農業物聯網設備在日光溫室中的應用及推廣模式

徐增祥　金濤　田洪暄

摘 要：依據農業物聯網技術可實現農業各要素的“全面感知、可靠傳輸以及智能處理”這一特征，面對日光溫室發展的難題與瓶頸，介紹了日光溫室應用農業物聯網技術設備的必要性，對日光溫室應用農業物聯網技術設備的市場需求進行了詳盡的分析，以及對相應農業物聯網設備研發的技術方向進行了科學的定位，并提出了合理的應用推廣途徑與模式，分析了投入產出及效益，以期為農業物聯網技術設備在北方日光溫室中開發應用與推廣提供參考。

關鍵詞：日光溫室；農業物聯網設備；開發應用

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2018.11.011

Development and Application of Agricultural IoT Equipment in Solar Greenhouse

XU Zengxiang， JIN Tao， TIAN Hongxuan

（Tianjin Dayou Xingyun Agricultural Technology Company Limited，Tianjin 301700， China）

Abstract： IoT technology can achieve comprehensive sensing， reliable transmission and intelligent processing of various agricultural elements. Based on this characteristic， the thesis paper gave a discussion about the development and application of agricultural IoT equipment in green house in order to solve certain development difficulty of famers'solar greenhouse. Concerning the application of agricultural IoT technology in the farmers'solar greenhouse， the paper briefly introduced its necessity and detailedly analyzed its market demand. In the paper， the scientific orientation of the corresponding agricultural IoT equipment research and development was scientifically located， and reasonable application promotion methods and modes was proposed. The input and output and benefits also was carefully predicted.In a word， the paper was supposed to provide reference for the development， application and promotion of IoT technology equipment in the northern solar greenhouse.

Key words： solar greenhouse； agricultural IoT equipment； development and application

1 日光溫室應用農業物聯網設備的必要性

1.1 我國日光溫室的發展現狀

設施農業從種類上劃分，主要包括設施種植和設施養殖兩大部分。設施種植按設施類別劃分，主要分為連棟溫室、日光溫室（多為農戶使用）、塑料大棚（冷棚）、小拱棚（遮陽棚）4類。據新華網報道：目前，我國設施園藝面積386萬hm2，其中日光溫室已推廣約86.67萬hm2（80%在北方，95%為蔬菜），占溫室和大棚等大型設施園藝面積的52%；而現代化大型連棟溫室僅約0.2萬hm2，不足大型設施園藝面積的1%。因此，日光溫室的研究對于我國設施農業的發展至關重要。

日光溫室是我國獨有的設施，具有鮮明的中國特色。日光溫室充分利用太陽能，在北緯33度至43度寒冷地區，可實現新鮮果蔬越冬生產，其主要結構見圖1。目前，日光溫室的經濟效益顯著，據報道，新疆生產建設兵團農九師一六六團每個日光溫室的種植面積均為0.043 hm2，年產辣子、黃瓜、彩椒等蔬菜近1 t，利潤可以達到上萬元。日光溫室為解決長期困擾我國北方地區的冬季蔬菜淡季供應、增加農民收入、節約能源、提高城鄉居民的生活水平、穩定社會等均做出了歷史性貢獻。

今后，日光溫室的發展將具有以下特點：一是隨著設施裝備不斷進步與發展，必將加快日光溫室的更新、升級和換代，自動控制以及小型便捷的農機化作業將成為主流；二是隨著物聯網、大數據、人工智能等現代信息技術與傳統農業的深度融合，日光溫室智能化管理將是設施農業發展的主要動力。

1.2 日光溫室發展的難題與瓶頸

我國日光溫室雖然有了長足發展，但也存在著難題與瓶頸。主要是農戶日光溫室裝備發展滯后，現有設備比較簡易，環境控制能力差，機械化、自動化程度低，僅有汽柴油動力型微耕機和卷簾機等適應性較差的傳統設備，缺乏適用先進的操控設備；大部分作業依靠人工進行，日光溫室每年僅鋪卷棚膜、卷放棉簾、灌溉通風、間苗收運等項人工費就需60 000余元·hm-2，勞動強度大，生產效率低，難以實現標準化、規范化生產。因此，日光溫室裝備水平較低、影響發展的瓶頸亟待解決。

1.3 日光溫室開發應用農業物聯網技術設備的必要性

（1）破解日光溫室發展的瓶頸，實現對日光溫室農業各要素的“全面感知、可靠傳輸以及智能處理”，提高資源利用率和勞動生產率，為日光溫室優質安全果蔬生產，提供相對可控及最適宜的溫度、濕度、光照、水肥等環境條件，進而達到高產、高效、優質、生態、安全的目標[1]。

（2）農業物聯網技術應用成本較高，在低利潤、低效益的露地傳統農業中尚難推廣，但在效益較高且環境封閉的日光溫室中開發應用，則會有相應的市場。

2 日光溫室應用農業物聯網設備的需求分析

2.1 日光溫室現有設備現狀分析

日光溫室現有設備主要是：（1）微耕機。6.5馬力微耕機3 200元·臺-1（含旋耕機），配套機具后置，較笨重，作業質量差，并難達溫室邊角；且以汽油機和柴油機為動力，尾氣排放對人體、蔬菜有害，研究已顯示，汽車尾氣污染區鮮蔬菜中鉛的質量分數平均值為0.114 mg·kg-1，比對照區高0.033 mg·kg-1，食用易損害人體健康[2]；（2）卷簾機。由電動機與減速器組成，動力多為1～1.5 kW，1 700元·臺-1，需人工開合電閘操控，卷放各需10余min，冬季露天現場操控較辛苦，勞動強度大，工效低；（3）灌溉設備。普通管灌閥門或滴灌閥門，550元·套-1，人工操作；（4）二氧化碳發生器。多為較便捷的電加熱型，900元·臺-1，果菜類日光溫室應用較多；（5）補光燈。多以對光合作用貢獻最大的紅藍光進行組合，現用LED燈較多，照射面積25 m2、60 W的燈75元·個-1，果菜、葉菜于寡照期應用較多。

2.2 日光溫室需用農業物聯網設備的技術要求

目前，農戶日光溫室急需應用節能、環保、高效的農業物聯網技術設備，其技術要求為：（1）日光溫室外部的卷簾機，率先實現智能監控、多棟監控和無線遠程遙控；（2）日光溫室灌溉設備，實現智能多棟監控和無線遠程遙控；（3）溫室內必需的智能化耕、種、運設備——主機以對人、菜無害的清潔能源為動力，以工作阻力最大的旋耕作業為準來確定功率；配套機具要通過快速更換不同作業部件而達到一體化，通過智能導航來便捷地完成直線行走的旋耕起壟、蔬菜播種、縱向運輸三項作業；（4）對日光溫室內主環境的溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度，實現無線智能監測[3]，并與通風天窗、保溫簾、補光燈、二氧化碳發生器聯動，進行物聯網型無線智能監控[4]；（5）要配套農民會用、簡捷方便、兼具聯網通訊與智能自控功能的農業物聯網設備專用智能手機，全程掌控上述農業物聯網技術設備。

2.3 日光溫室需用農業物聯網設備的價格取向

上述農業物聯網技術設備，根據農戶日光溫室的經營效益、農民的經濟接受能力、現有同類產品的價位，確定合理可行的價格取向。卷簾機智能監控系統價位，參照現有同類產品價位（628元·套-1），不能超過卷簾機價位（1 700元·臺-1）的35%，即595元·套-1。溫室智能灌溉系統，參照現有同類產品價位，即805元·套-1。便捷高效地完成直線行走的智能化耕、種、運一體化設備價位，要參照現有同類產品價位：主機不能超過微耕機價位，3 200元·臺-1；配套蔬菜播種部件不能超過微耕機播種部件價位，350元·套-1；配套起壟打埂部件不能超過微耕機起壟器價位，400元·套-1；縱向運輸部件不能超過微耕機帶運輸拖斗價位，780元·臺-1；各項設備合計，共4 730元·套-1。日光溫室內主環境智能監測傳感器價位，要參照現有同類傳感器的價位來確定：無線溫濕度傳感器為370元·臺-1，無線光照強度傳感器為320元·臺-1，無線二氧化碳濃度傳感器為240元·臺-1，各項合計930元·套-1。上述兼具聯網通訊與智能自控功能的農業物聯網設備專用智能手機，要參照現有同類智能手機的價位來確定，為500元·臺-1。上述農業物聯網技術設備，每套總價為7 560元。

2.4 日光溫室需用農業物聯網設備數量及市場份額預測

目前，我國農戶日光溫室已推廣86.67萬hm2，其中北方達69.33萬hm2（天津達2.67萬hm2）。經過試驗、示范、推廣，可首先使北方10%的農戶日光溫室應用上述農業物聯網技術設備[5]，則可推廣104萬套，銷售額可達78.6億元，利潤總額（利潤率按20%計）可達15.7億元。

國內大型連棟溫室的同類智能監控設備價格高達4萬元·套-1左右，日光溫室農戶根本用不起，故其難以占有農戶日光溫室設備的市場份額。現擬開發應用的農業物聯網技術設備，僅7 560元·套-1，日光溫室農戶用得起、用得了、用得好，大約能占有農戶日光溫室同類設備40%的市場份額。

3 相應農業物聯網設備研發的技術定位

3.1 相應農業物聯網設備研發技術定位的原則

相應農業物聯網設備研發的技術定位，堅持以下原則：應用獨有的智能模塊技術，使他人不可仿制，以延長應用推廣期[6]；應用移動物聯網技術，相關設備實現“無線化”和“移動化”，方便操作[7]；將智能機電設備與智能監控設備，看成農業物聯網技術設備的一個整體來設計[8]；應用清潔無害的能源和材料，應用成熟的耕、種、運農機部件，堅持農民便捷操作的人性化設計；精選材料、設備和工藝，主件自主研發，配件精選，極力降低成本，使設備價格易于農戶接受。

3.2 卷簾機無線監控系統

自主研發“卷簾機無線監控系統”，基于無線組網遙控，便捷高效，節能環保[9]。

3.3 無線電動導航微型耕、種、運一體機

自主研發“無線電動導航微型耕、種、運一體機”，主機參照耕寬960 mm、功率2.02 kW、方便作業的“前置式歐美型四驅微耕機”關鍵技術參數（表1），自主研發或選用適宜的2 kW直流無刷電摩低速電機1臺、48 V 20 AH鋰電池2組，實現清潔能源動力和無線操控，并加配無極變速、轉向裝置與機架；自主研發微型攝像導航器，使設備自行調整轉向而直線行走（人可離機輔控）；應用成熟的旋耕機部件、起壟器部件、播種器部件、微型拖斗部件，以通用傳動軸來快速更換不同作業部件。

3.4 日光溫室內主環境無線監測系統

自主研發“農戶日光溫室內主環境無線監測系統”的相關設備，分別定位為：

（1）無線溫濕度傳感器。溫室內蔬菜生長，對于空氣相對濕度，白天要求維持在50%～60%，夜間在80%～90%，據此設計傳感器空氣相對濕度的監測量度和精度。溫室內各種蔬菜生長對于溫度有不同的要求：辣椒，喜高溫，發芽的溫度是30～45 ℃，生長適宜溫度為白天26～30 ℃、夜間18～22 ℃；芹菜，喜冷涼，所要求的生長溫度白天為20～22 ℃，夜間為15～18 ℃；據此設計傳感器溫度的監測量度和精度；

（2）無線光照強度傳感器。溫室內蔬菜生長，光合作用主要利用400～500 nm的藍紫光、600～700 nm的紅橙光以及少量700～800 nm的遠紅外光。番茄、黃瓜、辣椒的光補償點分別為3 000，2 000，1 500 Lx，光飽和點分別為70 000，55 000，30 000 Lx。據此設計傳感器光照強度的監測量度和精度；

（3）無線二氧化碳濃度傳感器。溫室內蔬菜光合作用的主要原料是二氧化碳，溫室蔬菜在光照充足、溫度適宜的條件下，常因二氧化碳不足影響產量。溫室蔬菜生長期所需二氧化碳飽和濃度一般為1 964 mg·m-3。據此設計傳感器二氧化碳濃度的監測量度和精度。

3.5 配套兼具聯網通訊與智能自控功能的農業物聯網設備專用智能手機

配套兼具聯網通訊與智能自控功能的農業物聯網設備專用智能手機，定位是：能無線智能遙控上述農業物聯網技術設備，兼具聯網和手機通訊功能，農民便于操作與攜帶[10-12]。

4 應用推廣途徑與模式

4.1 組建020型（線下體驗、線上營銷）應用推廣專營公司

運用產、研、推相結合的模式，以技術、資金、產品入股，共同組建020型（線下體驗、線上營銷）應用推廣專營公司，專門在我國北方農戶日光溫室中示范、應用、推廣農業物聯網技術設備。

4.2 開辟日光溫室應用推廣主戰場

應用與推廣，必須盯緊北方69.33萬hm2農戶日光溫室，視其為重中之重，堅持由近及遠、由小到大、由多到少，深入北方（由京津輻射）農戶日光溫室，進行演示、示范、培訓、服務，全方位應用推廣。

4.3 開辟“智慧農業”類項目輔戰場

應用與推廣，還應在農業科技示范園、現代農莊中尋求“智慧農業”類項目，諸如天津市武清區豆張莊鎮與威豪集團合作、總投資5億元、占地146.67 hm2的智慧農業生態園項目等，都應進行開辟與推廣。

5 投入產出及效益分析

5.1 投入原則及額度

投入的原則是：堅持自主研發為重點、應用推廣為鋪墊的投入方向，堅持資金、技術、產品、渠道等多重投入機制，堅持先立足京、津、冀再拓展整個北方的投入范圍，以保證投入資金充分發揮效益。

投入額度：依據項目投入額度占項目利潤總額5%的慣例，則項目投入資金、技術、產品、渠道的總額度為7 850萬元。

5.2 產能與效益分析

按市場需求銷售量的5%進行必要的儲備，上述用于農戶日光溫室的農業物聯網技術設備產能應達到109萬套。上述用于農戶日光溫室的農業物聯網技術設備年銷售量可達104萬套，銷售額可達78.6億元，按20%的利潤率計則利潤總額可達15.7億元，經濟效益顯著。

綜上所述，自主研發農業物聯網技術設備，應用于農戶日光溫室，并在北方日光溫室中大力推廣，符合國家農業現代化產業政策，且能助力智慧農業的發展，前景十分廣闊。

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