的迫切要求。我国工厂化农业总体上存在许多重大问题需要解决。如环境控制能力低、管理水平差、栽培技术落后，离数量化和指标化管理的要求相差甚远，仍然以经验的和粗放的管理手段为主。针对上述问题，设施农业机械应用信息技术和人工智能技术，开发研制专家系统并进行应用，是我国工厂化农业上台阶、上档次的核心。设施农业技术体系的升级应包含设施农业机械的发展优化，否则就制约设施农业技术层次的提高。

设施农业的环境由人工控制，条件比一般大田简单得多，智能化仪器、设备和机器等人工智能技术得到普遍应用，所以智能化系统有可能在智能型温室中率先实现。国内目前引进的一些大型温室，配套设备齐全、自动化程度较高、具有一定的智能化水平、能进行多种设备的自动控制和复杂管理，这类温室设施虽然目前国产化率还非常低，但代表了未来工厂化农业发展的方向。智能型设施农业机械大量采用机电一体化技术，使传统机械无法作业的项目实现了机械化，如日本研制了收获樱桃、西红柿的机械(机器人)，还有用机器视觉鉴别作物和杂草的机械．智能型设施农业机械的工作更符合农艺要求，国外已经研制了根据土壤温

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度自动控制播种深度的智能型播种机，可将种子播入最合适的深度。

2l世纪农业工程的发展重点是农业人工智能化．智能化技术在设施农业上的研究运用将直接推进智能型设施农业机械的发展，使设施农业整体机械化水平大大提高。

5.2智能化系统中的模拟技术

国外近些年不仅对日光温室的气候环境机理进行了较多的研究，而且对大型温室或现代化温室进行深入地开发，因此需要开展相应的环境和气候模拟与实验研究，不仅是设施区划布局的重要依据，也是进行环境控制管理的重要依据。

工厂化农业的主体是生物，因此必须充分认识和掌握作物生长与环境因子的关系，研究和采集环境诸因子如温度、土壤、水分、光照、气体对作物的出芽、发育、开花、结果等全过程影响效果的各种数据，建立主要栽培作物的生长发育模型及设施环境模型，从而建立符合数量化、指标化管理要求的模型库，为有效进行计算机控制管理系统的研制或专家管理系统的开发提供科学保证。

发达国家如荷兰及美国等．利用计算机模拟技术在温室作物模型的研究方面已取得重要进展，我国目前尚刚起步．利用作物模拟技术，不仅是研究作物生长发育与环境定量关系的重要手段，是实现定量化、指标化、自动化控制管理的关键性技术。

6.设施园艺实用智能化温室

智能化温室不只是简单地增加控制系统，它从主体结构至装备模式都有自身的变化要求。首先，智能控制系统不局限于环境监测，完成人工设定的简单操作，而是从更深的层次融入到装备系统中，实现系统复杂工作状态的判断与选择等功能。其次，温室的智能型成为提高其生产适应能力的重要手段。温室在调控中，既要克服气候条件的不利因素，又要利用日常外界有利的气候资源，做到趋利避害。

6.1主体结构

智能化温室与普通塑料温室相比，其应用层次更高，耐久年限长，密封性要求高，多采用功能性复合薄膜，膜材厚度大，受力性能高。另外，智能在温室为实现各项调控要求，在结构上需固定较多的机构与装备，对单个构件的刚度与承载力要求也高。结构方案的调整可以强化构建的截面惯性矩与长细比等参数，提高承载效率，而且有利于平衡结构各方面的承载能力，这也符合结构“同步时效”的优化准则。而实践证明，采取设置内部斜撑、外部拉索或格构式抗风柱等加强措施，较为经济有效；另外，支撑的设置也直接减少了构建的计算长度，有助于

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防止结构面内与面外的整体失稳现象。

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设施园艺中培育各种秧苗，栽培各种果蔬和作物需要调节和控制内部环境（包括温度、湿度、光照、喷灌量、通风等）。在这个过程中，需要温度传感器、湿度传感器、PH 值传感器、光照传感器、土壤温湿度传感器、CO2 传感器等检测环境中的空气温度、相对湿度、PH 值、光照强度、土壤养分、CO2 浓度等物理量参数，通过传感器的感知向智能信息系统或管理人员提供实时数据信息，使管理人员充分及时的了解整个园区不同作物的环境状况，引导人们适时采取调控措施，以保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。物联网技术具有空间分布广泛性及可多参数嵌入的特点，只需几个甚至是一个管理员就可以监测、调节、控制整个园区的情况，大大节省了人力、物力和时间。

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