日光溫室環境控制系統應用推廣

金 娟

（北京市數字農業農村促進中心，北京 100101）

0 引言

“十三五”期間，北京市先后印發了《關于推進“互聯網+農業”的實施意見》《北京市鄉村振興戰略規劃（2018?2022）》和《關于全面推進鄉村振興加快農業農村現代化的實施方案》等文件，將數字農業列為全市農業領域重點工作，提出農業生產智能化水平要大幅提升，核心技術、智能裝備研發與集成應用取得重大突破，適宜農業、方便農民的輕簡化、“傻瓜”式信息技術得到大面積推廣應用，中試和熟化一批農業物聯網關鍵技術、智能裝備和解決方案，推廣一批節本增效農業物聯網應用模式，提高農業產出率、勞動生產率、資源利用率[1-2]。

結合實際，北京市積極整合涉農資源，利用移動互聯網、農業物聯網及云計算技術，實現日光溫室中各類硬件、設備的智能化控制，提升控制端的精準性、易用性；同時開發智能操控軟件，并優化調控策略，讓農民會使用、放心用。

1 日光溫室環境控制系統

如圖1 所示，溫室環境智能集成控制技術體系由物聯網環境感知系統、溫室智能控制終端、信號傳輸網絡、溫室智能硬件裝備、遠程控制平臺5 部分組成。物聯網環境感知系統實時采集溫室環境數據，是整個系統的感知層；溫室智能控制終端是系統的大腦，負責接收物聯網環境感知系統實時傳送的環境信息，并根據技術人員的指令或者預設的策略，向溫室中各個硬件裝備發送控制指令，同時監測其工作狀態和完成程度；遠程控制平臺分為電腦端和手機端，技術人員可以應用該平臺實時查看并控制各個裝備，并可以預設控制策略讓整個系統自主運行[3-4]。

圖1 溫室環境智能集成控制系統結構Fig. 1 Structure of greenhouse environment intelligent integrated control system

1.1 農業通用智能硬件接入與控制平臺

針對目前農業智能硬件控制軟件專用性強、可開發性低、升級成本高等問題，開發了農業硬件專用服務系統?農業通用智能硬件接入與控制平臺。該平臺通過多種協議智能解析，形成通用接口，實現多廠家、多功能、多類型的農業智能硬件設備接入，形成企業內部的智能控制網絡。根據不同智能控制設備開發相應的控制策略，直接使用微信就可以實現不同設備的遠程智能控制。操作簡便，農民容易接受、愿意使用。通用、簡單的傳輸接口，幫助實現該平臺采集的智能硬件設備數據以及控制功能，并可以與農場云等業務平臺無縫對接，農業通用智能硬件接入與控制平臺顯示界面如圖2 所示。

圖2 農業通用智能硬件接入與控制平臺Fig. 2 Agricultural general intelligent hardware access and control platform

1.2 環境感知設備

環境感知設備像整個體系的“感官”系統，是實現溫室環境智能控制的數據基礎和來源，包括新型太陽能可移動溫室環境傳感器、農業生產圖像自動采集設備、手持式多功能農業智能檢測分析設備、農業氣象監測站。為了適應椰糠基質栽培模式，基質槽內部署了基質含水量傳感器、基質溫濕度計等設備[5-7]。

1.3 智能控制終端

溫室智能控制終端是整個體系的大腦和神經中樞，負責接收物聯網環境感知系統的各類環境信息，同時對溫室內各個硬件裝備進行電路管理、控制命令發送、工作狀態監測，并可以無線連接云端WEB、手機APP、遙控器，遠程控制溫室內所有設備。一個設備便可將所有溫室執行設備有機聯結到一起，為農作物創造一個最適宜的生長環境，達到優質、高產、高效的效果。

智能控制終端采用一體化設計，可以實現多路控制、語音控制、自動升級。同時，終端自帶20.32 cm（8 寸）液晶顯示屏，機身采用ABS 工程塑料，機身全封閉，機內不裸露線纜，避免人體觸碰，更安全。短路保護、過流保護；觸屏操控，簡捷高效，故障反饋，可追溯操作。配套陀螺儀與急停設備，避免保溫被上下卷有危險；語音喚醒后屏幕點亮，人臉識別后才可操控配電柜，預防無關人士隨意操控溫室設備。

1.4 日光溫室的智能硬件

部署于日光溫室的智能硬件是整個環境智能控制系統的“四肢”，負責最終實現智能控制，溫室內外設備分別如圖3 和圖4 所示。智能硬件包括卷膜和卷被智控模塊、水肥一體化模塊、溫室增溫降溫模塊、空氣循環系統、濕簾風機控制模塊、空間電場除霧控制模塊等[8]。

圖3 日光溫室內設備部署Fig. 3 Deployment of equipment inside solar greenhouse

圖4 日光溫室外設備部署Fig. 4 Deployment of equipment outside solar greenhouse

2 存在的問題

目前，溫室智能控制技術體系在設施種植推廣應用中仍然存在不少問題，總結來看有以下3 個方面。

2.1 投入產出不匹配

溫室智能控制技術體系推廣最大的障礙在于投入產出比低，經濟性不強。相較于溫室單產收益，智能控制裝備價格高昂；同時，智能設備的實際價值未充分體現。當前，農業物聯網應用還處于溫室環境感知層面，只有卷膜卷簾、灌溉等少數環節的應用相對成熟，物聯網技術應用率還較低，導致對溫室環境控制和設備操作無法實現遠程自動控制，耗費人工較大，生產標準化程度低[9-10]。

2.2 管理模式不匹配

經營主體的管理模式導致其對于農業物聯網的接受程度不同，因而溫室智能控制的推廣難易程度并不同。經營主體有多種類型，大致分為農戶、家庭農場、農民合作社、企業管理（大/中型）。經營者和家庭農場直接經營屬于個體經營模式，其生產銷售一體化，對于溫室智能控制接受程度低，適合功能簡單、可產生直接經濟效應的產品，如卷膜卷簾等。在企業管理的模式下，其生產、經營流程相對完善，具有一定的規模，適合推廣功能完備的溫室智能控制終端，如水肥一體化設備等。因此，溫室控制技術體系推廣需要與農場管理模式相匹配，不同的經營管理模式，應構建不同的服務模式[11]。

2.3 技術標準不匹配

目前，國內缺乏完整的農業物聯網技術標準體系，自動卷簾、施肥灌溉等常用的物聯網設備來自不同廠家和品牌，接口和數據傳輸協議存在明顯差異，使得數據分享和服務協同變得異常困難，這種異構性使得物聯網難于實現廣泛的集成應用，可靠性也難以保證。同時，上層應用系統的開發也沒有統一模式接口，無法實現互聯共享。

3 日光溫室環境控制系統創新點

3.1 技術創新

應用物聯網、云計算、傳感、人工智能等多種信息技術，通過技術創新和集成創新，示范了新型智能控制設備，并改造了傳統溫室硬件設備，實現了不同型號不同廠家的各類硬件裝備串聯成線、統一控制和應用，進而實現了溫室環境數據采集、分析、控制一體化應用，日光溫室環境控制系統的技術體系及軟件功能模塊的運轉充分體現了信息技術與農藝技術有效融合的特點，促進了農業與信息化的同步發展[12]。

3.2 模式創新

日光溫室環境控制系統充分考慮了農機、農藝、與信息化融合應用原則，為今后高標準的智能日光溫室建設提供了參考標準和建設模型，在技術方案和設備示范上，堅持問題導向，針對農業物聯網應用的問題和不足，瞄準農民真正需求，著力攻堅關鍵環節技術難關，形成了可復制、可推廣的建設模式。

3.3 機制創新

通過與農業技術推廣、農業信息化部門間的深度合作，建立了各有分工、資源共享、優勢互補、科技聯合、共同推進項目的管理機制，為項目實施中設備研發、技術方案設計、效果驗證、系統試運行與功能完善等關鍵環節打下了堅實基礎，強調信息化的支撐和服務作用，改變了以往信息化單打獨斗、閉門造車的項目實施機制[13]。

4 建議

結合近年來推廣實踐和經驗，對北京市農業物聯網推廣提出以下建議。

（1）結合北京市農業產業特點，加強農業物聯網關鍵核心技術和共性技術的研究，進一步提升農業物聯網設備的適用性、可靠性和智能化，同時降低成本。充分發揮北京市科研力量，逐步形成政府引導、科研單位支持、企業主體及生產主體參與的科技支撐體系，促進科研要素向企業集聚，培育一批數字農業領域創新型企業。

（2）目前，農業物聯網技術在農業生產環境監測領域已經較為成熟，但是灌溉、通風、降溫等智能裝備應用率較低，尚未形成“感知?決策?控制”的應用“閉環”，限制了農業物聯網應用效益[14]。控制模型和底層控制精度是實現閉環的關鍵性因素，這依賴于精準的農業感知、智能化的數據模型學習技術。

（3）以需求為導向，分層分級制定農業物聯網應用技術方案，以滿足不同規模、不同經營模式的需求。農業物聯網技術的深度應用需要具備一定規模的集約化生產模式的支撐，以小規模單一農戶種植為主的設施蔬菜種植對農業物聯網技術整體解決方案的需求并不強烈。在實踐應用中，以單一應用場景建設解決農場實際需求，再尋求場景的整合應用。

5 結束語

數字農業是新時期農業的主要形態和典型特征，是用現代工業生產的組織方式、管理理念和先進技術發展現代農業而形成的一種新的農業業態。農業物聯網技術是實現農業生產、經營、管理、服務的在線化和數據化的重要技術方式，是數字農業發展的必要支撐。“十四五”期間，農業物聯網技術的研究推廣必將成為北京市數字農業發展重要方向。