基于物联网技术的江苏设施蔬菜智能化生产.pdf

智能农业是利用物联网 大数据 云计算等现代信息技 术 实现精准 高效 可持续的 农业生产管理方式 近年来 江 苏省积极采取政策扶持 产学 研合作 成果转化推广等措施 加快运用信息技术和智能装备 改造提升农业 为推进农业高 质量发展提供了重要支撑 蔬 菜产业是江苏省农业农村经济 发展中的支柱产业 在农业增 效 农民增收中发挥着突出作 用 也是物联网技术应用较多 的农业生产领域 全省农业农 村部门 涉农科研院所 IT 企业 等加强设施蔬菜物联网技术装 备研发和推广 应用范围覆盖 产前 产中和产后各环节 有力 提升了智能化 绿色化生产水 平 取得较好成效 1 设施蔬菜智能化生产技 术概述 开展设施蔬菜智能化生产 包括温室 大棚 建设 传感器布 设 水肥一体化灌溉系统建设 智能采摘机器人应用 智能管控 系统建设等几个方面 温室 大棚 建设 温室 大棚 是设施蔬菜种植的基础 在开展温室 大棚 主体工程建 设时 一般遵循从下到上 从高到 低 从外到内 先地下后地上的原 则 温室 大棚 建设施工安装顺 序为温室 大棚 骨架 外遮阳 顶部 四周围护 湿帘 风机 内遮阳 供暖 给水等 同时 温 室 大棚 内还需要部署高速无线 Wi Fi网络作为基础设施 网速 带宽不低于100 Mbps 近年来 省内智能化程度较高的温室 大 侯喜林 博士 二级教授 博士生导 师 享受 国务院特殊津贴 获 全国 模范教师 称号 现为国家大宗蔬菜 产业技术体系岗位科学家和江苏省 蔬菜产业体系首席专家 农业农村 部华东地区园艺作物生物学与种质 创制重点实验室主任 园艺作物种 质创新与利用教育部工程研究中心 主任 南京农业大学蔬菜学国家重 点学科带头人 育成不结球白菜新 品种13 个 民间传颂着 夏有 暑 绿 冬有 寒笑 情人节有 黄玫 瑰 就是对其育成品种的充分肯 定 先后获国家技术发明奖二等奖1 项 省部级二等奖5项 中国学位与 研究生教育学会研究生教育成果奖 一等奖 江苏省学位委员会研究生 教育改革成果奖一等奖各1 项 江 苏省本科教学成果二等奖2项 百 名教授科教兴百村小康工程 科技 贡献特等奖 图1 温室 大棚 实景 基于物联网技术的江苏 设施蔬菜智能化生产 徐茂 吴昊 魏祥帅 DOI 10 3865 j issn 1001 3547 2020 08 008 2020 8 20 2020 8 棚 竞相涌现 如盐城市丰收大 地种业有限公司建设的2 hm 2 玻 璃智能温室 5 hm 2 连栋育苗温 室 年生产种苗量 2 亿株以上 徐州苏蔬农业科技有限公司建 设高标准全装配式钢结构智能 温室 40 座 其中 32 个高温温 室 1个鱼菜共生温室 7 个冷棚 温室 产量增加30 以上 图1 传感器布设 设施蔬菜 生长环境中温湿度 CO 2 浓度等 对作物生长有很大影响 需要准 确监测空气温度 空气相对湿 度 光照 CO 2 浓度 土壤温度 土 壤相对湿度等环境参数 对于一 些高附加值或生长控制精确度 要求较高的品种 还应部署作物 叶片温度 茎秆直径微变化传感 器 果实直径微变化传感器等植 物本体传感器 近年来 江苏现 代农业 蔬菜 产业技术体系智 能生产创新团队从元器件选择 结构设计 工作间隔设置等方 面 对环境传感器 植物本体传 感器的性能和使用寿命进行了 优化 并提出传感器部署优化方 案 实现对种植区域的有效覆 盖 从而达到传感器合理布局 优化效果的目标 以40 m 40 m 连栋大棚为例 部署空气温湿度 传感器1个 光合有效辐射传感 器1个 安装位置与植株高度一 致 土壤湿度传感器2 个 四探 头叶片温度传感器2 个 茎秆直 径微变化传感器2 个 果实直径 微变化传感器2 个 选取具代表 性的同一株作物上安装 数据 收发器1个 pH值和EC值传感 器各 1 个 安装在水肥控制器 上 图2 水肥一体化灌溉 设施 蔬菜产量 质量与水肥科学管理 紧密相关 每一阶段生长都要求 水肥按需供应 建设水肥一体化 系统 可以实现温室内水肥集中 配比施用 减少劳动用工量 节 约水肥成本 同时提高水肥灌溉 的精准度 江苏省设施蔬菜生产 中水肥一体化应用较多 如张家 港永联菜篮农业专业合作社投 资 150 万元建设水肥一体化系 统 投入使用后可节约人工45 以上 经济效益明显 创新团队 也研究设计了水肥一体化灌溉 系统 该系统由中心控制台 人 机交互接口 传感器水肥检测装 置 混肥腔 肥料原液罐 主管路 供水系统及灌溉系统 过滤系统 等部分组成 水肥的具体参数根 据传感器数据在模型中计算得 出 然后具体数据在灌溉控制的 云端软件中进行详细设定 并可 以设置操作周期和间隔 实现智 能化全自动灌溉 水肥一体化灌 溉系统部署示意如图3所示 智能采摘机器人应用 当 前 设施蔬菜生产环节自动化 智能化已经取得较大进展 但采 收环节的自动化 智能化程度还 处于初级阶段 苏州博田自动化 技术有限公司与中国农业大学 苏州大学合作 开发设施农业专 用机器人及农机智能管理 农机 辅助导航等装备 多项产品在国 内领先 该公司创新性研发了国 内第一款 果蔬采摘机器人 该 装备融合人工智能和多传感器 技术 采用基于深度学习的视觉 算法 引导机械手臂完成识别 定位 抓取 切割 放置任务的高 度协同自动化系统 可解决自然 条件下的果蔬选择性收获难题 双目立体视觉精准判别可采摘 果蔬的大小 颜色 形状 成熟度 和采摘位置定位 轻巧型多自由 度机械臂可轻松完成路径规划 采摘和放篮多个任务 柔性采摘 手通过自动适应控制完成果蔬 采摘位置抓取 不伤果 果蔬采 摘机器人配合相应农艺 可完成 全自主采摘作业 替代人工解决 农业采收问题 大大提高生产效 率 降低人力成本 图4 管控系统智能管理 智 能管控系统是一个中心控制台 它面向生产管理者提供了可查 看 可操作的人机交互界面 在 内部实现中则是通过网络获取 温室 大棚 内的传感器采集的 数据并保存到数据库中 同时将 生产者界面的操作指令发送到 温室 大棚 自动化设备控制器 中 实现生产环节自动控制 智 能管控系统建设分为存储层 服 务层和应用层 其中存储层采用 Redis 缓存 RDBMS 数据库结合 HDFS TFS 等文件存储系统对 采集的数据进行保存 服务层开 发基于 SOA 的 Web Services 接 口 能够将常用标准数据以服务 形式发布 供其他各相关信息系 统调用 业务层基于 B S 架构设 计 提供 PC 端 WEB 界面和手 图2 传感器 控制器 无线网关 21 机 APP 具备视频监控 数据查 询 数据多方式呈现 数据统计 分析 温室环境参数设置 控制 指令发布等基本功能 以及利用 数据分析挖掘技术 提供标准的 数据分析挖掘 主要包含生产安 全判定模型 生产标准判定模型 等 江苏超数信息科技有限公司 研发的 基于云计算的农业大棚 安全控制系统 将温室 大棚 智 能管控系统移植到云端 种植户 可通过PC端或APP端访问云服 务器上部署的智能管控系统 实 时查看作物生长环境温度 湿 度 土壤养分及含水量 光照强 度 CO 2 浓度等环境因子 自动判 断作物的生长环境 智能调控相 关设备为作物生长创造适宜环 境 图5 2 江苏省推进设施蔬菜智 能化生产的举措 一是加强政策引导 江苏省 围绕 互联网 现代农业 智慧 农业建设等出台一系列政策意 见 现代农业提质增效工程规划 方案中将 智慧农业建设行动专 项方案 纳入其中 促进信息技 术 智能装备在重点生产领域广 泛应用 江苏省每年在省级现代 农业发展专项中安排资金予以 扶持 每年投入超过2 000万元 南京市级财政每年拿出1 000 万 元智慧农业专项资金 重点对农 业物联网示范点建设 市级物联 网信息系统等给予支持 苏州每 年安排1 000万元专项资金支持 推动农业物联网技术应用等互 联网农业发展 无锡 泰州等地 也采取多种形式对智能农业建 设主体予以补助 二是加强典型引领 强化农 业物联网应用基地建设 累计建 设省级智能农业示范基地 127 个 通过总结典型经验做法 积 极开展面上推广 常熟市打造设 施蔬菜园艺创新示范区 建有 7个文洛式智能玻璃温室 共 3 3 hm 2 形成了 设施草莓移动 架式栽培 瓜果 菜高效无土栽 培 自然光型叶 菜植物工厂 潮 汐式苗床花卉 培育等一系列 高效栽培模式 可有效节约劳 动用工 30 以 上 单位面积产 出率提高10 以上 生产效益提 升10 以上 投入品减少10 以 上 其中 设施草莓移动架式栽培 项目入选农业农村部 2019数字 农业农村新技术新产品新模式优 秀项目 江苏省不少市 县 市 区 也积极开展智能农业示范基 地建设 较好地发挥了带动作用 三是加强指导服务 开展国 家农业物联网区域试验工程建 设 探索利用设施园艺 水产养 殖 畜禽养殖区域性农业物联网 服务平台 为更多经营主体提供 农业物联网技术服务 泰州建成 设施蔬菜农业物联网服务平台 将辖区内物联网示范基地接入 平台 强化基地人员培训 及时 上传信息数据 加强数据分析研 图3 水肥一体化灌溉系统部署示意及实景 图4 苏州博田自动化技术有限公司生产的果蔬采摘机器人 2020 8 22 基金项目 江苏现代农业 蔬菜 产业技 术体系智能生产创新团队 JATS 2019 324 徐茂 江苏省互联网农业发展中心 南 京市建邺区南湖路97号省农机大 院 210017 电话 13913363966 E mail xum 吴昊 魏祥帅 江苏省互联网农业发展 中心 收稿日期 2020 03 21 究 探索建立生产管理模型 指导 基地应用物联网进行生产管理 江苏省还组织市县农业农村部 门 生产应用主体参加博览会 高 峰论坛 交流培训会等活动 拓宽 视野 增强应用能力 各地也将智 能农业作为新型职业农民 新型 农业经营主体培训的重要内容 采取专家授课 实践学习 在线指 导 论坛交流等方式 开展农业物 联网技能知识培训 提高生产实 践应用能力 3 存在问题 虽然江苏设施蔬菜物联网 智能化生产取得一定成效 但与 发达地区水平相比仍存在较大 差距 不能满足深度应用需求 一是数据不规范 标准不统 一 农业物联网设施设备数据采 集缺乏统一标准 不同厂商生产的 设备数据格式不统一 接口不兼 容 易出现数据孤岛现象 导致数 据难以互联互通 成为制约物联网 技术产业化发展的重要因素 二是自主经济适用产品不 多 除温湿度 光照 CO 2 等比较 成熟的物联网传感器外 土壤肥 力 植物营养 作物生长状态等传 感器较为缺乏 农业物联网研发 达到国际先进水平的本土企业屈 指可数 具备自主知识产权的高 精度 高稳定性 高可靠性的技术 产品和设备严重匮乏 三是推广应用服务力度不够 江苏农业物联网全产业链推广应 用的市场发育还不健全 技术支 持及后续服务维护等方面仍有待 加强 市场主体在应用过程中遇 到的问题难以得到及时解决 阻 碍了农业物联网深入推广应用 4 对策建议 增强研发创新能力 充 分发挥科研院所 IT 企业创新源 头作用和各类现代农业园区资 源集聚作用 瞄准产业发展需 求 重点围绕环境调控 植物本 体感知 水肥一体化喷滴灌 植 物生长模型等 熟化一批农业物 联网技术产品 研发一批数据采 集 数据传输 数据处理 智能控 制 信息服务的设备和软件 构 建一批基于物联网 大数据驱动 的农业动植物生长模型 取得一 批具备先进水平的自主知识产 权技术成果 提升示范应用水平 引 导市场主体应用自动化生产设 施 精准化监测控制等农业物联 网技术 强化产前 产中 产后各 环节全程应用 培育一批农业物 联网技术应用基地 打造一批具 有全国先进水平的应用企业 支 持各类现代农业园区 科技示范 园 农产品加工集中区等 集聚 主体 平台 资源等要素 有效构 建产学研合作机制 高水平推广 应用物联网技术和管理服务平 台 在生产智能调控 数据采集 应用 质量全程溯源等关键领域 取得显著进展 加大技能培训力度 在 新型职业农业培训中设置农业 物联网技术应用相关课程 多途 径开展实践应用培训 促进他们 加深学习和交流 面向现代农业 园区 基层农业部门的技术人员 及管理人员等 联合高等院校 科研院所与农业物联网企业 培 养一批高水平应用 管理及服务 人才 建立农业物联网专家库 将相关技术负责人员等纳入其 中 为各地开展农业物联网知识 技能培训提供合适的培训讲师 提升数据共享共用水 平 以实施国家农业物联网区 域试验工程为契机 加快构建江 苏省农业物联网管理服务平台 解决数据采集标准不一 接口不 兼容 售后服务跟不上等问题 促进全省平台共用 数据共享 高效管理 支持科研机构 农业 科技企业依托省级平台 加强数 据研究 开发和利用 探索公益 性与市场化相结合的服务机制 为经营主体提供远程诊断 趋势 分析 预报预警等技术指导 提 升农业物联网社会化服务水平 图5 智能管控系统界面 2020 8 23