大數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能溫室環(huán)境控制中的應(yīng)用＊
——以濟(jì)南科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園為例

曹耀鵬，劉厚誠(chéng)（.北京科百宏業(yè)科技有限公司，北京 0008；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣州 50642）

濟(jì)南科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園位于山東省濟(jì)南市萊蕪區(qū)，使用科百KB-CPS 作物精準(zhǔn)栽培管理信物融合操作系統(tǒng)對(duì)園區(qū)大空間智能日光溫室作物（圖1）進(jìn)行全面數(shù)字化管控，在充分利用自然條件和設(shè)施化、物聯(lián)網(wǎng)精準(zhǔn)調(diào)控的基礎(chǔ)上，在暖溫帶地區(qū)生產(chǎn)出可以全年供應(yīng)市場(chǎng)的高品質(zhì)蓮霧、番木瓜、荔枝等熱帶水果，取得了良好成效。該產(chǎn)業(yè)園蓮霧年產(chǎn)量達(dá)4500 kg/667 m2（圖2a），可溶性固形物14%，高出原產(chǎn)地50% 以上，商品果率80%。番木瓜年均產(chǎn)量為5000 kg/667 m2（圖2b），可溶性固形物13% 以上，高出原產(chǎn)地25%。熱帶作物年產(chǎn)值均在10 萬元/667 m2以上。

圖1 科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園的大空間智能日光溫室

圖2 科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園智能溫室內(nèi)的南果北種

南果北種在技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面存在較大難度，尤其是在溫室環(huán)境控制方面，利用傳統(tǒng)方式和普通溫室進(jìn)行栽培，管控效果受限，管理成本較高?？瓢僦腔坜r(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園的高效管理則得益于大數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在栽培管理中的成熟應(yīng)用。

傳統(tǒng)的普通溫室環(huán)境控制過程中，控制決策大部分依靠農(nóng)藝師或種植者的經(jīng)驗(yàn)和感性認(rèn)知，存在粗放、寬泛、不確定的屬性。雖然目前大部分溫室也配置了卷簾電機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、濕簾系統(tǒng)等機(jī)械化環(huán)境控制設(shè)備，為環(huán)境控制提供了必要的硬件設(shè)備，但這些設(shè)備的運(yùn)行控制仍然依賴于人的決策，且耗費(fèi)大量時(shí)間成本。尤其是在規(guī)模化設(shè)施栽培中，如何高效精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)環(huán)境控制是需要解決的問題?；谶@些問題，科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園對(duì)系統(tǒng)提出了很多新的需求，例如人力成本節(jié)約要求、生產(chǎn)效率要求、環(huán)境控制的精準(zhǔn)化要求、時(shí)效性要求，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和一致性的要求，這些要求解決的前提是環(huán)境控制的高效管理、精準(zhǔn)管理、智能管理和經(jīng)濟(jì)管理。實(shí)際上，無論溫室栽培還是大田栽培，從始至終都是圍繞著大量的數(shù)據(jù)在進(jìn)行，需要時(shí)刻關(guān)注和利用溫度、濕度、太陽輻照度、晝夜溫差、露點(diǎn)溫度、有效積溫等數(shù)據(jù)。文章主要介紹在智慧溫室環(huán)境控制中數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、采集、傳輸、存貯以及計(jì)算應(yīng)用等問題。

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園每個(gè)智能日光溫室都配置了一系列的傳感器來采集數(shù)據(jù)。空氣溫濕度、土壤溫濕度、太陽輻照度、CO2濃度、土壤pH和EC 等這些因素都是影響溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)的基本要素，是溫室環(huán)境控制中需要收集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。更進(jìn)一步，收集作物生長(zhǎng)的數(shù)據(jù)信息，如葉片溫濕度、葉面積、莖稈和果實(shí)的微變參數(shù)，徑流等。從這些數(shù)據(jù)中，可以讀取出更深層次環(huán)境與作物生長(zhǎng)的關(guān)系，給中長(zhǎng)期的環(huán)境控制提供更精準(zhǔn)的智能決策。在科百智能溫室中，利用各種類別的傳感器即可收集到作物生長(zhǎng)環(huán)境實(shí)時(shí)的、密集的、精確的全維度大數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行智能控制的基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

圖3 園區(qū)內(nèi)不同類型的無線傳感器及中央基站

圖4 園區(qū)使用的果實(shí)直徑微變傳感器及可視化的大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

圖5 智能日光溫室中的光照傳感器和無線數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)

圖6 農(nóng)業(yè)環(huán)境大數(shù)據(jù)生產(chǎn)力

園區(qū)內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)無線農(nóng)業(yè)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)微基站基于互聯(lián)網(wǎng)功能，通過GPRS/GSM 網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)專用頻段將各類傳感器和節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到中央數(shù)據(jù)平臺(tái)。值得指出的是，相對(duì)于有線傳感器和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，科百使用的無線傳感器和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)取表現(xiàn)出了更加明顯的優(yōu)勢(shì)。一個(gè)中央微基站可覆蓋1～3 km 距離，意味著至少在4500 畝（300.15 hm2）的區(qū)域范圍內(nèi)，只需要1 座中央基站即可實(shí)現(xiàn)布置在園區(qū)中所有的傳感器和數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)通訊。不僅節(jié)約空間，可模塊化安裝，還不受使用場(chǎng)景限制，低功耗，低成本，可根據(jù)園區(qū)管理者需求進(jìn)行定制化配置。數(shù)據(jù)的云存儲(chǔ)技術(shù)更是為園區(qū)管理者節(jié)約了硬件和空間成本，使數(shù)據(jù)成為一種可隨時(shí)取用的無形資產(chǎn)。

數(shù)據(jù)計(jì)算和應(yīng)用

數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)的最終目的是數(shù)據(jù)應(yīng)用，大量的數(shù)據(jù)需要通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和一系列的算法來計(jì)算控制邏輯，因此一個(gè)完整的、可靠的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)還必須具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算能力。根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景和需求，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)可以完全實(shí)現(xiàn)六大農(nóng)業(yè)環(huán)境大數(shù)據(jù)生產(chǎn)力（圖6）。

大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在智能溫室環(huán)境控制中的基礎(chǔ)應(yīng)用

科百物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通過云平臺(tái)或手機(jī)APP（圖7～8）可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制。所有接入平臺(tái)的環(huán)控設(shè)備如通風(fēng)口、保溫被、軸流風(fēng)機(jī)、濕簾系統(tǒng)、遮陽網(wǎng)、補(bǔ)光燈、電磁閥、加濕器等設(shè)備，都可在指令下發(fā)后實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和實(shí)時(shí)管理。這些應(yīng)用可節(jié)約大量的人力成本，實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制的統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化管理，尤其是在多溫室管理中，一個(gè)園區(qū)管理員通過云平臺(tái)可對(duì)十多個(gè)溫室進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)環(huán)境管理，遠(yuǎn)程一鍵操作某個(gè)或多個(gè)設(shè)備設(shè)施的啟停。系統(tǒng)還可根據(jù)園區(qū)管理員需求，針對(duì)某一類設(shè)備設(shè)置定時(shí)任務(wù)或條件任務(wù)。

圖7 信物融合系統(tǒng)大空間智能溫室環(huán)境控制APP 界面

圖8 CaipoWeb 數(shù)據(jù)云平臺(tái)的智能控制模塊界面

在智能溫室中，某些環(huán)境管理需要通過設(shè)備高頻次的啟停來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)環(huán)境控制，以溫室高溫時(shí)的降溫為例，如果設(shè)定蓮霧智能溫室目標(biāo)溫度為25～27 ℃，在不使用濕簾系統(tǒng)的節(jié)能要求前提下，最經(jīng)濟(jì)有效的手段是通過通風(fēng)口的頻繁開啟和關(guān)閉實(shí)現(xiàn)降溫目的，這可能需要間隔十幾分鐘的高頻次風(fēng)口電機(jī)啟停動(dòng)作，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可根據(jù)條件設(shè)定，自動(dòng)下發(fā)啟停和開度指令，實(shí)現(xiàn)溫度保持在設(shè)定范圍之內(nèi)。在智能連棟溫室環(huán)境調(diào)控中需要風(fēng)機(jī)、遮陽簾、加溫設(shè)備、濕簾等設(shè)備的聯(lián)合運(yùn)行來確保溫度在設(shè)定的范圍內(nèi)，這種控制就需要多個(gè)設(shè)備的聯(lián)合、高頻動(dòng)作，設(shè)備運(yùn)行的先后順序、運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行強(qiáng)度包括能效指標(biāo)都需要被考量，這種控制就需要一套復(fù)雜的邏輯運(yùn)算來進(jìn)行，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可根據(jù)采集的數(shù)據(jù)和目標(biāo)任務(wù)在計(jì)算后制定出嚴(yán)密的設(shè)備控制決策，自動(dòng)執(zhí)行，智能運(yùn)行，達(dá)成環(huán)境控制目的。

大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在智能溫室環(huán)境控制中的高級(jí)應(yīng)用

農(nóng)業(yè)數(shù)學(xué)模型的研究一直是農(nóng)科領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，但數(shù)學(xué)模型在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中很難被實(shí)質(zhì)性應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，高效的數(shù)據(jù)采集傳輸運(yùn)用等問題迎刃而解，這給農(nóng)業(yè)數(shù)學(xué)模型的高效應(yīng)用創(chuàng)造了必要條件。

以計(jì)算果樹需冷量的猶他模型為例，該模型如果以傳統(tǒng)手段來運(yùn)行十分困難，僅數(shù)據(jù)采集就是一項(xiàng)龐大而復(fù)雜的工程。但在智能溫室中，以秒級(jí)為采集時(shí)間顆粒度的溫度大數(shù)據(jù)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)后臺(tái)算法，即可精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、傳輸和存儲(chǔ)，便捷地運(yùn)行模型，同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)施可在系統(tǒng)支持下智能運(yùn)行，來進(jìn)行需冷量的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和環(huán)境調(diào)控，為精準(zhǔn)生產(chǎn)提供有效的支撐。在科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園溫室荔枝栽培中，使用了基于猶他模型理論的需冷量控制模型進(jìn)行低溫積溫預(yù)測(cè)和智能環(huán)境控制，實(shí)現(xiàn)了荔枝在該園區(qū)的早成花、早坐果、早成熟，同時(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

圖9 科百云平臺(tái)的保溫被開關(guān)智能決策模型界面

保溫被是智能日光溫室進(jìn)行溫度管理的重要設(shè)備，何時(shí)開啟和關(guān)閉影響光熱資源的有效利用，如何實(shí)現(xiàn)無人值守式的多溫室同步管理需涉及人力資源和高效管理；如何應(yīng)對(duì)不良天氣因素對(duì)設(shè)備造成的損失，涉及管理中的安全性問題。針對(duì)這一系列問題，在濟(jì)南科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園，基于長(zhǎng)期采集的大量保溫被控制數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選和深度分析，在其物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)上開發(fā)了保溫被開關(guān)智能決策模型，模型上線后可指導(dǎo)保溫被在合適的時(shí)間自動(dòng)開啟和關(guān)閉（圖9），實(shí)現(xiàn)了溫度光照控制高效和便捷化管理。該模型數(shù)據(jù)分析原理見公式（1）、公式（2），具體因素與權(quán)重詳見表1。

表1 影響保溫被開啟和關(guān)閉的因素及權(quán)重

根據(jù)系統(tǒng)平臺(tái)的大數(shù)據(jù)分析，保溫被打開關(guān)閉預(yù)測(cè)函數(shù)為：

判斷邏輯：當(dāng)F(x)≥某值時(shí)，保溫被打開

當(dāng)F(x)＜某值時(shí)，保溫被關(guān)閉

一些病蟲害的發(fā)生和流行與種植環(huán)境參數(shù)關(guān)系密切。例如有效積溫影響蚜蟲的發(fā)生世代和蟲態(tài)，溫濕度和持續(xù)時(shí)間影響炭疽病等真菌性病害在作物生長(zhǎng)某一時(shí)期的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。基于這些基本原理，通過溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)和計(jì)算，可以精準(zhǔn)預(yù)測(cè)病蟲害的發(fā)生規(guī)律，為植保管理提供決策，更進(jìn)一步，可以在不影響作物生長(zhǎng)的前提下進(jìn)行環(huán)境干預(yù)，來預(yù)防病蟲害的發(fā)生和流行。在科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園，植保管理依靠物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供的數(shù)十個(gè)病蟲害模型進(jìn)行病蟲害預(yù)警和提前預(yù)防。以蓮霧炭疽病為例，該模型基于真菌性病害發(fā)生的侵染機(jī)理，分析炭疽病侵染、傳播、流行所需的必要條件，通過采集大量高密度的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)、蓮霧生長(zhǎng)狀況數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)篩選和算法，計(jì)算和預(yù)測(cè)病害發(fā)生臨界點(diǎn)，通過系統(tǒng)給管理者發(fā)送植保預(yù)警信息，同時(shí)指導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主動(dòng)開啟通風(fēng)除濕系統(tǒng)等設(shè)備采取干預(yù)措施，阻止病害發(fā)生和流行，有效促進(jìn)了植保管理中的綠色防控（圖10）。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和水肥管理數(shù)字模型（圖11）基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采集的土壤數(shù)據(jù)（田持、相對(duì)濕度變化值、土壤EC 和pH 變化值）、大氣環(huán)境數(shù)據(jù)（氣溫、風(fēng)速）、作物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)（物候期、目標(biāo)產(chǎn)量）等多維度數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)篩選、模型公式的運(yùn)算，計(jì)算蒸騰蒸散量、每天作物的需水和需肥量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來多天的需水需肥值，主動(dòng)開啟電磁閥和施肥機(jī)通道開關(guān)，對(duì)作物進(jìn)行精準(zhǔn)化水肥管理決策。作物在生長(zhǎng)過程中對(duì)水肥的吸收是持續(xù)不斷的，只是基于傳統(tǒng)的方式不可能實(shí)現(xiàn)“一日三餐”式的水肥補(bǔ)給?；谧詣?dòng)化和智能化的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)就可在無人操控水利設(shè)施對(duì)作物進(jìn)行極高頻次灌溉和施肥，科百智慧產(chǎn)業(yè)園的蓮霧栽培中，根據(jù)蓮霧需水規(guī)律，利用水肥管理模型，將灌水周期縮短至數(shù)個(gè)小時(shí)的級(jí)別（3～4 次/ 天），這種智能化的管理模式可極大地節(jié)約用水和提高肥料利用率，經(jīng)園區(qū)實(shí)踐驗(yàn)證，相對(duì)于傳統(tǒng)方式物聯(lián)網(wǎng)智能水肥管理模型可節(jié)約用水70%，肥料利用率提高50% 以上。

圖10 科百云平臺(tái)的病蟲害預(yù)警模型界面

圖11 基于智能水肥管理決策模型的高頻灌溉數(shù)據(jù)界面

數(shù)字農(nóng)場(chǎng)

科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園利用大數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，以數(shù)字孿生技術(shù)可在云平臺(tái)構(gòu)建一個(gè)與現(xiàn)實(shí)物理農(nóng)場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的數(shù)字農(nóng)場(chǎng)（圖12～13）。數(shù)字農(nóng)場(chǎng)可精準(zhǔn)地反饋物理農(nóng)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備設(shè)施狀態(tài)等全維度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，配合一系列控制邏輯和數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)全程無人值守式的智能化環(huán)境管理和栽培管理。

總結(jié)

科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園通過農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)園區(qū)智能溫室土壤、作物生理、氣象小環(huán)境等環(huán)境因素的進(jìn)行全緯度、高密度、高粒度的大數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)。根據(jù)作物和環(huán)境實(shí)時(shí)情況，通過物聯(lián)網(wǎng)無線控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)作物栽培的精準(zhǔn)控制和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境控制設(shè)備的智能管理。通過病蟲害數(shù)字模型準(zhǔn)確預(yù)測(cè)農(nóng)作物病蟲害發(fā)生的時(shí)間和程度，制定精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、精準(zhǔn)預(yù)防和精準(zhǔn)控制的植保方案，取代現(xiàn)場(chǎng)人工植保模式。通過水肥管理模型進(jìn)行作物全生長(zhǎng)周期的水肥智能化管理，通過光資源高效利用、保溫被開關(guān)智能決策等模型最大限度利用光熱資源。這一系列科技手段的應(yīng)用在一定程度上代表了智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與方向，科百智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園優(yōu)秀的管理成效也是其大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可靠性和科技水平的證明。

當(dāng)然，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響因素繁多、環(huán)境復(fù)雜，智能溫室環(huán)境控制更是個(gè)多學(xué)科融合的龐大工程，還有廣闊的發(fā)展空間，但發(fā)展方向必然是基于大數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)字化解決模式?？梢灶A(yù)見在不遠(yuǎn)的將來，大數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐下的智能溫室環(huán)境控制會(huì)在現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)中得以更廣泛的應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)注入強(qiáng)勁的“數(shù)據(jù)力”，帶來一場(chǎng)徹底的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)系變革。

圖12 KB-CPS 信物融合系統(tǒng)數(shù)字農(nóng)場(chǎng)界面

圖13 KB-CPS 信物融合系統(tǒng)智能溫室環(huán)境控制界面