設施智能裝備在農業生產中的應用與發展

摘要：目前，設施智能裝備在農業生產領域的應用日益廣泛。設施智能裝備未來的發展方向將涵蓋設備的智能化、互聯化、數據可視化、自動化及人工智能化等領域。其發展趨勢預示著設施智能裝備將成為現代農業生產中的主流技術，不僅能夠推動傳統農業向現代化農業轉型升級，還將促進設施農業的高質量發展，進而實現農業生產方式創新和效率提升。

關鍵詞：農業設施； 智能裝備； 自動化

中圖分類號：S237 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2024）03-0075-03

隨著我國電子信息科技的持續進步，設施智能裝備在農業生產中的應用日益廣泛。設施園藝智能化作為實現園藝產品播種移栽、栽培管理、環境調控、監測預警、作物采收、內部物流等全過程的數字化、精細化、自主化生產形態，已成為全球農業智能化裝備研發的熱點和產業升級的重點[1]，這一趨勢反映了現代農業發展的迫切需求[2]。一方面，設施智能裝備的應用能夠顯著減輕勞動強度，降低用工成本，便于使用者進行遠程精準控制，實現灌溉、施肥、通風等設施的自動化調整；另一方面，智能裝備能夠實時監測土壤、水分、氣象等關鍵環境參數，有利于輔助農民更精確地管理農作物，從而提高農業生產效率，確保農作物的產量、品質和安全。隨著科技的持續進步，智能設備也在不斷更新和升級，其推動著傳統農業向現代農業轉型升級，并促進設施農業高質量發展。

1 設施智能裝備的組成及功能

傳統的設施農業生產方式存在管理不夠精準、生產成本高、環境受到污染等問題。為解決上述問題，近年來設施智能裝備快速發展。設施智能裝備是指利用現代信息技術、物聯網、機器學習等技術，對設施農業生產進行智能化、數字化、自動化控制的設備，與傳統設施農業裝備依賴人工操作相比，具有明顯的科技優勢。

1.1 設施智能裝備的組成

設施智能裝備包括傳感器設備、自動化設備、監測設備、智能化控制系統及相應的軟件系統。

1.1.1 傳感器設備

傳感器設備是設施智能裝備的重要組成部分，用于采集土壤、水分、溫度、氣象等環境參數，實時監測土壤濕度、土壤肥力、氣象狀況等環境條件，可為設施農業生產提供準確的數據支持。傳感器設備還可用于監測設施作物的生長狀態，如生長速度、病蟲害情況等，以便及時采取措施，保證農作物生長和產量。

1.1.2 自動化設備

自動化設備包括耕整地設備、節水灌溉設備、通風通光設備、供熱增能設備、自動采收設備等。這些設備可以自動完成農作物的種植、管理和采收，有利于減少人工作業和生產成本，提高生產效率和作業質量。例如，自動化灌溉設備可以根據土壤濕度和氣象狀況自動調整灌溉水量，實現了節約用水，保障了農作物生長。

由遼寧省農業機械化研究所、沈陽農業大學、岫巖縣時和年豐農業發展有限公司聯合研制的新型高效節能型生物質多級燃燒雙層管熱風爐，以生物質顆粒為燃料，額定功率1.75 kW，燃料消耗低，能夠實現節本降耗。該設備采用雙層金屬管供熱和多風機二次增壓+風帶組合技術，管道風口溫度40～60 ℃，熱風傳送距離遠，熱量覆蓋面寬，多級燃燒，燃燒充分，無煙塵、無廢氣排放，安全、可靠、環保、無害。該設備配備專用的智能控制器，能夠進行可視化界面操作及智能控制進料量，無須明火引燃，即可實現自動點火、自動進料。

由遼寧省農業機械化研究所與濰坊銘琪瑞智能科技有限公司聯合研發的遙控自走式油電一體化耕整機，可以適應棚室低矮復雜的環境，作業深度為20～25 cm。

1.1.3 監測設備

監測設備[3]包括攝像頭、激光雷達、氣象站等，用以實時監測農作物的生長狀態和環境參數，可為設施農業生產提供準確的數據支持。例如，攝像頭可以實時監測作物外觀狀態；激光雷達可以測量作物高度、寬度等參數；氣象站可通過氣象傳感器來監測作物生長環境的天氣變化情況，如溫度、濕度、光照、降雨量等，并將監測數據實時上傳到云端，從而為設施農業生產提供準確的氣象數據。

由遼寧省農業機械化研究所研發的棚室多感知智能監測系統，可實現適應農藝需求的多因子采集條件下的單一控制，以直觀的圖表和曲線進行大數據分析，并根據作物生長需求提供分析后的預警信息及控制信號，以便用戶進行自動控制、人為干預控制或遠程操控。

1.1.4 智能化控制系統

智能化控制系統是設施智能裝備中的核心部分，包括控制器、智能云平臺等。這些設備可以通過互聯網和物聯網技術來實現遠程控制、監測和管理。

智能化控制系統可以根據傳感器采集的數據實時調整農業生產措施，能實現精準灌溉、精準施肥、精準通風等，有利于提高農業生產效率。例如，智能灌溉系統可通過傳感器檢測土壤的濕度、溫度、光照等環境參數，并根據環境參數變化來自動調整灌溉水量，實現精準化的灌溉管理。智能灌溉系統還可以根據作物生長情況來自動監測作物缺水和過度澆水情況，及時采取應對措施。

精準測繪系統可通過激光掃描技術對作物生長情況進行測量，并將測量數據實時上傳到云端，實現精準化管理。智能監控平臺可通過搭載各種傳感器和攝像頭對農業生產現場的濕度、溫度、光照等環境參數及作物生長、病蟲害情況進行實時監測，及時發現農業生產現場中的問題，調整管理措施，提高農業生產效率和質量。

1.2 設施智能裝備的功能

1.2.1 提高農業生產效率

設施智能裝備能夠實現對農業生產的精準化管理和優化調度，從而提升農業生產效率。例如，智能灌溉系統能夠根據作物不同生長時期的特定需求來智能調節灌溉水源和噴灌頻率，從而提高作物產量。

1.2.2 減少農業資源浪費

設施智能裝備在實時監測和分析中一旦發現生產過程中存在浪費現象，可及時采取相應的措施進行糾正。例如，智能傳感器可以實時監測土壤的濕度和肥力，避免過度施肥和過度灌溉，減少農業資源浪費。

1.2.3 提高農產品質量

通過智能檢測儀器、精準測繪、氣象預測、環境監測等技術手段可實現對農業生產全過程的實時監測和控制，提高農產品質量。例如，精準測繪系統可以測定土地面積、土壤肥力、作物生長情況等數據，能為設施農業生產提供決策支持。環境監測技術可以實時監測土壤、空氣、水等環境參數，及時預警環境問題，能為設施農業生產提供有效保護。

1.2.4 提高農業生產安全性

設施智能裝備能夠減少人為因素對農業生產的影響，有利于提高農業生產的安全性。例如，設施智能裝備可以實時監測作物生長情況，發現異常情況及時采取措施，防止作物受損或死亡。設施智能裝備還可控制灌溉水的溫度、流量等參數，避免作物因缺水而受損。

1.2.5 提高農民參與度和滿意度

設施智能裝備的應用可以讓農民更好地參與農業生產，提高農業生產效率和收益。例如，設施智能裝備配備的自動監測系統能夠使農民實時監控農業生產過程，使其及時掌握關鍵的生產信息，有助于提升決策的科學性。

2 設施智能裝備的應用領域

2.1 種植管理

設施智能裝備在種植管理過程中發揮著至關重要的作用。其不僅包括智能灌溉系統、智能施肥系統和智能除草系統，還能通過精準的數據分析和自動化控制，實現對作物生長環境的實時監測和優化。例如，智能灌溉系統能夠根據土壤濕度和作物水分需求自動調節灌溉水量，確保作物獲得適宜的水分供應；智能施肥系統則通過分析土壤養分狀況和作物生長階段來自動調整施肥量和種類，滿足作物的營養需求；智能除草系統利用圖像識別技術來準確識別并清除雜草，減少對作物生長的干擾。

2.2 財務管理

設施智能裝備在財務管理過程中的應用為農業生產帶來了革命性的變化。智能財務系統能夠實時記錄和分析財務數據，自動生成詳細的財務報告，幫助管理者快速把握財務狀況；智能采購系統則通過分析市場需求和庫存情況來智能預測采購需求、自動下單采購，從而確保物資供應的及時性和成本的合理性。這些系統的引入不僅能夠提高財務管理的效率和精度，還能減少人為錯誤，提升決策的科學性，可為農業生產的經濟效益和可持續發展提供有力保障。

2.3 環境監測

設施智能裝備在環境監測領域的應用為農業生產提供了強有力的技術支持。智能環境監測系統和智能氣象監測系統能夠對溫度、濕度、光照、土壤pH值等關鍵環境參數進行實時監測，以確保作物生長在最佳條件下。這些系統通過高精度傳感器來收集數據，利用先進的數據分析技術來預測和預警潛在的環境風險，及時發現問題并采取相應措施，可顯著提高農作物的環境適應能力和抵御自然災害能力。

3 設施智能裝備的發展趨勢

目前，我國設施園藝裝備在穩定性、智能化等方面還有待完善，這在一定程度上制約了產業效益水平和勞動生產效率的提升[4]。一是部分設施智能裝備技術不穩定，導致生產效果不理想；二是設施智能裝備價格較高，維護成本也較高；三是設施智能裝備中存儲大量數據，如何提高數據安全性和隱私性成為一個問題。鑒于此，加強設施智能與人工智能技術的融合尤為關鍵，這不僅代表設施農業發展的前沿趨勢，也是其核心方向。展望未來，設施農業將朝著更加智能化、精準化和高效化的方向發展，有望成為現代農業生產的主要模式。

3.1 設備智能化

未來的設施智能裝備將越來越智能化，語音識別、機器視覺、自然語言處理等技術的應用，可以使設備之間互聯互通，實現自動化、智能化控制。

3.2 設備互聯化

未來的設施智能裝備將利用傳感器和設備間的通信技術來實現數據的共享與實時監測，進而實現對農業生產的遠程控制、監測和管理。在智慧農業解決方案中，若聯動控制系統的智能化水平較高，則能夠實時采集現場的溫濕度、土壤酸堿度等關鍵數據，并對農業生產現場進行視頻采集和生產過程監控。此外，系統還能根據采集到的數據進行分析和管理，遠程智能操控卷簾、灌溉、風機等農業設備，有利于優化農業生態環境。

3.3 數據可視化

未來的設施智能裝備將越來越數據化，通過采集、監測、分析設備數據，可實現對農業生產的實時監測、分析和預測，為農業生產提供更加準確的數據支持。

3.4 設備自動化

未來的設施智能裝備將越來越自動化，自動化設備、自動化控制系統的應用，可以自動化完成農作物的種植、管理和采收，實現“機器換人”，提高生產效率。

3.5 人工智能化

在設施智能裝備中，人工智能技術非常重要，它可幫助設施智能裝備更好地收集和分析數據，更好地管理設施內的作物生產。例如，人工智能可以通過分析大量的病蟲害數據來預測作物病蟲害的發生程度，為農民提供更精確的防控建議。此外，人工智能技術還可以幫助智能設施裝備實現自動化控制，提高管理水平和生產效率。

4 結語

我國設施生產向工廠化、環境控制向智能化、設施裝備向節能化、農業生產向精細化等方向發展。設施智能裝備是提高農業生產效益的有效手段，可通過智能化設備對農田進行精準管理，達到節約資源，提高產品質量，減少勞動力成本，保護環境的目的。但設施智能裝備也存在技術不穩定、設備成本較高、數據安全性問題等不足之處，對此，需要進一步研究和解決。未來，設施智能裝備將向設備智能化、設備互聯化、數據可視化、設備自動化、人工智能化等方向發展，會成為現代農業生產的一種主流方式，可推動傳統農業向現代農業轉型升級，促進設施農業高質量發展。

參考文獻

[1] 齊飛，李愷，李邵，等.世界設施園藝智能化裝備發展對中國的啟示研究[J].農業工程技術，2023（3）：87.

[2] 毛罕平，劉繼展，張曉東，等.設施園藝智能化裝備的創新研發[J].農業工程技術，2018（22）：10-15+21.

[3] 張志娟，張德鳳.智慧農業監測系統設計[J].農業與技術，2022，42（20）：48-51.

[4] 齊飛，魏曉明，張躍峰.中國設施園藝裝備技術發展現狀與未來研究方向[J].農業工程學報，2017（24）：1-9.

基金項目：遼寧省海城市設施農業機械化科技特派團（2023JH5/10400013）；遼寧省農業科學院學科建設計劃項目（2022DD289549）