高架草莓物聯(lián)網(wǎng)栽培模式應(yīng)用研究

周子君 劉小波 葉志嬋 李淮源，3 羊海軍,3

（1.金華易誠(chéng)農(nóng)業(yè)科技有限公司 浙江磐安322300；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐訓(xùn)練中心 廣東廣州510642；3.植物生物學(xué)基礎(chǔ)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)） 廣東廣州510642）

草莓（Fragaria×ananassaDuch.）是薔薇科多年生草本植物，果實(shí)鮮嫩可口，富含維生素C、糖類、氨基酸、膳食纖維等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以及多種微量元素和功能性活性成分，享有“水果皇后”的美譽(yù)[1-3]。近20 年來(lái)，我國(guó)草莓產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速, 已躍居世界第一生產(chǎn)大國(guó)，在華東、華北、東北等多個(gè)省份實(shí)現(xiàn)規(guī)模化種植，區(qū)域格局逐步優(yōu)化，新品種、新技術(shù)、新模式的推廣應(yīng)用水平日益增強(qiáng)[4-5]。然而，我國(guó)草莓生產(chǎn)過(guò)程中也存在較多問(wèn)題，比如田間管理粗放、病蟲害防治用藥不規(guī)范、設(shè)施化栽培規(guī)模較小、機(jī)械化自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用不足等[5-6]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與裝備制造技術(shù)的快速發(fā)展，各類環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器和自動(dòng)化設(shè)備控制器的集成應(yīng)用成本已顯著降低，結(jié)合連棟大棚和水肥一體化技術(shù)，為農(nóng)業(yè)基層構(gòu)建經(jīng)濟(jì)型草莓農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供了有利條件。

浙江是最早開展草莓規(guī)模化、設(shè)施化栽培的省份之一，培育了一系列著名草莓品牌，為新農(nóng)村建設(shè)提供了重要借鑒。磐安縣位于浙江省中部，自然生態(tài)環(huán)境優(yōu)越，境內(nèi)春季回暖遲，秋季降溫早，年平均氣溫為13.9～17.4℃，年有效積溫4 255～5 534℃，其水熱氣候條件很適合草莓的種植。在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的引導(dǎo)下，2018 年該縣雙峰鄉(xiāng)大皿村首次引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)項(xiàng)目，重點(diǎn)發(fā)展設(shè)施草莓特色產(chǎn)業(yè)，對(duì)紅顏、紅玉、越心、粉玉、白雪等多個(gè)品種進(jìn)行引種試驗(yàn)。初步研究表明，基于物聯(lián)網(wǎng)的栽培管理模式，符合當(dāng)前農(nóng)村發(fā)展新型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的需要，能有效促進(jìn)城鄉(xiāng)互動(dòng)，并為多角色共同參與創(chuàng)建了交流平臺(tái)和溝通機(jī)制。本研究側(cè)重介紹農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的簡(jiǎn)約建設(shè)方案及其在高架草莓栽培中的應(yīng)用效益，以期為今后基層農(nóng)業(yè)發(fā)展提供參考。

1 草莓農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)

面向基層農(nóng)業(yè)服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)，需重視成本控制和性能實(shí)用化。本研究采取簡(jiǎn)約原則進(jìn)行“田間—云端服務(wù)器—個(gè)人用戶” 三位一體的草莓農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)（附圖）。在田間，安裝各類傳感器、電動(dòng)設(shè)施，以及電路控制開關(guān)，經(jīng)由GPRS 無(wú)線網(wǎng)關(guān)，完成田間環(huán)境參數(shù)采集與傳送，實(shí)現(xiàn)農(nóng)耕功能模塊有效運(yùn)行；在云服務(wù)器上，配置信息管理系統(tǒng)，對(duì)田間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、保存和利用，并根據(jù)設(shè)定閾值實(shí)施決策反饋；在用戶終端，使用者利用瀏覽器或APP 調(diào)取系統(tǒng)界面，進(jìn)行信息查閱和遠(yuǎn)程操控，突破時(shí)空束縛，增強(qiáng)即時(shí)效應(yīng)，達(dá)成信息化農(nóng)事管理目的。該構(gòu)建方案，充分利用云服務(wù)，可以大幅縮減田間設(shè)施設(shè)備投入和運(yùn)維成本，使得基層農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門 （企業(yè)或人員） 無(wú)需具備專門計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)技術(shù)知識(shí)即可有效運(yùn)用，有利于推廣普及。

附圖 草莓農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

2 草莓農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的搭建

2.1 云服務(wù)系統(tǒng)的選擇

云服務(wù)器（Elastic Compute Service, ECS）是云計(jì)算服務(wù)的重要組成部分，整合了傳統(tǒng)意義上的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用三大核心要素——計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)，可面向各類互聯(lián)網(wǎng)用戶提供安全高效、穩(wěn)定可靠、具彈性伸縮處理能力的計(jì)算服務(wù)。在使用云服務(wù)系統(tǒng)時(shí)，用戶無(wú)需購(gòu)置相關(guān)硬件設(shè)備，降低維護(hù)壓力，從而能更加集中精力和資源專注于自身的核心業(yè)務(wù)，例如草莓的栽培與管理。目前，國(guó)內(nèi)致力于云計(jì)算機(jī)服務(wù)器的廠商有很多，比較著名的如阿里云、騰訊云、華為云等。在選購(gòu)云服務(wù)時(shí)，農(nóng)業(yè)用戶應(yīng)明確自身需求和價(jià)格預(yù)期，盡可能選擇性能穩(wěn)定、行業(yè)口碑好的品牌服務(wù)。由于云服務(wù)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中屬于網(wǎng)絡(luò)層，與網(wǎng)關(guān)密切關(guān)聯(lián)，而網(wǎng)關(guān)的提供商通常有其應(yīng)用偏好，因此需要加強(qiáng)溝通，深入了解目標(biāo)產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境。

2.2 GPRS 無(wú)線網(wǎng)關(guān)

GPRS 就是通用無(wú)線分組業(yè)務(wù) （General Packet Radio Service），它是一種基于GSM 系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無(wú)線IP 連接，具有實(shí)時(shí)在線、流量計(jì)費(fèi)、快捷登錄、高速傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，便于田間數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，空間限制少，架設(shè)靈活，成本低。所用GPRS 無(wú)線網(wǎng)關(guān)必須能夠穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，且擁有較強(qiáng)的防護(hù)性能，確保從田間數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)皆品?wù)器，再反饋到移動(dòng)終端和電控系統(tǒng)的整個(gè)過(guò)程運(yùn)行順暢。通常，一個(gè)網(wǎng)關(guān)最多可以并聯(lián)16 個(gè)傳感器。大棚內(nèi)網(wǎng)關(guān)的裝配數(shù)量與監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)目和傳感器編組情況密切相關(guān)。網(wǎng)關(guān)內(nèi)設(shè)定了靜態(tài)IP 地址，對(duì)接指定的云服務(wù)器，其地址的變更將影響數(shù)據(jù)的定向傳輸及物聯(lián)網(wǎng)的正常運(yùn)行。

2.3 傳感器

農(nóng)用傳感器通常安裝在溫室大棚內(nèi)，所處環(huán)境空氣濕度相對(duì)較大，同時(shí)容易受到水肥、農(nóng)藥，甚至生物代謝產(chǎn)物的侵?jǐn)_，宜選購(gòu)抗老化、耐腐蝕、防護(hù)等級(jí)IP65 以上的產(chǎn)品。草莓喜歡溫涼氣候，地上部分和地下部分對(duì)溫度的適應(yīng)性存在差異，不同生長(zhǎng)階段對(duì)水肥、溫度、光照等外部條件也有不同需求。在大棚里，空氣流通受阻，棚溫受日照作用容易快速上升，形成熱脅迫逆境，嚴(yán)重影響草莓的緩苗、生長(zhǎng)、花芽分化、授粉受精等生理代謝活動(dòng)。需要注意的是，光照受天氣、區(qū)位地形及周邊植被等影響明顯，光照補(bǔ)足易導(dǎo)致草莓光合減弱和體內(nèi)生長(zhǎng)素代謝失調(diào)，影響開花坐果。因此，為了給草莓營(yíng)造良好的生長(zhǎng)環(huán)境，在水肥一體化的栽培模式下，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，本研究認(rèn)為空氣溫濕度傳感器、栽培基質(zhì)溫濕度傳感器、光輻射傳感器這3 種傳感器應(yīng)優(yōu)先配置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)環(huán)境參數(shù)，并傳送給信息系統(tǒng)，觸發(fā)決策響應(yīng)，便于自動(dòng)或遠(yuǎn)程操控相應(yīng)功能模塊運(yùn)行。在采用優(yōu)質(zhì)水溶肥和標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)的情況下，椰糠無(wú)土栽培基質(zhì)的pH 和EC 值呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)性規(guī)律變化，因此酸堿度傳感器、電導(dǎo)率傳感器等可在條件充裕的情況下選擇使用，充實(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，為施肥次數(shù)、施肥時(shí)間調(diào)整提供可視化依據(jù)。在南方地區(qū)，低溫脅迫壓力相對(duì)較小，覆膜保溫時(shí)段相對(duì)較短，結(jié)合日間高溫時(shí)段的通風(fēng)透氣，棚內(nèi)二氧化碳濃度通常維持在一個(gè)較高水平，能較好滿足草莓的光合固碳需要，因而二氧化碳傳感器可作為最后備選。

2.4 電動(dòng)設(shè)施與遠(yuǎn)程控制

提高草莓溫室大棚栽培管理的自動(dòng)化和智能化水平，需要裝配多種電動(dòng)設(shè)施，如滴灌系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等。各功能模塊的有序協(xié)調(diào)運(yùn)行，是確保草莓健康生長(zhǎng)和豐產(chǎn)豐收的農(nóng)藝基礎(chǔ)。在物聯(lián)網(wǎng)的框架里，這些常規(guī)的電動(dòng)設(shè)施可經(jīng)由連接GPRS 無(wú)線網(wǎng)關(guān)的電磁閥數(shù)控開關(guān)實(shí)現(xiàn)編組物聯(lián)，進(jìn)而允許農(nóng)技人員實(shí)施遠(yuǎn)程操控，或在設(shè)定策略程序下執(zhí)行自動(dòng)作業(yè)。這將大大降低人工消耗，提高栽培管理的時(shí)效和成效，使有限的人力更多地分配到草莓的疏葉、疏花、疏果及病蟲害防控等核心工作中。

2.5 信息管理系統(tǒng)

作為物聯(lián)網(wǎng)的大腦，信息管理系統(tǒng)擔(dān)負(fù)信息處理和決策實(shí)施的職能。目前，物聯(lián)網(wǎng)硬件供應(yīng)商通常提供配套的通用型基本款信息管理系統(tǒng)，為用戶提供信息瀏覽、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)下載等常規(guī)服務(wù)，同時(shí)也開放網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互接口API，允許用戶進(jìn)行二次開發(fā)，適合規(guī)模型農(nóng)業(yè)企業(yè)的個(gè)性化應(yīng)用。因此，用戶可根據(jù)自身定位和投入承受能力，選擇對(duì)應(yīng)的信息管理系統(tǒng)應(yīng)用模式。

3 草莓物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用效益分析

本項(xiàng)研究中，5 個(gè)草莓品種均采用單層H 型高架種植，架高90 cm，植株間距20 cm。栽培基質(zhì)為國(guó)產(chǎn)椰糠，營(yíng)養(yǎng)液采用瑞士產(chǎn)安諾瑞草莓專用水溶肥，pH保持在6.5～7.2。草莓定植當(dāng)天澆定根水，之后每天用清水滴灌2 次，每次15 min，促進(jìn)新根形成。緩苗以后，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期用生長(zhǎng)肥（N20、P10、K20），開花期用鈣鎂肥（N15、P5、K15），結(jié)果期交替施用鈣鎂肥和高鉀肥（N15、P10、K30）。肥料配置濃度前期為1 000 倍，后期為800 倍。在此過(guò)程中，做好環(huán)境衛(wèi)生和病蟲害防控。結(jié)果表明，5 個(gè)供試草莓品種總體上都能適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)高架栽培模式，品種間存在差異（附表）。越心和紅顏的種苗通常較粗壯，根系相對(duì)發(fā)達(dá)，緩苗時(shí)間短，成活率高，可作為磐安地區(qū)的主栽品種；白雪、粉玉等新品種因其特色新奇突出，在優(yōu)化種苗和改善栽培管理的基礎(chǔ)上，也可適量推廣。基于物聯(lián)網(wǎng)高架栽培模式，草莓的耕作趨向便捷和遠(yuǎn)程化，勞動(dòng)力投入大幅下調(diào)，用肥施藥更加精準(zhǔn)，使草莓的產(chǎn)量和品質(zhì)都得到有效提高。

附表 不同品種栽培特性比較

4 小結(jié)

農(nóng)業(yè)企業(yè)是基層農(nóng)業(yè)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)集成應(yīng)用的主體，使其在草莓設(shè)施栽培中的應(yīng)用將越來(lái)越普及。性價(jià)比高的實(shí)用性傳感設(shè)備、基于智能手機(jī)終端的簡(jiǎn)明圖形化界面、良好的售后服務(wù)體系等是基層農(nóng)業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。在物聯(lián)網(wǎng)的框架內(nèi)，多角色遠(yuǎn)程協(xié)作機(jī)制能較好地克服時(shí)空制約，顯示出更強(qiáng)的時(shí)效性、適用性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)發(fā)展鄉(xiāng)村農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有促進(jìn)作用。