設(shè)施蔬菜高效栽培物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究與應(yīng)用

林佳福

（長沙市蔬菜科學(xué)研究所，410003）

設(shè)施蔬菜栽培是一種采用現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)工程、機(jī)械技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為蔬菜栽培提供可控、適宜的環(huán)境條件，有效生產(chǎn)與管理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。發(fā)展設(shè)施蔬菜栽培是一項集科技、人才、經(jīng)濟(jì)為一體的復(fù)雜工程，可有效提高土地產(chǎn)出率、資源利用率和勞動生產(chǎn)率，提升農(nóng)業(yè)素質(zhì)、效益和競爭力。

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)拓展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)的延伸，實現(xiàn)了人們在任何時間、任何地點與任何物體的連接[1，2]。物聯(lián)網(wǎng)使人類可以更加精細(xì)及動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，提升對物理世界實時控制和精確管理的能力，從而實現(xiàn)資源優(yōu)化配置和科學(xué)智能決策，在設(shè)施農(nóng)業(yè)和智慧型農(nóng)業(yè)發(fā)展中有著十分廣闊的應(yīng)用前景[3，4]。

許多科研院校和企業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施蔬菜栽培方面的研究與應(yīng)用做了大量工作，戴云新等[5]探索了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蝴蝶蘭精細(xì)栽培管控系統(tǒng)，實現(xiàn)對蝴蝶蘭生長環(huán)境調(diào)控和精細(xì)栽培育種的需求，馬二磊等[6]研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的甜瓜遠(yuǎn)程控制簡約化高效栽培技術(shù)，楊方等[7]設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施蔬菜環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程自動控制，但沒有考慮蔬菜的質(zhì)量安全追溯和高效栽培建模。Kolhe等[8]將模糊邏輯與病害診斷相關(guān)聯(lián)，建立了油菜病蟲害預(yù)警監(jiān)測診斷WEB系統(tǒng)平臺。劉大有等[9]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色系統(tǒng)和時間序列預(yù)測相結(jié)合，提出了一種價格預(yù)測新模型。本文提出設(shè)施蔬菜高效栽培物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通過采集傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻圖像等多源信息，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，建立設(shè)施蔬菜高效栽培模型和專家決策模型，實現(xiàn)蔬菜栽培的水肥一體化滴灌、智能自動控制和質(zhì)量安全追溯管理。

1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架

針對設(shè)施蔬菜高效栽培需求，設(shè)計設(shè)施蔬菜高效栽培物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架示意

①感知與執(zhí)行層 利用傳感技術(shù)，對設(shè)施蔬菜栽培全生育期的墑情、氣象、基地土壤溫濕度pH值等數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)視點圖像數(shù)據(jù)、現(xiàn)場運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行采集，通過傳輸層上報系統(tǒng)。根據(jù)應(yīng)用層系統(tǒng)模型及專家決策指令，對大棚的天窗、內(nèi)外遮陽網(wǎng)、風(fēng)機(jī)、水簾、植物補(bǔ)光燈、水肥一體化滴灌設(shè)備進(jìn)行自動控制；同時輔助人工手動控制。

②網(wǎng)絡(luò)傳輸層 包括各種無線通信網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)形成的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)?；乇O(jiān)測站自動監(jiān)測的數(shù)據(jù)和上報數(shù)據(jù)通過傳輸層無線遠(yuǎn)程傳輸至應(yīng)用層的系統(tǒng)通訊服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器。應(yīng)用3G/4G等移動通信網(wǎng)和光纖專用網(wǎng)絡(luò)接入公共互聯(lián)網(wǎng)。

③應(yīng)用層 實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)與蔬菜高效栽培專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)的深度融合，構(gòu)建環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、視頻圖像庫、專家知識經(jīng)驗庫以及自學(xué)習(xí)模型庫等，形成設(shè)施蔬菜高效栽培大數(shù)據(jù)中心；設(shè)施蔬菜高效栽培物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的功能包括設(shè)施蔬菜高效栽培采集數(shù)據(jù)管理與分析、人工調(diào)查輔助數(shù)據(jù)管理（基地管理記錄、蔬菜栽培過程記錄等）、專家控制（水肥一體化滴灌控制、環(huán)境及土壤參數(shù)控制）、預(yù)警預(yù)報（溫室環(huán)境預(yù)警、病蟲害預(yù)報）、質(zhì)量安全追溯等，實現(xiàn)設(shè)施蔬菜栽培生產(chǎn)全過程遠(yuǎn)程、實時、精準(zhǔn)、高效的信息化、智能化管理，達(dá)到設(shè)施蔬菜栽培生產(chǎn)過程的自動化、標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)施蔬菜栽培全程可溯源的目的。

2 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)將感知數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計和挖掘，采用設(shè)施蔬菜高效栽培模型和專家決策模型，形成多源信息采集模塊、水肥一體化滴灌管理模塊、蔬菜栽培質(zhì)量安全追溯模塊和智能自動控制模塊4大功能模塊，如圖2所示。

2.1 設(shè)施蔬菜高效栽培模型

考慮到設(shè)施蔬菜栽培是一個非線性復(fù)雜工程，無法運(yùn)用精確的數(shù)學(xué)模型，本文將感知數(shù)據(jù)作為模塊輸入，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分類和深度挖掘，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯算法，建立設(shè)施蔬菜高效栽培自學(xué)習(xí)模型，指導(dǎo)設(shè)施蔬菜高效栽培。

2.2 專家決策模型

根據(jù)不同蔬菜栽培過程中對環(huán)境溫濕度、光照、土壤溫濕度以及pH值最適條件的要求，形成相應(yīng)的蔬菜栽培專家控制參數(shù)閥值動態(tài)調(diào)節(jié)表，指導(dǎo)環(huán)境參數(shù)的自動控制。同時針對土壤肥力及不同微成分對蔬菜質(zhì)量和口感的影響，將以往的經(jīng)驗值作為邊界參數(shù)，大數(shù)據(jù)動態(tài)挖掘蔬菜栽培技術(shù)特征，形成水肥一體化滴灌控制專家參數(shù)表，以指導(dǎo)設(shè)施蔬菜高效栽培中的水肥一體化滴灌。

2.3 多源信息采集模塊

系統(tǒng)通過基地數(shù)字化監(jiān)測裝置，將基地環(huán)境溫度、濕度、光照、CO2濃度，土壤的溫度、濕度、pH值等土壤墑情，蔬菜栽培不同階段的實時視頻，以及不同基地的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、統(tǒng)計和組合，為后續(xù)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2.4 水肥一體化滴灌管理模塊

系統(tǒng)共享水肥一體化滴灌控制系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)專家決策模型的專家控制參數(shù)，動態(tài)調(diào)節(jié)水肥一體化滴灌控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)水肥一體化滴灌系統(tǒng)的控制和管理。

2.5 質(zhì)量安全追溯模塊

將蔬菜栽培不同階段的環(huán)境監(jiān)測參數(shù)、土壤監(jiān)測參數(shù)及視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與關(guān)聯(lián)提取，系統(tǒng)建立蔬菜栽培全過程信息參數(shù)文件并動態(tài)輸出蔬菜栽培二維碼。通過掃描蔬菜栽培二維碼，用戶即可以文字瀏覽或視頻播放方式全面展示蔬菜栽培全過程，建立蔬菜質(zhì)量安全追溯體系，提升蔬菜品牌影響力。

圖2 系統(tǒng)功能模塊示意

2.6 智能控制模塊

系統(tǒng)根據(jù)專家決策控制參數(shù)，實現(xiàn)對大棚的天窗、內(nèi)外遮陽網(wǎng)、風(fēng)機(jī)、水簾、植物補(bǔ)光燈進(jìn)行自動控制?？紤]到對環(huán)境和土壤參數(shù)的控制是1個慣性系統(tǒng)控制，因此對各種參數(shù)的控制均采用滯環(huán)控制；不同蔬菜對環(huán)境和光照要求不同，對于新品種，控制參數(shù)把控不準(zhǔn)時，輔以人工手動控制，實現(xiàn)冗余和不同需求的應(yīng)用。

3 設(shè)施蔬菜高效栽培管控技術(shù)

運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對設(shè)施蔬菜進(jìn)行高效栽培，充分利用多源采集信息，將數(shù)據(jù)專家處理模型、水肥一體化滴灌控制、智能遠(yuǎn)程控制結(jié)合起來，實現(xiàn)操作人員實時對蔬菜栽培管理區(qū)域的查看和控制，達(dá)到節(jié)約人工、經(jīng)濟(jì)高效的目標(biāo)。

3.1 溫濕度控制

根據(jù)蔬菜對溫濕度的要求，自動選擇最適條件，一般如白天溫度為22~28℃，晚上溫度為16~25℃，溫度控制要根據(jù)蔬菜不同生長階段進(jìn)行合理調(diào)整。

環(huán)境相對濕度一般在60%~85%，不同時期要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)?？諝鉂穸鹊蜁r葉面易失水，高時易產(chǎn)生病害。通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)自動控制風(fēng)機(jī)、水簾、遮陽網(wǎng)、水肥一體化滴灌對溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2 光照度調(diào)節(jié)

蔬菜栽培需要陽光，但不能太強(qiáng)，一般光強(qiáng)控制為2 000~18 000 lx，根據(jù)不同蔬菜的不同階段進(jìn)行調(diào)節(jié)，可通過系統(tǒng)控制遮陽網(wǎng)、職位補(bǔ)光燈進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。

3.3 通風(fēng)控制

蔬菜栽培過程中對空氣流通控制很重要，室內(nèi)應(yīng)保持良好的通風(fēng)狀態(tài)，防止蔬菜爛根、病蟲害發(fā)生及落花等，可利用系統(tǒng)對風(fēng)機(jī)控制實現(xiàn)，但當(dāng)蔬菜對溫度、濕度和通風(fēng)的要求有沖突時，應(yīng)以主要因素為主，進(jìn)行合理的通風(fēng)控制。

3.4 水肥一體化管理

不同蔬菜對于肥要求不同，如葉類蔬菜需要將水肥灑于葉片，根類蔬菜需要將水肥滴灌于根部；另外，蔬菜在不同生長階段對液肥濃度要求有所不同，需根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的邊界條件按需施肥。滴灌澆水根據(jù)土壤的濕度邊界參數(shù)設(shè)置。

3.5 質(zhì)量安全追溯管理

系統(tǒng)將蔬菜栽培過程中不同生長的階段的參數(shù)和視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行特征性組合，形成蔬菜栽培階段性文字、圖像和視頻的融合資料，同時系統(tǒng)支持實時視頻，無死角隨機(jī)查看蔬菜基地的實時栽培過程，確保蔬菜栽培的質(zhì)量安全性。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

長沙市蔬菜科學(xué)研究所對蔬菜栽培進(jìn)行多年研究，取得許多突破性成果。為進(jìn)一步加強(qiáng)蔬菜栽培研究信息化管理、建立設(shè)施蔬菜高效栽培研究模型，長沙市蔬菜科學(xué)研究在長沙市農(nóng)業(yè)高科技中試基地進(jìn)行4 hm2以上的蔬菜栽培物聯(lián)網(wǎng)試點，構(gòu)建設(shè)施蔬菜高效栽培物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，如圖3所示，建設(shè)基地水肥一體化節(jié)水灌溉管道網(wǎng)，按蔬菜分類區(qū)分地塊布置物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測控制節(jié)點和高清視頻監(jiān)視點，由物聯(lián)網(wǎng)平臺管理中心對各節(jié)點進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測和控制管理，實現(xiàn)遠(yuǎn)程管理中心、遠(yuǎn)程客戶端、手機(jī)APP移動端等終端對基地各監(jiān)測控制節(jié)點和高清視頻點的實時監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制和視頻瀏覽等。

圖3 設(shè)施蔬菜高效栽培物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主界面

設(shè)施蔬菜高效栽培物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行以來，收集了辣椒、絲瓜、苦瓜等多種蔬菜栽培環(huán)境和土壤參數(shù)，并根據(jù)預(yù)定的專家控制參數(shù)進(jìn)行水肥一體化滴灌控制，對大棚的天窗、內(nèi)外遮陽網(wǎng)、風(fēng)機(jī)、水簾、植物補(bǔ)光燈進(jìn)行自動控制，實現(xiàn)環(huán)境溫濕度、光照和通風(fēng)的有效調(diào)節(jié)，形成蔬菜栽培階段性質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)；節(jié)約栽培人工成本約45%，節(jié)約栽培水肥成本約35%，信息化管理達(dá)80%；并構(gòu)建設(shè)施蔬菜高效栽培模型，已取得初步成效。設(shè)施蔬菜高效栽培物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計合理，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具備工程實用性和可操作性，可推廣使用。

5 結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施蔬菜高效栽培是設(shè)施蔬菜栽培發(fā)展方向，有利于信息化管理、自動化控制和設(shè)施蔬菜高效栽培建模，根據(jù)本研究得出如下結(jié)論。

①系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)施蔬菜栽培過程中的水肥一體化滴灌自動控制、環(huán)境調(diào)節(jié)自動化控制，節(jié)約勞動力成本約45%，節(jié)約水肥成本約35%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

②構(gòu)建設(shè)施蔬菜高效栽培信息化管理，分析統(tǒng)計各種蔬菜對環(huán)境要求的量化指標(biāo)，統(tǒng)計蔬菜高效栽培全周期的用工、用肥、用水情況表，便于蔬菜高效栽培的技術(shù)指導(dǎo)。

③構(gòu)成設(shè)施蔬菜高效栽培模型，研究環(huán)境、土壤、水肥、微金屬等因子對不同蔬菜在不同生長階段的影響程度，量化蔬菜高效栽培邊界參數(shù)，不斷優(yōu)化專家決策參數(shù)。

設(shè)施蔬菜高效栽培物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模式使設(shè)施蔬菜栽培資源的利用更加信息化、自動化，實現(xiàn)了節(jié)水環(huán)保，充分體現(xiàn)了在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究應(yīng)用中節(jié)水環(huán)保的新要求，對建設(shè)環(huán)境友好型的現(xiàn)代設(shè)施蔬菜高效栽培產(chǎn)業(yè)模式具有重要意義。