智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李小斌，李靜潔，王亞云

（寶雞文理學(xué)院 陜西 寶雞 721016）

農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，衣食之源，生命之本，同時(shí)又為工業(yè)提供原料，是國(guó)家重要經(jīng)濟(jì)命脈，是國(guó)家穩(wěn)定長(zhǎng)治久安的保障，是一個(gè)國(guó)家能否獨(dú)立于世界民族之林的根本保證。農(nóng)業(yè)的發(fā)展和勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高，將直接影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)其他部門(mén)發(fā)展的規(guī)模和速度。然而相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀是土地產(chǎn)出率、勞動(dòng)生產(chǎn)率還很低，同時(shí)又面臨土地資源以及農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的逐年遞減。以江蘇省為例，到2006年已經(jīng)有63.1%的勞動(dòng)力轉(zhuǎn)向非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)落后，資源利用率低，農(nóng)村人口老齡化速度加快，這些直接制約著我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。因此，如何提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，提高生產(chǎn)資源利用率，降低農(nóng)業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展必需解決的問(wèn)題。

以溫室生產(chǎn)為主的設(shè)施農(nóng)業(yè)近年來(lái)發(fā)展迅速，它是集生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)工程、農(nóng)業(yè)新材料于一體的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)[2]，其主要技術(shù)支撐為無(wú)土栽培技術(shù)，它是綜合運(yùn)用現(xiàn)代高科技、新設(shè)備而發(fā)展起來(lái)的一種全面機(jī)械化、自動(dòng)化技術(shù)（資金）高度密集型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，能夠在人工創(chuàng)造的環(huán)境中進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程的連續(xù)作業(yè)，從而擺脫自然界的制約。進(jìn)入21世紀(jì)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入尋常百姓家。以計(jì)算 機(jī)測(cè)控技術(shù)為核心的智能化測(cè)控裝置和系統(tǒng)目前已經(jīng)在智能住宅中得到了成功應(yīng)用[3]。這樣，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行人工氣候環(huán)境的精確控制，實(shí)現(xiàn)智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的條件基本具備。

采用以人工生態(tài)環(huán)境為主的無(wú)土栽培，利用計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、新型傳感器技術(shù)等現(xiàn)代化手段，可以實(shí)現(xiàn)人工生態(tài)環(huán)境以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的智能控制，實(shí)現(xiàn)作物周年生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，改善工作環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化乃至無(wú)人化。

1 總體方案

如圖1所示，智化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)由監(jiān)控中心、通信網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)端工作站以及人工氣候室構(gòu)成。監(jiān)控中心負(fù)責(zé)對(duì)各人工氣候環(huán)境的全面監(jiān)控、技術(shù)分析以及指令的下達(dá)。遠(yuǎn)端工作站直接對(duì)本地的人工氣候環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)采集及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作控制。通信網(wǎng)絡(luò)一般借助于公共數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，隨著Internet的發(fā)展，基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為一種主要的方式。

圖1 智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of the intellectualized agricultural production system

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)除了要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各參數(shù)以及數(shù)據(jù)分析結(jié)果的傳輸以外，還要求實(shí)時(shí)傳送圖像達(dá)15幀/s以上，傳輸延遲要小，內(nèi)容可控制，可切換多處視頻源，以便通過(guò)視頻直接分析遠(yuǎn)方的作物生長(zhǎng)情況或請(qǐng)求專家進(jìn)行遠(yuǎn)程技術(shù)支持。監(jiān)控系統(tǒng)要具備自動(dòng)報(bào)警功能，具備智能化圖像信息處理功能。要求當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生異常情況時(shí)能及時(shí)向監(jiān)控中心發(fā)出告警信號(hào)，并及時(shí)記錄現(xiàn)場(chǎng)的異常情況。

對(duì)于監(jiān)控中心，所監(jiān)控的信息并不是所有人都可以觀看和處理的。必須設(shè)置一定級(jí)別的權(quán)限，例如可禁止無(wú)關(guān)人員接觸監(jiān)控信息，有低級(jí)權(quán)限的人只能觀看，有高級(jí)權(quán)限的人不僅能觀看而且可以處理監(jiān)控信息，發(fā)送監(jiān)控命令等。

2 無(wú)土栽培技術(shù)

智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)是無(wú)土栽培。無(wú)土栽培技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種農(nóng)業(yè)栽培高新技術(shù)，是用營(yíng)養(yǎng)液通過(guò)一定的栽培設(shè)施栽培作物，是人工控制作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的重要手段[4]。無(wú)土栽培技術(shù)的研究開(kāi)始于20世紀(jì)50年代之前，現(xiàn)在已經(jīng)遍及世界各地，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的應(yīng)用尤為突出，象荷蘭、日本、奧地利等國(guó)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化生產(chǎn)。我國(guó)無(wú)土栽培技術(shù)的研究、示范開(kāi)始于80年代[5]，現(xiàn)在也有了相當(dāng)大的發(fā)展，在一些農(nóng)業(yè)示范區(qū)，也已經(jīng)建成一些“植物工廠”，取得了可喜的成果。

無(wú)土栽培的具有很多土壤栽培難以相比的優(yōu)點(diǎn)：1）植株長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng)，生長(zhǎng)速度快，產(chǎn)品整齊一致、產(chǎn)量高、品質(zhì)好。西瓜植株長(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量和質(zhì)量情況如表1[4]所示；2）清潔衛(wèi)生，作物病蟲(chóng)害輕微。無(wú)土栽培作物生長(zhǎng)健壯，可減輕葉部病害及土壤腐生病害對(duì)作物侵染；3）節(jié)約肥水。無(wú)土栽培可根據(jù)作物不同種類、不同生育期按需定量用肥，營(yíng)養(yǎng)液還可以回收再利用，避免了土壤施肥中的肥水流失及被土壤微生物吸收等問(wèn)題；4）節(jié)省勞動(dòng)力，無(wú)連作障礙，也不會(huì)出現(xiàn)地力衰竭的問(wèn)題。無(wú)土栽培簡(jiǎn)化了栽培中的耕作程序，不需進(jìn)行耕翻土壤、整畦、除草等，大大減小了勞動(dòng)強(qiáng)度；5）栽培環(huán)境可任意選擇，不受氣候條件限制。無(wú)土栽培技術(shù)可充分利用土地資源，在荒山、河灘、戈壁灘、甚至沙漠等傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)無(wú)法耕種的地上都可以進(jìn)行生產(chǎn)，且不受氣候和時(shí)間限制；6）生產(chǎn)過(guò)程易于控制，有利于實(shí)現(xiàn)工廠化生產(chǎn)。無(wú)土栽培技術(shù)通過(guò)多學(xué)科多種技術(shù)的融合，利用各種相關(guān)的儀器儀表和操作機(jī)械，逐步使得無(wú)土栽培過(guò)程中的各種管理措施得以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，體現(xiàn)了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向[6]。

無(wú)土栽培的主要作用在于改善作物的根系營(yíng)養(yǎng)條件及吸收作用。調(diào)整作物根系的營(yíng)養(yǎng)條件和吸收功能與無(wú)土栽培技術(shù)的關(guān)系十分密切。無(wú)土栽培的任務(wù)，不僅要為作物的正常生長(zhǎng)提供適宜的環(huán)境條件，還要根據(jù)

作物的不同種類、不同生育時(shí)期，提供足量的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[4]。因此，環(huán)境控制和營(yíng)養(yǎng)液配置是無(wú)土栽培技術(shù)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，直接影響栽培效果，甚至成敗。

表1 西瓜無(wú)土與土壤栽培秧蔓生長(zhǎng)和單株產(chǎn)量比較Tab.1 Compare watermelon soilless cultivation with soil seedlings tendril growth and yield per plant

3 人工生態(tài)環(huán)境

遺傳決定作物生長(zhǎng)的潛勢(shì)，而環(huán)境則決定這種潛勢(shì)可能的兌現(xiàn)程度。作物對(duì)環(huán)境的要求涉及光、溫、水、肥、氣等多種因子。人工生態(tài)環(huán)境就是在充分利用自然資源的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用生物科學(xué)、信息科學(xué)、管理科學(xué)和控制科學(xué)等相關(guān)學(xué)科知識(shí)，對(duì)特定小環(huán)境內(nèi)各個(gè)環(huán)境因子，如溫度、濕度、光照和CO2濃度等，進(jìn)行自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)，以滿足作物需求。人工生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖2所示。在系統(tǒng)中，每個(gè)人工氣候室配備一套該環(huán)境控制器，用于對(duì)其室內(nèi)的各個(gè)環(huán)境因子進(jìn)行實(shí)時(shí)的綜合監(jiān)控。每個(gè)生產(chǎn)車(chē)間就是一個(gè)人工氣候室，環(huán)境控制器作為系統(tǒng)的控制核心，先通過(guò)A/D采集通道與傳感器結(jié)合，實(shí)時(shí)地采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)特定的控制算法，將采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理得到輸出結(jié)果，輸出結(jié)果經(jīng)過(guò)相應(yīng)輸出通道驅(qū)動(dòng)后調(diào)節(jié)和控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)人工生態(tài)環(huán)境各因子的綜合控制。整個(gè)系統(tǒng)可采用工業(yè)以太網(wǎng)或其他現(xiàn)場(chǎng)總線組網(wǎng)，也可以采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。輸入模塊包括溫度、濕度、CO2濃度、光照度等傳感器以及相應(yīng)信號(hào)調(diào)理電路，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，控制器按照一定的算法，輸出運(yùn)算結(jié)果，經(jīng)過(guò)輸出電路，控制相應(yīng)執(zhí)行模塊，如CO2控制模塊、燈光控制模塊、溫度控制模塊、濕度控制模塊等，最終使得各環(huán)境因子滿足作物生長(zhǎng)需求。

4 作物模型

圖2 人工生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)框圖Fig.2 Structure diagram of the artificial environment monitor system

作物模型是根據(jù)氣象條件、土壤條件以及作物栽培管理措施，能動(dòng)態(tài)地定量描述作物生長(zhǎng)、發(fā)育、籽粒形成及產(chǎn)量的計(jì)算機(jī)模擬程序。精確的作物模型可以為人工氣候環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)，使得人工環(huán)境因子完全符合作物生長(zhǎng)的需求，根據(jù)不同作物模型，可以準(zhǔn)確地進(jìn)行各類作物生產(chǎn)過(guò)程中的水分、光照、溫度、濕度、營(yíng)養(yǎng)成分的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量、質(zhì)量的控制以及生產(chǎn)過(guò)程的準(zhǔn)確決策。這樣，可以最大限度地提高水、肥料以及各類生產(chǎn)資料的利用率，減少環(huán)境污染，獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。主要表現(xiàn)為兩方而

5 自動(dòng)化生產(chǎn)機(jī)械

智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是在相對(duì)可控環(huán)境條件下采用工業(yè)化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)集約、高效和追求合理投入與最佳產(chǎn)出的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式?！爸悄芑r(nóng)業(yè)”利用成套設(shè)備或者綜合技術(shù)使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)擺脫了自然環(huán)境的束縛，實(shí)現(xiàn)了周年性、全天候、反季節(jié)的企業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，大幅度地降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率、土地產(chǎn)出率、農(nóng)產(chǎn)品商品率，從而使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)像工業(yè)生產(chǎn)那樣有計(jì)劃、有規(guī)模的實(shí)施。

智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)重要標(biāo)志就是生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化，即自動(dòng)化生產(chǎn)。因此需要開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的、便于普及的全套自動(dòng)化生產(chǎn)機(jī)械，從而實(shí)現(xiàn)育苗、嫁接、移栽、噴藥、采摘、包裝的全自動(dòng)化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)以及智能控制技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的全自動(dòng)化乃至完全實(shí)現(xiàn)無(wú)人化，應(yīng)該指日可待。

6 管理系統(tǒng)

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化管理不僅成為可能，而且十分必要。采用信息化管理，不僅可以實(shí)現(xiàn)信息共享、技術(shù)共享、各種生產(chǎn)資料的共享，而且可以減少勞動(dòng)力及勞動(dòng)強(qiáng)度、降低經(jīng)營(yíng)成本，提高工作效率，實(shí)現(xiàn)資源的合理配置及遠(yuǎn)程技術(shù)支持，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理納入科學(xué)的軌道。

智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)包括人工生態(tài)環(huán)境監(jiān)控模塊、作物模型模塊、作物生產(chǎn)過(guò)程管理模塊、生產(chǎn)資料管理模塊、人力資源管理模塊、財(cái)務(wù)管理模塊、遠(yuǎn)程服務(wù)模塊等。系統(tǒng)總體框圖如圖3所示。

圖3 智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)總體框圖Fig.3 Structure diagram of the intellectualized agricultural production management system

人工生態(tài)環(huán)境監(jiān)控模塊根據(jù)不同作物模型實(shí)現(xiàn)相應(yīng)環(huán)境因子控制，以滿足作物生長(zhǎng)的外界氣候條件，使得作物生長(zhǎng)完全不受自然條件制約；作物生長(zhǎng)模型應(yīng)該包括各類常見(jiàn)農(nóng)作物的精確生長(zhǎng)模型，可根據(jù)生產(chǎn)需求進(jìn)行選擇；作物生產(chǎn)過(guò)程管理模塊要精確到生產(chǎn)日志，包括育種時(shí)間、移栽時(shí)間、收獲時(shí)間以及各階段的營(yíng)養(yǎng)液配制，病蟲(chóng)害防治等，也就是提供一種傻瓜式生產(chǎn)模式；生產(chǎn)資料管理模塊負(fù)責(zé)各類資產(chǎn)管理，包括各類生產(chǎn)機(jī)械、生產(chǎn)資料的采購(gòu)、使用、配制以及相關(guān)的各種服務(wù)；人力資源管理模塊從科學(xué)的人力資源管理角度出發(fā)，從人力資源規(guī)劃開(kāi)始，將生產(chǎn)人員的信息統(tǒng)一地管理起來(lái)，以便對(duì)本地區(qū)人事活動(dòng)信息和人事活動(dòng)日志進(jìn)行查詢分析，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策提供幫助；財(cái)務(wù)管理模塊實(shí)現(xiàn)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)的管理和處理；遠(yuǎn)程服務(wù)模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程技術(shù)支持以及網(wǎng)上購(gòu)銷(xiāo)等。

系統(tǒng)可以幫助農(nóng)戶進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的管理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)監(jiān)控和實(shí)時(shí)分析，也可以幫助本地區(qū)農(nóng)業(yè)部門(mén)實(shí)現(xiàn)快速?zèng)Q策，提高管理效益。

7 結(jié)束語(yǔ)

智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，對(duì)于促進(jìn)農(nóng)業(yè)生自動(dòng)化，解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的強(qiáng)體力勞動(dòng)問(wèn)題、改善勞動(dòng)者的工作環(huán)境，提高資源利用率及作物產(chǎn)量有著重要的意義。計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，生物工程、微電子、智能控制理論、農(nóng)業(yè)用傳感器等技術(shù)的發(fā)展，保證了系統(tǒng)的可靠實(shí)現(xiàn)。然而，各種作物精確模型的建立以及適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化機(jī)械研發(fā)還需要廣大科技工作者的不懈努力。

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