“智慧農(nóng)業(yè)”在辣椒種植中的應(yīng)用

河南省農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測中心 韓建征

我國是世界農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要性對我們來說不言而喻。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展正在朝著“智慧農(nóng)業(yè)”的方向發(fā)展，所謂“智慧農(nóng)業(yè)”就是利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果，集成農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、5 G、人工智能、遙感、大數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可視化遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程診斷、災(zāi)害預(yù)警等智能化管理。

隨著“智慧農(nóng)業(yè)”的推進(jìn)（見圖1），我國辣椒產(chǎn)業(yè)也在快速發(fā)展，栽培技術(shù)不斷提高，種植面積也越來越大。雖然辣椒種植面積位于蔬菜作物的第二位，但是其產(chǎn)值和效益仍高居蔬菜作物的第一位。目前，關(guān)于辣椒種植的研究主要集中在傳統(tǒng)的辣椒種植技術(shù)等方面，而關(guān)于智慧農(nóng)業(yè)相關(guān)管理技術(shù)在辣椒種植中的研究鮮有報(bào)道。為了更全面地了解“智慧農(nóng)業(yè)”相關(guān)技術(shù)在辣椒種植過程中的應(yīng)用，本文以河南省臨潁縣辣椒現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園（簡稱“產(chǎn)業(yè)園”）為例，產(chǎn)業(yè)園以辣椒為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，辣椒種植總面積0.72萬hm2，其中5 G智慧辣椒種植基地近0.13萬hm2。本文詳細(xì)介紹了“智慧農(nóng)業(yè)”相關(guān)管理技術(shù)中物聯(lián)網(wǎng)、5 G、人工智能、遙感、大數(shù)據(jù)等在產(chǎn)業(yè)園區(qū)辣椒種植過程中數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、監(jiān)測、傳輸以及定位等問題中的應(yīng)用情況。

圖1 智慧農(nóng)業(yè)田間智能化管理場景

一、物聯(lián)網(wǎng)在辣椒種植生產(chǎn)中的應(yīng)用

（一）物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)是指通過傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)物物之間相互聯(lián)合的互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)，是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的延伸，被稱為第三次信息技術(shù)革命。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以將農(nóng)業(yè)生態(tài)中的各種個體融為一體，具有對需要檢測的農(nóng)作物各個時期各種問題進(jìn)行智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控等功能。關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，宋艷等人詳細(xì)介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)作物種植環(huán)境智能化管理、環(huán)境監(jiān)控等方面的應(yīng)用情況；李道亮等詳細(xì)概述了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)化、農(nóng)業(yè)信息感知技術(shù)、傳輸技術(shù)、處理技術(shù)等方面的研究進(jìn)展以及農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成與應(yīng)用。

（二）物聯(lián)網(wǎng)在辣椒種植中的應(yīng)用

由圖2可知，辣椒在種植過程中環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，由于傳統(tǒng)的辣椒種植模式受種植條件的限制，需要消耗大量的人力、財(cái)力和物力。最主要的是，在人工種植過程中避免不了種植誤差的存在。而物聯(lián)網(wǎng)在辣椒種植過程中應(yīng)用之后，在各個環(huán)節(jié)作業(yè)時能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)化、智能化、高效化管理，能夠?qū)⒄`差縮小到最低，大大提高辣椒的產(chǎn)量和品質(zhì)，同時也提升了辣椒種植的經(jīng)濟(jì)效益。在此基礎(chǔ)上也形成了以下幾個控制系統(tǒng)：

圖2 辣椒種植流程

1.自動化控制系統(tǒng)。在聯(lián)動溫室辣椒育種期間，通過物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備探頭收集聯(lián)動溫室內(nèi)環(huán)境溫度、濕度、光照等環(huán)境因子參數(shù)，參考事先設(shè)定好的數(shù)值，一旦出現(xiàn)偏差系統(tǒng)就會自動啟動水簾、風(fēng)機(jī)、燈帶等設(shè)備，從而改善聯(lián)動溫室內(nèi)環(huán)境，將其控制在預(yù)先設(shè)定范圍內(nèi)。

2.水肥一體化管理系統(tǒng)。水肥一體化管理系統(tǒng)是將水和用肥有效結(jié)合起來的系統(tǒng)，它實(shí)現(xiàn)了辣椒種植過程中的肥水管理智能化控制，在辣椒種植過程中的幼苗期、始花期、盛花期、果實(shí)膨大期、成熟期等各個環(huán)節(jié)需要不同程度地補(bǔ)充氮肥、磷肥、鉀肥、鈣肥。在此期間，通過土壤監(jiān)測儀、氣象墑情監(jiān)測儀、植物營養(yǎng)監(jiān)測儀等物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備對每個環(huán)節(jié)中的的土壤、環(huán)境、水質(zhì)、植物營養(yǎng)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和記錄，通過比對事先設(shè)定好的各項(xiàng)元素含量參數(shù)，一旦監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)變化，水肥一體化管理系統(tǒng)便會進(jìn)行智能化控制啟動補(bǔ)充。該系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)大水漫灌模式，實(shí)現(xiàn)了水肥管理的定時、定量、省時、省人工，大大提高了作業(yè)效率。使用水肥一體化管理系統(tǒng)可以節(jié)水80%以上，節(jié)肥50%以上，節(jié)省人工成本90%以上，每667 m2在水肥藥成本上節(jié)省500元以上，大大減少了辣椒的種植成本。

3.田間“四情”監(jiān)測系統(tǒng)。在辣椒以往的種植過程中，針對田間“四情”，一般都是采用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行管理，在病蟲害防治、灌溉、用肥用藥等方面都是以經(jīng)驗(yàn)為主，缺乏科學(xué)的管理，從而造成用藥和灌溉等環(huán)節(jié)投入成本較大。而引入多功能氣象站、微型氣象儀、智能蟲情測報(bào)燈、土壤墑情檢測儀等物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備后，通過對土壤含水量的測定、病蟲害的區(qū)分預(yù)警、氣候環(huán)境的監(jiān)測、苗情的長勢監(jiān)控，做到了可以精確測算何時防范病蟲害、何時用藥、何時灌溉等。通過“四情”監(jiān)測系統(tǒng)，使辣椒種植更有成效、更有產(chǎn)量、更有品質(zhì)。

4.高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)。在5G智慧辣椒種植基地內(nèi)，通過對基地采用定點(diǎn)24 h實(shí)時監(jiān)控和無人機(jī)定期全基地?zé)o死角監(jiān)控。通過高清攝像頭對基地內(nèi)實(shí)時圖片進(jìn)行抓拍以及現(xiàn)場視頻直播，利用視頻圖像和防盜周界電子圍欄對非法闖入進(jìn)行預(yù)警。同時，無人機(jī)也可以對基地內(nèi)出現(xiàn)的病蟲害及雜草進(jìn)行識別，做好上述情況實(shí)時監(jiān)測，一旦出現(xiàn)問題，將配合其他系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥定點(diǎn)定量噴灑。同時，該監(jiān)控系統(tǒng)也可以與病蟲害、墑情、作物長勢情況等系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動結(jié)合，采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)上傳大數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行備份和智能化分析，實(shí)時對基地內(nèi)的辣椒種植情況進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警。

5.質(zhì)量溯源管理系統(tǒng)。隨著居民消費(fèi)水平的日益提高，人們越來越關(guān)注食品的質(zhì)量問題，食品質(zhì)量安全已成為政府和消費(fèi)者關(guān)注的熱點(diǎn)問題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)辣椒“從農(nóng)田到消費(fèi)者”的全程可追溯信息化管理系統(tǒng)。這個系統(tǒng)以辣椒產(chǎn)品為主線，二維碼技術(shù)為手段，可以對辣椒種植過程中的施肥、打藥、采收、加工、流通、成品實(shí)行自動識別、記錄和監(jiān)控，實(shí)施全透明的管理，在生產(chǎn)中預(yù)防、發(fā)現(xiàn)和及時改正錯誤，事后也可以對產(chǎn)品進(jìn)行追溯，清晰查詢到產(chǎn)品的真?zhèn)巍⑷ハ?、存儲、工序記錄、生產(chǎn)者、質(zhì)檢者和生產(chǎn)日期等信息，進(jìn)而分析出不良產(chǎn)品產(chǎn)生的原因。該系統(tǒng)建立“一批一碼”，保證讓消費(fèi)者真正購買到放心的辣椒產(chǎn)品，確保食品質(zhì)量安全。

二、5G在辣椒種植生產(chǎn)中的應(yīng)用

（一）5G概述

5G是第五代移動通信技術(shù)，其主要優(yōu)勢就是提高了移動設(shè)備中數(shù)據(jù)的傳輸速率，減少了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用過程的延遲，總體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境速率相當(dāng)于4 G的100倍。另外，它支持多接口連接設(shè)備，有效解決了農(nóng)村偏遠(yuǎn)地方信號差、網(wǎng)絡(luò)慢的情況。隨著5 G時代的到來，我們農(nóng)業(yè)的信息化建設(shè)迎來了進(jìn)一步的發(fā)展機(jī)遇，進(jìn)而衍生出了“智慧農(nóng)業(yè)”，通過移動平臺或電腦平臺對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程各個環(huán)節(jié)進(jìn)行全方位的控制。

（二）5G在辣椒種植中的應(yīng)用

在辣椒傳統(tǒng)的種植過程中，種植管理各個時期都要消耗大量的人力，并且種植效率有限。基地自從引入了5G技術(shù)后，大大提高了種植的實(shí)效性。在5G技術(shù)的幫助下，通過引入各種傳感器，辣椒種植實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測土壤溫濕度、遠(yuǎn)程在線采集土壤墑情、酸堿度、水分、氣象信息等，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田“四情”的實(shí)時自動預(yù)報(bào)、報(bào)警、水肥一體化控制系統(tǒng)自動決策、遠(yuǎn)程自動控制基地各種設(shè)備等功能，并且最終將數(shù)據(jù)反饋給技術(shù)人員，實(shí)現(xiàn)了辣椒種植的精細(xì)化管理，大大提高了辣椒種植的效率。在種植基地，每667 m2平均效益比傳統(tǒng)種植提高了25%，做到了1人管理33.33 hm2辣椒地，有效節(jié)約了人工成本。

三、人工智能在辣椒種植生產(chǎn)中的應(yīng)用

人工智能（AI）是一個以計(jì)算機(jī)學(xué)科為基礎(chǔ)，多種學(xué)科交叉融合的一種用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的新的技術(shù)科學(xué)。AI技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、保險、教育等行業(yè)。目前，AI技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛，關(guān)于人工智能在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用，張治玲詳細(xì)介紹了AI技術(shù)在作物灌溉、病蟲害識別等方面的應(yīng)用情況；劉雙印等詳細(xì)介紹了AI技術(shù)在農(nóng)作物選種、土壤成分分析、農(nóng)田灌溉用水分析、農(nóng)作物采收等方面的應(yīng)用。

（一）人工智能在機(jī)械化升級方面的應(yīng)用

在機(jī)械化升級方面，通過引入人工智能辣椒噴灑植保機(jī)，采用無人駕駛技術(shù)，精準(zhǔn)導(dǎo)航軌跡設(shè)定，在辣椒不同的生長周期可以進(jìn)行除草、殺蟲，噴灑自動控制。與傳統(tǒng)的打藥相比，每小時可以噴灑農(nóng)藥0.86 hm2，比傳統(tǒng)打藥的效率提高10倍，大大降低了人工成本，提高了作業(yè)效率。通過引進(jìn)人工智能無人駕駛辣椒直播機(jī)，推廣直播技術(shù)，有效免除了育苗環(huán)節(jié)，每667 m2在移栽環(huán)節(jié)可以節(jié)省200元以上，大大減少了人力投入，提高了種植效率。機(jī)械化直播每天可達(dá)4 hm2，同時地膜和滴灌帶的鋪設(shè)一次性完成，與原來的人工鋪設(shè)相比，效率提高了80倍以上。

（二）人工智能在病蟲害防治方面的應(yīng)用

在病蟲害防治方面，安裝物聯(lián)網(wǎng)太陽能殺蟲燈、智能蟲情警報(bào)燈、高清攝像頭、植保拍照無人機(jī)等設(shè)備后，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備自動完成蟲情信息的數(shù)據(jù)、圖像、植物體營養(yǎng)等信息的采集，并自動上傳至云服務(wù)器，后臺通過人工智能算法來分析和識別病蟲害，為辣椒提供實(shí)時的病蟲害識別和預(yù)警。人工智能配合其他技術(shù)應(yīng)用到辣椒病蟲害防治上之后，辣椒每季可減少施藥50%以上，病蟲害造成的損失減少70%以上。

四、遙感在辣椒種植生產(chǎn)中的應(yīng)用

（一）遙感概述

隨著中國航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)完成，遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，并且技術(shù)已經(jīng)比較成熟。尤其搭載了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)后，應(yīng)用空間得到了極大的提升，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域掀起了一場跨時代的變革。關(guān)于遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用情況，張民詳細(xì)介紹了遙感技術(shù)在農(nóng)作物長勢以及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)保險中的應(yīng)用情況；劉紅松詳細(xì)介紹了遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)調(diào)查、農(nóng)業(yè)災(zāi)害、病蟲害防治以及農(nóng)作物估產(chǎn)方面的應(yīng)用情況。

（二）遙感在辣椒種植中的應(yīng)用

臨潁縣在辣椒種植過程中，通過在基地周邊配置由多功能氣象站、微型氣象儀、攝像頭、無人機(jī)等設(shè)備組成的監(jiān)控網(wǎng)后，首先，能夠?qū)苯犯鱾€時期的長勢情況進(jìn)行實(shí)時、高效、精準(zhǔn)監(jiān)控；其次，可以對辣椒不同生長時期的生長環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，提前預(yù)防有可能出現(xiàn)的病蟲害；再次，對氣象災(zāi)害也可以做到提前預(yù)警，提前防范；最后，通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)把各個地塊在地圖上進(jìn)行標(biāo)注，通過GIS地圖建立數(shù)字基地、數(shù)字農(nóng)田，實(shí)時監(jiān)測辣椒的種植面積，使相關(guān)技術(shù)人員更能直觀地了解各區(qū)域情況，在此期間工作人員遠(yuǎn)程可以實(shí)時查看各地塊情況，并不需要進(jìn)入大田內(nèi)，有效節(jié)約了巡邏時間。工作人員只需要點(diǎn)擊GIS地圖上的地塊標(biāo)識便可以實(shí)時了解該地塊辣椒的長勢情況。遙感技術(shù)應(yīng)用到辣椒種植之后，與傳統(tǒng)的種植相比，大大節(jié)省了時間、人力和資金投入成本，顯著提高了辣椒種植技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)水平。

五、大數(shù)據(jù)在辣椒種植生產(chǎn)中的應(yīng)用

（一）大數(shù)據(jù)的概述

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)成為一種新興事物，它不僅是新一代的信息技術(shù)，而且是一種新的服務(wù)業(yè)態(tài)。它主要通過信息感知技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、信息應(yīng)用技術(shù)三者有效結(jié)合，以集中匯總的方式進(jìn)行分析和處理海量數(shù)據(jù)，讓人們能更直觀地對事物變化的趨勢進(jìn)行了解。近年，大數(shù)據(jù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，高艷麗詳細(xì)介紹了大數(shù)據(jù)技術(shù)在農(nóng)作物選種、精細(xì)化種植、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源等方面的應(yīng)用情況；藍(lán)機(jī)滿等人詳細(xì)介紹了大數(shù)據(jù)與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集入庫、構(gòu)建數(shù)據(jù)庫、智能控制等方面相互協(xié)助的情況。

（二）大數(shù)據(jù)在辣椒種植中的應(yīng)用

大數(shù)據(jù)在基地與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、5G技術(shù)、人工智能和遙感技術(shù)有機(jī)結(jié)合的背景下，通過對辣椒種植過程中往年記錄的溫度、濕度、光照等環(huán)境參數(shù)以及種植圖片等農(nóng)田信息進(jìn)行挖掘，構(gòu)建相關(guān)數(shù)學(xué)模型，分析影響辣椒種植過程的影響因素。在后期的種植生產(chǎn)中不僅能夠?qū)⒗苯访總€種植環(huán)節(jié)進(jìn)行精細(xì)化管理，而且能夠?qū)苯犯鞣N病蟲害、自然災(zāi)害進(jìn)行有效預(yù)警和防治。

大數(shù)據(jù)最重要的作用是它具有決策能力和專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)系統(tǒng)，在辣椒不同的生長階段，用戶可以選擇專家有針對性地進(jìn)行在線提問、上傳圖片等，提問或上傳圖片后，專家會在第一時間在線上回復(fù)用戶的問題并進(jìn)行用戶指導(dǎo)，并且可以通過網(wǎng)絡(luò)與用戶進(jìn)行面對面交流，有效解決了由于缺乏專業(yè)種植技術(shù)而造成的經(jīng)濟(jì)損失。

六、小結(jié)

綜上所述，通過物聯(lián)網(wǎng)、5 G、人工智能、遙感、大數(shù)據(jù)等技術(shù)在辣椒種植過程中有效結(jié)合，產(chǎn)業(yè)園實(shí)現(xiàn)了對辣椒種植生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測、智能感知、智能調(diào)控和大數(shù)據(jù)分析，形成辣椒種植知識圖譜，使辣椒種植達(dá)到了數(shù)據(jù)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理，不僅促使產(chǎn)業(yè)園增產(chǎn)創(chuàng)收，而且提升了辣椒產(chǎn)業(yè)園的自動化、智能化和信息化水平，同時為辣椒加工、銷售等管理環(huán)節(jié)的的信息化提供參考和推廣作用。