农业物联网、农业大数据和云平台管理技术在设施农业中的应用.pdf

温室园艺 2018-09 温室园艺 2018-09 28 29 农业物联网、农业大数据 和云平台管理技术在设施农业中的应用魏 瑶（北京科百宏业科技有限公司，北京 100081） DOI: 10.16815/j.cnki.11-5436/s.2018.25.004农业物联网技术概述 设施农业以有效调节作物生长环境的功 能见长， 而调控的首要任务是了解作物需求。 通俗地讲， 植物和孩子一样需要喝水、 吃饭， 植物也有呼吸、有体温，在特定的环境条件 下会生病。但植物不会说话，通常人们依靠 经验照料植物，但往往会过量使用水、肥和 780 MHz 物联网专用频段的农业物联网系统 （图 1 ）。该系统是先进的环境数据无线采集 系统、无线网络控制技术、云平台管理系统， 以及丰富的数字模型聚合与集成运用的综合技 术（ 图 2 ）。运用传感装备，对植物生长环境 进行全纬度、高密度和高粒度的大数据在线监 测，然后通过无线传输设备汇总传输至科百数 据云平台，经过大数据模型深度计算给现场作 业人员提供如灌溉、降温、通风、加湿亦或是 喷药等提示，现场作业人员通过电脑或手机登 录专属网页实现大面积的远程手动或者自动控 制。 简而言之， 物联网技术分为采集层、 传输层、 应用层三个层次，整套系统解决了植物要多少 给多少，种植经验数据模型化，大面积可视化 操控的问题。应用 温室设施通过水帘风机、导流风机、外侧 开窗、屋顶开窗、外遮阳系统、内保温系统、 人工补光设备、自动灌溉、高压喷雾等设备实 现对植物生长环境的有效调控，摆脱自然环境 的制约，按照人的意愿实现农业生产。但是对 于目前的普通温室而言，过于依赖人工 进行操作，多以家庭为单位进行分散经 营管理，难以进行规模化运营。严重缺 乏环境监测数据和控制设备，精准化程 度很低，产量小、品质低，综合经济效 益还有巨大的提升空间。 物联网无线监测技术在温室监测方面 的应用 在温室设施农作物种植中，温室设 施内的环境直接影响着农作物能否健康 良好地生长。基于对精准农业的理解， 科百自主研发的传感器精准采集影响植 物生长的水、肥、气、热、光等要素环 境信息，并结合植物生理生长信息的实 时监测 （图 3 ） ， 建立植物生长高粒度、 多维度的数据库。传感器采集的数据通 图 2 农业物联网、农业大数据、云平台管理示意图 超声波风速风向传感器 无线传感器节点协调器 雨量计 太阳能板 测站主机（RTU） CaipoBase 物联网基站 CaipoWave+ 物联网无线节点 农业大数据应用 - 病虫害数字模型 CaipoWeb 物联网云平台 措施 数据分析 模型模拟 决策 作物环境 数据输出 数据输入 数据采集 1 3 4 2 精准预测 温度圈 湿润圈 营养圈 根系圈 糖分产物 C 6 H 12 O 6 光合作用 + 呼吸作用 氧气 二氧化碳 糖分储存 水分蒸腾 水 分/养 分(上 传) 水 分/养 分(下 传) 叶面湿度数据 果实直径数据 茎秆直径数据 二氧化碳 氧气 呼吸作用 ( 无光合作用 ) 氮气 水 肥料 水分及矿物元素通 过根毛进入植物体 根吸收区 土壤温湿度数据 图 1 农业物联网系统 农药。为了听懂“植物的语言”，了解植物 的需要，必须通过精准有效的农业专用传感 器采集影响植物生长的土壤、气象环境和植 物生理数据。然后通过数字模型指导，远程 调控植物的生长环境才能起到温室设施农业 应有的提质增量目的。 2017 年，北京科百宏业科技有限公司历 时 7 年的研发和改进 ，开发出一套基于中国 过节点，以无线形式传输到监测站主机，监测 站主机再通过 GPRS 方式将监测结果发送到数 据中心，用户通过登录互联网可以远程监控。 依靠无线节点 + 低功耗 + 多传感器接入 + 云平 台 + 无线控制节点技术， 能够为用户提供高效、 经济、方便的温室农业环境数据采集途径。 物联网无线控制技术在温室环境调控方面的 应用 相对于连栋温室 ，日光温室每一栋温室 都是独立的，相互之间是分离的，不可能在每 一个温室内像连栋温室那样安装一套控制器。 即使有控制器，把信号线缆延伸到每个温室， 这种解决方案也不可行，因为这需要铺设很长 的线缆，线缆、开沟、布线、土方施工以及日 常维护费用很高，在经济上不可行。科百科技 对原有温室进行升级改造，结合物联网高效方 便的信息传输和处理技术，可以使温室设备控 制水平接近荷兰连栋玻璃温室。物联网温室的 所有传感器和温室设备都通过物联网接入云平 台。通过云平台和手机 APP 对温室设施进行管 理，便利性和简易性远远超过传统日光温室的 主要依赖人力和人的经验的管理和操作 （图 4）。 13 km 1000+ 4500 亩 400+ 温室园艺 2018-09 温室园艺 2018-09 28 29 农业物联网、农业大数据 和云平台管理技术在设施农业中的应用魏 瑶（北京科百宏业科技有限公司，北京 100081） DOI: 10.16815/j.cnki.11-5436/s.2018.25.004农业物联网技术概述 设施农业以有效调节作物生长环境的功 能见长， 而调控的首要任务是了解作物需求。 通俗地讲， 植物和孩子一样需要喝水、 吃饭， 植物也有呼吸、有体温，在特定的环境条件 下会生病。但植物不会说话，通常人们依靠 经验照料植物，但往往会过量使用水、肥和 780 MHz 物联网专用频段的农业物联网系统 （图 1 ）。该系统是先进的环境数据无线采集 系统、无线网络控制技术、云平台管理系统， 以及丰富的数字模型聚合与集成运用的综合技 术（ 图 2 ）。运用传感装备，对植物生长环境 进行全纬度、高密度和高粒度的大数据在线监 测，然后通过无线传输设备汇总传输至科百数 据云平台，经过大数据模型深度计算给现场作 业人员提供如灌溉、降温、通风、加湿亦或是 喷药等提示，现场作业人员通过电脑或手机登 录专属网页实现大面积的远程手动或者自动控 制。 简而言之， 物联网技术分为采集层、 传输层、 应用层三个层次，整套系统解决了植物要多少 给多少，种植经验数据模型化，大面积可视化 操控的问题。应用 温室设施通过水帘风机、导流风机、外侧 开窗、屋顶开窗、外遮阳系统、内保温系统、 人工补光设备、自动灌溉、高压喷雾等设备实 现对植物生长环境的有效调控，摆脱自然环境 的制约，按照人的意愿实现农业生产。但是对 于目前的普通温室而言，过于依赖人工 进行操作，多以家庭为单位进行分散经 营管理，难以进行规模化运营。严重缺 乏环境监测数据和控制设备，精准化程 度很低，产量小、品质低，综合经济效 益还有巨大的提升空间。 物联网无线监测技术在温室监测方面 的应用 在温室设施农作物种植中，温室设 施内的环境直接影响着农作物能否健康 良好地生长。基于对精准农业的理解， 科百自主研发的传感器精准采集影响植 物生长的水、肥、气、热、光等要素环 境信息，并结合植物生理生长信息的实 时监测 （图 3 ） ， 建立植物生长高粒度、 多维度的数据库。传感器采集的数据通 图 2 农业物联网、农业大数据、云平台管理示意图 超声波风速风向传感器 无线传感器节点协调器 雨量计 太阳能板 测站主机（RTU） CaipoBase 物联网基站 CaipoWave+ 物联网无线节点 农业大数据应用 - 病虫害数字模型 CaipoWeb 物联网云平台 措施 数据分析 模型模拟 决策 作物环境 数据输出 数据输入 数据采集 1 3 4 2 精准预测 温度圈 湿润圈 营养圈 根系圈 糖分产物 C 6 H 12 O 6 光合作用 + 呼吸作用 氧气 二氧化碳 糖分储存 水分蒸腾 水 分/养 分(上 传) 水 分/养 分(下 传) 叶面湿度数据 果实直径数据 茎秆直径数据 二氧化碳 氧气 呼吸作用 ( 无光合作用 ) 氮气 水 肥料 水分及矿物元素通 过根毛进入植物体 根吸收区 土壤温湿度数据 图 1 农业物联网系统 农药。为了听懂“植物的语言”，了解植物 的需要，必须通过精准有效的农业专用传感 器采集影响植物生长的土壤、气象环境和植 物生理数据。然后通过数字模型指导，远程 调控植物的生长环境才能起到温室设施农业 应有的提质增量目的。 2017 年，北京科百宏业科技有限公司历 时 7 年的研发和改进 ，开发出一套基于中国 过节点，以无线形式传输到监测站主机，监测 站主机再通过 GPRS 方式将监测结果发送到数 据中心，用户通过登录互联网可以远程监控。 依靠无线节点 + 低功耗 + 多传感器接入 + 云平 台 + 无线控制节点技术， 能够为用户提供高效、 经济、方便的温室农业环境数据采集途径。 物联网无线控制技术在温室环境调控方面的 应用 相对于连栋温室 ，日光温室每一栋温室 都是独立的，相互之间是分离的，不可能在每 一个温室内像连栋温室那样安装一套控制器。 即使有控制器，把信号线缆延伸到每个温室， 这种解决方案也不可行，因为这需要铺设很长 的线缆，线缆、开沟、布线、土方施工以及日 常维护费用很高，在经济上不可行。科百科技 对原有温室进行升级改造，结合物联网高效方 便的信息传输和处理技术，可以使温室设备控 制水平接近荷兰连栋玻璃温室。物联网温室的 所有传感器和温室设备都通过物联网接入云平 台。通过云平台和手机 APP 对温室设施进行管 理，便利性和简易性远远超过传统日光温室的 主要依赖人力和人的经验的管理和操作 （图 4）。 13 km 1000+ 4500 亩 400+ 温室园艺 2018-09 温室园艺 2018-09 30 31 可能染病 空气温度 降雨 苹果黑星病 喷药 喷药 无感染 高 中等 低 无 通过模型预测指导生产实例： 施药 风险等级 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 120 100 80 60 40 20 0 15/05/15 15/06/30 15/06/15 05/06/30 措施 数据分析 精准预测 模型工作原理图 作物生长环境精确预报 物联网信息采集基站 模型模拟 数据采集 决策 作物环境 数据输出 数据输入 非常适合中国的国情并可以很方便地进行推广。 通过数量很少的技术人就可以对大面积的设施 农业进行高效管理。 物联网及大数据技术在温室水肥一体化方面的 应用 节水灌溉和水肥一体化是温室大棚种植中 的关键内容。传统温室大棚的灌溉和施肥管理 主要依据经验人工直接参与，由于作物类别不 同带来的水肥需求差异，土壤质地不同导致的 土壤蓄水能力的差异，过量的水溶肥置换植物 根系水分带来的烧根问题，使大面积灌溉与施 肥劳动强度大、精准度差而且浪费严重。基于 物联网及大数据的科百智能灌溉系统基于ET 0 （图 5 ）模型对温室灌溉做出指导，在通过传感 器精准感知土壤水分，水势的基础上结合不同 作物的需求为科学指导灌溉频率及灌溉总量， 通过土壤电导率传感器监测土壤 EC，避免水溶 肥过量导致的烧根及肥料浪费情况，为温室制 订出一个有关灌溉与施肥的优化方案，应用层 根据优化方案控制相应的灌溉与施肥设备采取 相应的灌溉与施肥操作（图 6 ），确保农作物在 生长过程中能够及时获取所需要的水分与肥力。 可视化的无线控制平台可通过电脑及手机 APP （图 7 ）实现规模化的远程控制，降低了人工劳 图 3 物联网无线监测系统在温室中的应用 空气温度及相对湿度传感器 叶面湿度传感器 土壤温度传感器 土壤水分传感器 温室剖面图 中央平台 数据查询终端 GPRS GPRS 动强度， 实现了对温室内农作物的定时、 适量、 均匀、 精确地灌溉与施肥， 有利于水肥利用率， 同时有效地控制了面源污染。 数字病虫害模型在温室方面的应用 农作物病虫害作为温室农业的主要灾害之 一， 它具有种类多、 影响大、 时常暴发成灾的特点， 其发生范围和严重程度对农业生产常造成重大损 失。 作物病虫害的发生受多种因素影响， 如气象、 土壤、栽培条件等，这些因素与病虫害的发生呈 非线性关系， 具有随机性、 差异性、 突发性等特点。 然而作物病虫害的发生也有一定规律性，如虫害 发生的有效积温法则等。 植物病虫害最佳控制时间可能只有几天甚 至几个小时，这其中包含着复杂的微生物学、 病理学和昆虫学问题。经过积累 23 年的温室 图 4 物联网系统在温室无线控制方面的应用 图 7 在物联网无线控制系统的基础上实现 无线灌溉控制，大幅度节省人工成本 图 5 基于精准监测实现的精准灌溉 图 6 通过精准监测实现最有效的给水管理 水分与作物生长关系图 田间持水量 有效含水量 凋萎点 加热器 电磁阀 水流量计 无线节点 无线节点 路由器 电源适配器 中央控制器 风扇 无线协调器 滴灌设备 灌溉 土壤 降水 土壤 横向渗透 排水 蒸发 蒸腾 蒸腾 + 蒸发 kcb-mid kcb-end CTOK ET 0 RAW TAW kcb 无线节点 水泵 肥料罐 水流量计 中央控制器 路由器 电源适配器 无线协调器 全维度海量数据，建立适应作物的数字病虫害 模型和生长模型（图 8 ）。随着本地化数据不 断积累，逐步修正、完善和优化影响病虫害爆 发的关键因子，最终建成更适合本地化、越来 越精准的病虫害模型和生长模型，为温室生产 提供智能决策。 科百物联网系统在提供病虫害发生时间 点和等级的同时，且为用户提供本地化生长 环境精准预测预报。种植专家、管理人员根 据病虫害模拟结果，经过现场实地勘察及确 图 8 数字病虫害模型应用示意图 温室园艺 2018-09 温室园艺 2018-09 30 31 可能染病 空气温度 降雨 苹果黑星病 喷药 喷药 无感染 高 中等 低 无 通过模型预测指导生产实例： 施药 风险等级 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 120 100 80 60 40 20 0 15/05/15 15/06/30 15/06/15 05/06/30 措施 数据分析 精准预测 模型工作原理图 作物生长环境精确预报 物联网信息采集基站 模型模拟 数据采集 决策 作物环境 数据输出 数据输入 非常适合中国的国情并可以很方便地进行推广。 通过数量很少的技术人就可以对大面积的设施 农业进行高效管理。 物联网及大数据技术在温室水肥一体化方面的 应用 节水灌溉和水肥一体化是温室大棚种植中 的关键内容。传统温室大棚的灌溉和施肥管理 主要依据经验人工直接参与，由于作物类别不 同带来的水肥需求差异，土壤质地不同导致的 土壤蓄水能力的差异，过量的水溶肥置换植物 根系水分带来的烧根问题，使大面积灌溉与施 肥劳动强度大、精准度差而且浪费严重。基于 物联网及大数据的科百智能灌溉系统基于ET 0 （图 5 ）模型对温室灌溉做出指导，在通过传感 器精准感知土壤水分，水势的基础上结合不同 作物的需求为科学指导灌溉频率及灌溉总量， 通过土壤电导率传感器监测土壤 EC，避免水溶 肥过量导致的烧根及肥料浪费情况，为温室制 订出一个有关灌溉与施肥的优化方案，应用层 根据优化方案控制相应的灌溉与施肥设备采取 相应的灌溉与施肥操作（图 6 ），确保农作物在 生长过程中能够及时获取所需要的水分与肥力。 可视化的无线控制平台可通过电脑及手机 APP （图 7 ）实现规模化的远程控制，降低了人工劳 图 3 物联网无线监测系统在温室中的应用 空气温度及相对湿度传感器 叶面湿度传感器 土壤温度传感器 土壤水分传感器 温室剖面图 中央平台 数据查询终端 GPRS GPRS 动强度， 实现了对温室内农作物的定时、 适量、 均匀、 精确地灌溉与施肥， 有利于水肥利用率， 同时有效地控制了面源污染。 数字病虫害模型在温室方面的应用 农作物病虫害作为温室农业的主要灾害之 一， 它具有种类多、 影响大、 时常暴发成灾的特点， 其发生范围和严重程度对农业生产常造成重大损 失。 作物病虫害的发生受多种因素影响， 如气象、 土壤、栽培条件等，这些因素与病虫害的发生呈 非线性关系， 具有随机性、 差异性、 突发性等特点。 然而作物病虫害的发生也有一定规律性，如虫害 发生的有效积温法则等。 植物病虫害最佳控制时间可能只有几天甚 至几个小时，这其中包含着复杂的微生物学、 病理学和昆虫学问题。经过积累 23 年的温室 图 4 物联网系统在温室无线控制方面的应用 图 7 在物联网无线控制系统的基础上实现 无线灌溉控制，大幅度节省人工成本 图 5 基于精准监测实现的精准灌溉 图 6 通过精准监测实现最有效的给水管理 水分与作物生长关系图 田间持水量 有效含水量 凋萎点 加热器 电磁阀 水流量计 无线节点 无线节点 路由器 电源适配器 中央控制器 风扇 无线协调器 滴灌设备 灌溉 土壤 降水 土壤 横向渗透 排水 蒸发 蒸腾 蒸腾 + 蒸发 kcb-mid kcb-end CTOK ET 0 RAW TAW kcb 无线节点 水泵 肥料罐 水流量计 中央控制器 路由器 电源适配器 无线协调器 全维度海量数据，建立适应作物的数字病虫害 模型和生长模型（图 8 ）。随着本地化数据不 断积累，逐步修正、完善和优化影响病虫害爆 发的关键因子，最终建成更适合本地化、越来 越精准的病虫害模型和生长模型，为温室生产 提供智能决策。 科百物联网系统在提供病虫害发生时间 点和等级的同时，且为用户提供本地化生长 环境精准预测预报。种植专家、管理人员根 据病虫害模拟结果，经过现场实地勘察及确 图 8 数字病虫害模型应用示意图 温室园艺 2018-09 温室园艺 2018-09 32 33 收，从而可以以更高的价格进行销售。同时， 通过调整昼夜温差等环境，可以促进水果糖分 的积累，从而生产出远高于自然生长的品质和 风味更加优良的蔬菜水果。通过物联网及大数 据升级的数字化标准化温室将对农业观光、旅 游、采摘、科普、自然体验、休闲、养生等延 伸产业具有全面的和高效的支撑，使一二三产 业得到自然和技术的高度融合。 作者简介：魏瑶（1992-），北京科百宏业科技有限 公司市场经理，山西人，主要从事农业物联网及农业 大数据应用推广。 引用信息魏瑶.农业物联网、农业大数据和云平台管理技术在设施农业中的应用J. 农业工程技术,2018,38(25):28-32. 设施园艺物联网技术与应用进展 *李振波 1,2,3 ，杨晋琪 1 ，盖国卫 4 （1. 中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083；2. 北京市农业物联网工程技术研究中心，北京 100083； 3. 农业农村部农业信息获取技术重点实验室，北京 100083；4. 黄河三角洲农业高新技术产业示范区管委会，山东东营 257000） 【摘要】近年来，由于生产附加值高，设施农业领域中以设施园艺业为代表的农业生产 率先应用了物联网技术。物联网技术带来了精准、高效、便捷的环境控制方法，通过各 种传感设备可以实现对设施环境的实时监测，结合智能管理系统进行系统的环境调控， 使作物尽可能的处在适宜栽培环境中，从而提高产量，实现精准化种植。 物联网 物联网(Internet of things，IoT) 是新一代 信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代 的重要发展阶段。顾名思义，物联网就是物物相 连的互联网，是一个基于互联网、传统电信网和 传感网等信息承载体，让所有普通物理对象能够 通过信息传感设备与互联网连接起来， 进行计算、 处理和知识挖掘，实现智能化识别、控制、管理 和决策的智能化网络 1-2 ，物联网在本质上是通 信网、互联网、传感技术和移动互联网等新一代 信息技术的交叉融合和综合应用。物联网技术的 快速发展和应用，催生了在农业领域的应用，农 业物联网迅速崛起。农业物联网是物联网技术在 农业领域的应用，是通过应用各类传感器设备和 感知技术，采集农业生产、农产品流通以及农作 物本体的相关信息，通过无线传感器网络、移动 通信无线网和互联网进行信息传输，将获取的海 量农业信息进行数据清洗、加工、融合、处理， 最后通过智能化操作终端， 实现农业产前、 产中、 产后的过程监控、科学决策和实时服务 3 。农业 物联网是新一代信息技术在农业领域的高度集成 和综合运用，农业物联网可以实现农业环境的远 程监测和控制，从而实现农业管理的智能化、集 约化、高效化，是实现农业现代化的关键技术之 一。基于农业物联网的智能温室系统，可远程监 测温室环境，并根据作物的环境需求实施精准的 温室控制，科学高效的提高管理温室效率 4 。农 业物联网技术的广泛应用有利于农业生产力的提 高和农业生产经营模式转型升级，是新一代信息 技术渗透进入农业领域的必然结果。国内外农业 物联网技术应用的实践证明，农业物联网被认为 是改变农业、农民、农村的新力量，将会对我国 农业现代化、农村社会的现代化和农业生态系统 的改善，产生重大而深远的影响 5 。 设施园艺 设施园艺 （protected horticulture）又称设 施栽培，是指在露地不适于园艺作物生长的季节 ( 寒冷或炎热 ) 或地区，利用特定的设施 ( 连栋温 室、日光温室、塑料大棚、小拱棚和养殖棚 ) ， 人为创造适于作物生长的环境，以生产优质、高 产、稳产的蔬菜、花卉、水果等园艺产品的一种 环境可控制农业。 设施园艺以整个产业链为基础，为实现使用 价值的全过程，可在广义上定义为：设施园艺是 为农产品商品化各阶段提供最适宜环境和条件 , 以摆脱自然环境和传统生产条件的束缚，从而获 得高产、 优质、 高效农产品的现代农业经营活动， 具有高投入、高产出、高效益的特点 6-7 。 由于设施园艺种植作物附加值往往较高，种 植环境可控， 可以实现物联网的闭环过程， 因此， 设施园艺物联网在许多国家和地区率先开展了实 DOI: 10.16815/j.cnki.11-5436/s.2018.25.005 认，最终采取更有效的分类管理措施（药品种 类、喷药时间、喷药量等）。保障作物从种植 端实现无公害化严格规范、标准生产，为生产 绿色、有机、质量安全的农产品提供科技化、 智慧化管理模式。结束语 农业物联网系统的介入可以使温室在农作 物精准化栽培方面显著减少人力和水肥药等传 统农资的投入，大幅提高温室的经济效益，实 现高度数字化的大规模精准温室栽培和管理。 由于高度可控的生长环境，部分地区多发的病 虫害和气象灾害将得到有效控制，从而降低植 保成本并生产高度安全的有机或绿色高附加值 作物。由于可以对植物生理和生长进行精准调 控，可以比同类作物的上市日期提前或延后采