智能裝備在設施農業中的應用研究

摘要：設施農業是現代農業最具代表性的一項融合種植技術、農業機械化、物聯網等多領域知識的系統工程。闡述設施農業的特點及智能裝備在設施農業中的應用現狀，對智能裝備在設施農業中的應用實例進行分析，旨在為實現設施農業生產更高效化、更智能化提供支持。

關鍵詞：設施農業； 智能裝備； 物聯網； 現代農業

中圖分類號：S126 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2024）03-0073-02

設施農業是現代農業最具代表性的一項融合種植技術、農業機械化、物聯網等多領域知識的系統工程，也被稱為可控環境農業，其構建出一個高度可控的環境體系，以實現農業生產的高效性與精確性。近年來，信息技術飛速發展，為設施農業帶來了革命性變化，其中物聯網技術的引入尤為顯著，這標志著現代農業正逐步邁向新型信息化應用的全新階段。

1 設施農業的特點

設施農業的核心特征在于其通過各類先進的傳感器、執行器及控制器對內部環境進行高度調控，如溫度、濕度、水分、肥料、CO?濃度及光照強度等，可為作物生長提供一個理想且優化的環境條件。這種精細化的環境管理策略，使得設施農業能夠實現全年不間斷高效生產，具有高產、優質、高效、安全、周年生產等特點，極大提升了農業生產的靈活性與可持續性。設施農業具有高投入高產出的特點，其建設和運營需要的投入較高，包括土地租賃、設施建設（如溫室、大棚等）、設備購置（如灌溉系統、溫控系統等）及日常管理等費用。但這種高投入也帶來了高產出的回報。設施農業通過提供相對可控的環境條件，可使農作物生長周期縮短、產量提高、品質提升。同時，設施農業還可以實現反季節種植，滿足市場對新鮮蔬菜、水果等農產品的需求，從而獲得更高的經濟效益。

2 智能裝備在設施農業中的應用現狀

據2024年年初統計，我國現代設施種植面積達到260 萬hm2，約70%的肉蛋奶及52%的養殖水產品源自設施養殖[1]，凸顯了設施農業在保障國家食物供給多元化方面的核心地位。我國設施農業生產技術與裝備的研發步伐正持續加速，自主化、國產化設施裝備體系已初具規模，展示出我國在農業科技自立自強方面的顯著進展。具體而言，90%的日光溫室現已配備自動卷簾系統，大幅提升了作業效率；71%的日光溫室及塑料大棚已成功引入機械化耕整地設備，進一步減輕了人力勞動強度。此外，以云技術、傳感器為核心的溫室物聯網技術已在大部分現代化設施農業中得到應用，例如壽光市設施農業物聯網的應用率達到80%以上，設施農業已經初步實現智能化。

3 智能裝備在設施農業中的應用實例

3.1 動力農機自動導航。

在設施農業中，動力農機應用自動導航技術得到廣泛研究。例如，在溫室大棚內，自動導航的一體化播種機可以根據設定的行距和株距自動完成播種作業；自動導航的采摘機器人可以根據果實成熟度進行自動識別和采摘等。動力農機自動導航的技術原理主要包括位置確定、作業規劃和自動操控3個方面。位置確定通過GNSS系統實時獲取農機的位置信息，包括經度、緯度和高度等，以實現高精度的定位；作業規劃通過地理信息系統（GIS）對農田進行測繪和分析，確定作業區域和作業路線，為農機提供精確的導航信息；自動操控通過激光測距儀、慣性導航系統等監測和控制設備實現農機的自動行駛和作業，有助于減少人工干預。

3.2 農業機器人

采摘機器人是新時代智能與農業結合的產物，專為水果和蔬菜等農作物設計，通過編程完成采摘、轉運、打包等相關作業任務。采摘機器人能夠自動識別成熟果實并進行采摘，減少人工采摘的勞動強度，提高采摘效率和質量。通過自動化控制和智能感知系統，機器人能夠靈活地控制機械臂，實現精準采摘和放置。部分采摘機器人還具備在溫室大棚中進行自主建圖、路徑規劃、自主作業等功能，可以通過AI進行果實成熟度分析，實現采摘、分揀同時進行，并將采摘筐運輸到指定位置。

移栽機器人是一種用于植物移栽作業的自動化設備，能夠顯著提高移栽效率和質量。這類機器人多為一套機電一體化設備，能夠從高密度盤移栽幼苗到低密度盤，也能從育苗盤移栽幼苗到生長盆。移栽機器人工作一般分為4個步驟：一是拔苗，即用拔苗器的抓手將育苗盤中的幼苗拔出；二是傳送，即將拔出的幼苗放置在穿過育苗盤傳送帶移動到生長盆傳送帶上的一排杯狀容器內；三是探測與移栽，即通過光電傳感器來探測有無缺苗，栽培器的抓手只拿起真實的幼苗進行移栽；四是完成移栽，即所有栽培頭同時栽培幼苗到目標容器中，可確保無缺苗。

3.3 農業無人機

農業無人機是通過地面遙控或GPS飛控來實現噴灑藥劑、種子、粉劑等作業的無人駕駛飛機，一般適用于舉架較高的溫室大棚。無人機搭載高清攝像頭和傳感器，可以實現實時監測，及時發現作物生長狀況、病蟲害等問題；根據作物生長需求和病蟲害情況，可以實現精準施肥和噴藥，精確控制施肥量和噴藥量，提高化肥和農藥的利用率，減少浪費和環境污染。同時，利用激光雷達、光學相機等設備，可對農田地形、水源、建筑物等進行高精度的三維測繪，從而提供更準確的農業信息和管理決策支持。無人機結合GIS等技術，還可以實現農業生產的數字化、智能化及精準化管理。

3.4 農業物聯網

農業物聯網是物聯網技術在農業生產、經營、管理和服務中的具體應用，其利用各類感知設備來采集農業生產過程、農產品物流及動植物本體的相關信息，并通過無線傳感器網絡、移動通信無線網和互聯網進行傳輸。這些信息經過融合、處理后，通過智能化操作終端實現對農業產前、產中、產后的過程監控、科學決策和實時服務[2-3]。農業物聯網的主要目的是提高農業生產效率和質量，保障農產品安全和可追溯性，促進農業現代化和智慧化發展。

農業物聯網主要由感知層、網絡層、平臺層和應用層4個部分組成。感知層通過各類傳感器、RFID 標簽、攝像頭等設備，實時采集農業生產環境中的溫度、濕度、光照、土壤水分、作物生長狀況等信息；網絡層利用無線傳感器網絡、移動通信無線網和互聯網等通信技術，將感知層采集到的數據傳輸到數據中心或云平臺；平臺層對數據進行處理、分析和挖掘，提供數據可視化、智能預警、決策支持等功能；應用層根據平臺層提供的數據和分析結果，通過智能化操作終端實現精準種植、智能灌溉、病蟲害預警、農產品溯源等功能。

3.5 智能灌溉系統

智能灌溉系統是一種集成現代信息技術、自動化控制技術和生物技術的新型灌溉模式。智能灌溉系統一般包括數據采集、數據分析和灌溉執行3個步驟。數據采集通過各類傳感器實時采集土壤濕度、溫度、光照等環境參數及作物生長狀況數據；數據分析將采集到的數據傳輸到控制中心，再利用云計算和大數據技術進行分析處理，制定科學合理的灌溉計劃；灌溉執行根據灌溉計劃，由控制中心向首部控制器下發指令，首部控制器再控制田間控制層來執行灌溉操作。灌溉過程中，系統會根據實時數據來調整灌溉計劃，以確保灌溉的精準性和節水性。通過精準灌溉和自動化控制，可避免水資源的浪費，提高灌溉效率。據統計，智能灌溉系統可以節水16%～30%，甚至在某些應用場景下節水率達到50%以上。系統可以減少人工灌溉的勞動力投入，降低灌溉成本，根據作物種類、生長階段和天氣狀況來自動調整灌溉方案，確保作物得到最佳的水分條件，從而提高作物的產量和品質，增加農民的收入。系統可以實現灌溉過程的遠程監控和智能化管理，提高農業節水灌溉的科學管理水平。

4 結語

隨著政策推動和技術進步，設施農業的規模將持續擴大，這意味著設施農業將繼續向全國范圍內輻射。特別是在西北地區和一些欠發達地區，由于其自然資源對發展設施農業十分有利，這些地區將有望迎來設施農業的高速發展和快速增長。今后，應繼續加強在設施農業中應用智能裝備的研究，從而為實現更高效、更智能的設施農業生產提供支持。

參考文獻

[1] 土特產的“含金量”越來越高[N].人民日報，2024-03-13（008）.

[2] 賈寶紅，錢春陽，宋治文，等.物聯網技術在設施農業中的應用及其研究方向[J].吉林蔬菜，2015（5）：47-48.

[3] 徐晟.物聯網技術在河源市農業技術推廣中的應用研究[D].廣州：仲愷農業工程學院，2019.