設(shè)施智能農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展現(xiàn)狀及特點

高玲 夏利利 劉勇

摘要 設(shè)施智能農(nóng)業(yè)裝備是指設(shè)施農(nóng)業(yè)工程、農(nóng)業(yè)資源環(huán)境調(diào)控技術(shù)等方面的自動化、信息化和標(biāo)準(zhǔn)化，其核心是農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控技術(shù)。綜述了國外發(fā)達(dá)國家設(shè)施智能農(nóng)業(yè)裝備研究的發(fā)展現(xiàn)狀、特點以及趨勢，然后介紹了我國設(shè)施智能農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，最后提出了我國設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞 設(shè)施智能農(nóng)業(yè)裝備；環(huán)境調(diào)控；智能溫室；發(fā)展現(xiàn)狀

中圖分類號 S23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）16-05334-02

設(shè)施智能農(nóng)業(yè)技術(shù)是指將環(huán)境工程技術(shù)、信息通信技術(shù)、自動化技術(shù)以及生物工程技術(shù)等現(xiàn)代工程技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)作物生產(chǎn)領(lǐng)域，研究動植物生長的最適宜的生態(tài)環(huán)境條件，在現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)自動控制環(huán)境，使其不會受到外界氣候條件的影響，整個生產(chǎn)過程實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化裝備、自動化和智能化。設(shè)施智能農(nóng)業(yè)裝備是指設(shè)施農(nóng)業(yè)工程、農(nóng)業(yè)資源環(huán)境調(diào)控技術(shù)等方面的自動化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化裝備，其核心是農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控技術(shù)裝備。智能化的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控指的是在一定的空間范圍，準(zhǔn)確采集設(shè)施內(nèi)光照 、溫度、濕度、氣和肥料等環(huán)境因子以及作物生長狀況等參數(shù)，同時對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析，同時進(jìn)行智能化處理后形成一套專家信息系統(tǒng)，然后通過研究作物生長所需最適宜的環(huán)境情況，使相關(guān)系統(tǒng)及設(shè)備根據(jù)智能系統(tǒng)發(fā)出的指令，有規(guī)律的進(jìn)行動作，綜合調(diào)節(jié)設(shè)施內(nèi)溫度、光照、水分、肥料和氣等所有因素，使作物生長達(dá)到最佳狀態(tài)。設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境智能化調(diào)控研究水平，是衡量世界各國農(nóng)業(yè)科技發(fā)展水平的重要因素。

1 國外設(shè)施智能農(nóng)業(yè)裝備研究現(xiàn)狀

1.1 設(shè)施智能農(nóng)業(yè)裝備研究現(xiàn)狀 隨著信息技術(shù)、環(huán)境工程技術(shù)等科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，結(jié)合現(xiàn)代信息通信技術(shù)、電力電子技術(shù)、自動化技術(shù)、生物工程技術(shù)、計算機(jī)管理技術(shù)等現(xiàn)代化的工程技術(shù)應(yīng)用，現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)目前正在向智能化方向發(fā)展。

國外環(huán)境自動化調(diào)控技術(shù)研究較早的主要有荷蘭，其所開發(fā)溫室計算機(jī)自動控制系統(tǒng)始于從20世紀(jì)80年代，同時還開發(fā)了相應(yīng)的模擬控制軟件系統(tǒng)。在20世紀(jì)80年代中期，應(yīng)用于溫室環(huán)境因子等方面控制的已達(dá)到5 000多臺計算機(jī)。目前，荷蘭擁有的玻璃溫室占世界的四分之一以上，達(dá)到1.2萬多hm2，通過計算機(jī)進(jìn)行環(huán)境調(diào)控的占到85%，在購買溫室控制軟件和作物生長營養(yǎng)液后，種植者只需按照不同作物的環(huán)境調(diào)控需求進(jìn)行自動控制，使其達(dá)到作物生長發(fā)育的最合適生長環(huán)境。

在國外溫室環(huán)境控制管理方面，英國開發(fā)了智能溫室系統(tǒng)、西班牙和奧地利研發(fā)了具有遙控功能的溫室控制管理系統(tǒng)，德國研發(fā)了基于3S技術(shù)（地理信息系統(tǒng)GIS、全球定位系統(tǒng)GPS、遙感技術(shù)RS）溫室控制與管理系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代中期，日本擁有1 000多臺計算機(jī)應(yīng)用于溫室環(huán)境調(diào)控中，其目前計算機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門中的應(yīng)用率達(dá)到92%以上。以色列利用光熱資源的優(yōu)勢，采用節(jié)水灌溉技術(shù)，通過安裝傳感器在作物周圍，測定作物生長的水、肥狀況，通過田間控制器全天溫室內(nèi)外部的溫濕度數(shù)據(jù)采集和儲存，根據(jù)辦公室里的控制管理計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，可以非常便捷地進(jìn)行灌溉和施肥的遙控，同時卷簾裝備系統(tǒng)、遮陰設(shè)備系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)以及灌溉區(qū)的流量控制系統(tǒng)也可以進(jìn)行有效的自動控制，而且控制系統(tǒng)精確可靠，節(jié)省人力資源。

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的運用亦卓有成效，如監(jiān)視農(nóng)作物灌溉情況、土壤空氣變更、畜禽的環(huán)境狀況以及大面積的地表檢測，收集溫濕度、風(fēng)力、大氣、降雨量等數(shù)據(jù)信息，測量有關(guān)土地的濕度、氮濃縮量和土壤pH值等，從而進(jìn)行科學(xué)預(yù)測，幫助農(nóng)民抗災(zāi)、減災(zāi)，科學(xué)種植，提高綜合效益[2]。

1.2 國外設(shè)施智能農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展特點及趨勢 在國外，設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備已經(jīng)發(fā)展到了較高水平，其發(fā)展方向是自動化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。

設(shè)施智能農(nóng)業(yè)裝備的水平是設(shè)施農(nóng)業(yè)科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志，智能化程度越高表明農(nóng)業(yè)科技發(fā)展水平越高。設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備從初級自動化控制正轉(zhuǎn)變?yōu)楦呒壷悄芑?，從非?biāo)準(zhǔn)化向標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品轉(zhuǎn)變，控制系統(tǒng)從自動化轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑窃O(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢，歐美等發(fā)達(dá)國家設(shè)施農(nóng)業(yè)已具備了成套的技術(shù)、完善的設(shè)施設(shè)備、規(guī)范的生產(chǎn)等功能，形成了設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)品制造、設(shè)施環(huán)境智能調(diào)控、生產(chǎn)材料供給一體化的產(chǎn)業(yè)體系，能通過研究作物生長的最適宜環(huán)境條件，自動調(diào)節(jié)設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)作物生長環(huán)境，使其不受外界氣候條件的影響。

國外連棟溫室得到普遍推廣，并不斷向大型化方向發(fā)展。高新技術(shù)的有機(jī)融合，使得目前設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)朝著自動化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展。歐美、日本等一些發(fā)達(dá)國家一直在研究“工廠化農(nóng)業(yè)”成套技術(shù)，目前，荷蘭、奧地利、英國、美國和日本等國家均建有植物工廠。在西方發(fā)達(dá)國家，無土栽培技術(shù)研究已經(jīng)取得了突破，而且得到廣泛應(yīng)用，同時逐漸將成為以后主要的一種作物栽培方式，已經(jīng)成功開發(fā)計算機(jī)控制的營養(yǎng)液配制和供給的閉路循環(huán)系統(tǒng)。由于溫室高溫潮濕的工作特點及勞動力嚴(yán)重不足，隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)朝著規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化和精準(zhǔn)化發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)器人將走進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，特別是設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。目前日本已研發(fā)出可進(jìn)行果樹噴藥、嫁接、育苗的機(jī)器人，美國發(fā)明的施藥機(jī)械，裝有計算機(jī)芯片和電子眼，它能區(qū)分田間空地和雜草，并將除草劑只向雜草上噴灑，還開發(fā)了能夠辨別秧苗質(zhì)量并能分揀的溫室移苗作業(yè)機(jī)器人等。

2 我國設(shè)施智能農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 溫室環(huán)境調(diào)控設(shè)備 我國溫室栽培主要包括塑料大棚、日光溫室和現(xiàn)代化連棟溫室。目前溫室已經(jīng)實現(xiàn)數(shù)字化控制，即按照經(jīng)營者的生產(chǎn)目標(biāo)，根據(jù)植物的農(nóng)藝需求，對溫室栽培對象和生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)字化和可視化控制和管理。他建立在信息技術(shù)、精確施肥控制技術(shù)、智能農(nóng)機(jī)技術(shù)等一系列高新技術(shù)之上，集成先進(jìn)的溫室硬件及栽培技術(shù)，實現(xiàn)信息化栽培和管理。其主要特征為溫室生產(chǎn)管理實現(xiàn)數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，具備遠(yuǎn)程監(jiān)控能力。

如北京市農(nóng)業(yè)局農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗鑒定推廣站開發(fā)的TRM.FZ1多通道光輻照監(jiān)測系統(tǒng)，可以對溫室溫濕度、光照、 CO2濃度、土壤水分等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。該儀器智能化程度高，能自動尋回測試與記錄溫室內(nèi)上述參數(shù)的分布及變化，并能實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的有線與無線傳輸。如北京景鵬環(huán)球科技股份有限公司開發(fā)的智能環(huán)境控制系統(tǒng)，采用分散采集，集中控制，自動檢測溫度、濕度、光照、CO2風(fēng)速及雨量等室內(nèi)外參數(shù)，在專家系統(tǒng)指導(dǎo)下設(shè)定參數(shù)，自動調(diào)節(jié)溫室內(nèi)各設(shè)備狀態(tài)，實現(xiàn)對溫室生產(chǎn)環(huán)境和植物信息實時動態(tài)監(jiān)測，使各項環(huán)境因子符合既定要求，保證植物生長處于最佳狀態(tài)，提高控制精度。

2.2 設(shè)施智能農(nóng)業(yè)栽培機(jī)械

2.2.1 設(shè)施穴盤育苗播種機(jī)。設(shè)施穴盤育苗播種機(jī)是在大田精量播種機(jī)的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的，但同時又區(qū)別于大田精量播種機(jī)結(jié)構(gòu)型式。大田作業(yè)精量播種機(jī)是通過拖拉機(jī)驅(qū)動并在行走中進(jìn)行精量播種，而設(shè)施穴盤育苗播種機(jī)采用規(guī)格化的穴盤，因此播種機(jī)不動，通過驅(qū)動穴盤及傳送帶與播種器產(chǎn)生相對運動實現(xiàn)播種。設(shè)施穴盤育苗播種機(jī)播種精度高，而大田精量播種機(jī)變異系數(shù)較大，設(shè)施穴盤育苗播種機(jī)由于所播種子較小、重量輕、而且形狀不規(guī)則，所以對播種精度要求較高，故多采用氣吸式精量播種方式[1]。

2.2.2 工廠化穴盤育苗播種機(jī)工作原理。目前，工廠化穴盤育苗播種機(jī)按結(jié)構(gòu)形式可分為針管式、板式和滾筒式播種機(jī)；按自動化程度劃分，可分為手動、半自動和全自動播種機(jī)[1]。針式精量播種機(jī)和滾動式精量播種機(jī)屬于全自動播種機(jī)。國外已經(jīng)開發(fā)出氣吸式育苗精量播種機(jī)，國內(nèi)許多院所及一些企業(yè)也研制出了氣吸式工廠化育苗精量播種機(jī)，常見的主要是針吸育苗播種機(jī)。氣吸式育苗精量播種機(jī)工作主要是采用真空吸附原理，播種機(jī)有一個真空發(fā)生裝置，通常為真空發(fā)生器或真空泵，當(dāng)穴盤到達(dá)播種位置時間，傳感器會檢測到穴盤，針管孔或滾筒小孔利用真空吧種子從秧盤吸附住，運動到穴盤上方，對準(zhǔn)穴孔，將負(fù)壓切換成較低的正壓，種子便落到穴盤預(yù)定位置。

2.2.3 蔬菜嫁接機(jī)。國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心開發(fā)的TJ300型蔬菜嫁接機(jī)，綜合運用氣動和傳感器技術(shù)，通過單片機(jī)控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用人工上苗、上夾作業(yè)，對接更加準(zhǔn)確，適用茄果類作物的貼接法嫁接，能夠滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)工廠化嫁接育苗的需要。

2.3 溫室智能噴灌、施肥設(shè)備

2.3.1 精密施肥系統(tǒng)。北京景鵬環(huán)球科技股份有限公司開發(fā)的精密施肥系統(tǒng)，配備高精度的EC、pH傳感器、壓力調(diào)節(jié)閥、壓力計、疊片式過濾器、肥料泵等元件，根據(jù)作物要求的EC、pH，控制設(shè)定值，自動調(diào)節(jié)肥料泵的施肥速率、灌水施肥的數(shù)量、壓力，從而實現(xiàn)水肥一體化。

2.3.2 設(shè)施灌溉施肥一體化設(shè)備。水肥管理是設(shè)施農(nóng)業(yè)作物種植過程中影響設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和品質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前國內(nèi)外也有很多機(jī)構(gòu)研究水肥管理，已經(jīng)取得了進(jìn)展，精準(zhǔn)化、智能化的施肥灌溉技術(shù)已經(jīng)逐步得到大面積應(yīng)用。我國在設(shè)施水肥管理技方面與國外還存在較大差距。我國自主研發(fā)的部分自動注肥系統(tǒng)采用了文丘里、變頻調(diào)速技術(shù)，但很多還在試驗室研究階段，沒有進(jìn)行推廣應(yīng)用。我國自主開發(fā)的移動式溫室精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，性能良好，同時在京郊溫室基地進(jìn)行了示范推廣應(yīng)用，反映較好。

3 設(shè)施智能農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展建議

（1）結(jié)合我國設(shè)施智能農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，建議重點發(fā)展方向如下：（a）設(shè)施農(nóng)業(yè)物理環(huán)境參數(shù)的信息采集技術(shù)；（b）作物生長過程信息的實時采集、監(jiān)測與處理技術(shù)；（c）設(shè)施智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中所涉及的生產(chǎn)技術(shù)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)；（d）建立各類控制模型或?qū)＜蚁到y(tǒng)的技術(shù)，是這個設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化系統(tǒng)的核心。

（2）加大新產(chǎn)品新技術(shù)的宣傳及推廣力度，大力示范推廣設(shè)施農(nóng)業(yè)的設(shè)施裝備技術(shù)、農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控技術(shù)、節(jié)能減排技術(shù)和作物信息管理技術(shù)等。爭取政策扶持，資金支持，技術(shù)保障，產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，使得設(shè)施智能農(nóng)業(yè)技術(shù)及裝備被多數(shù)人認(rèn)知及應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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