智慧溫室大棚蔬菜種植技術的優(yōu)勢與應用關鍵研究

溫室大棚在實際應用中可減少氣候變化對蔬菜生長能力所造成的影響，在實現(xiàn)全年種植生產(chǎn)的基礎上提升蔬菜的供應能力。近年來，溫室大棚蔬菜種植面積逐步增加，在功能方面也越發(fā)強調各類智能化技術在其中的應用效果，智慧溫室大棚也隨之誕生。智慧溫室大棚在實際應用中，可通過物聯(lián)網(wǎng)等技術獲取蔬菜生長信息，通過傳感器信息傳輸?shù)确绞綄厥覂炔抗芾砉ぷ鬓D為各類數(shù)據(jù)，提升蔬菜整體種植成效，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供優(yōu)質協(xié)助。

1智慧溫室大棚蔬菜種植的技術優(yōu)勢

1.1為蔬菜提供安全防護

智慧溫室大棚可通過智能化的溫度控制系統(tǒng)，根據(jù)蔬菜不同生長階段的各項需求精確調節(jié)室內溫度。當外界溫度降低時，系統(tǒng)會自動啟動加熱設備，使棚內保持相對恒定的溫度以幫助蔬菜穩(wěn)定生長；外界氣溫較高時大棚內高溫環(huán)境容易抑制蔬菜生長能力，部分情況下還會引發(fā)病蟲害問題，此時智慧溫室大棚可利用通風系統(tǒng)及配套遮陽設施降低棚內溫度，避免蔬菜受到高溫傷害。目前多數(shù)智慧溫室大棚內部配備有先進的濕度傳感器與配套灌溉系統(tǒng)，可實時檢測大棚內濕度的同時，根據(jù)蔬菜生長狀態(tài)進行自動灌溉或通風排濕。若大棚內濕度較低，則灌溉系統(tǒng)會適時啟動以增加棚內的濕度；當濕度過高時，可自動開啟通風系統(tǒng)，配合溫度調控工作來降低棚內相對濕度，幫助蔬菜根系保持穩(wěn)定生長狀態(tài)以提高蔬菜的抗病能力。

若當前大棚內部存在光照條件不足的問題，則大棚內可安裝人工補光設備，為蔬菜提供足量光照以協(xié)助蔬菜進行高效率光合作用；光照過強時則自動打開遮陽網(wǎng)以減少陽光直射強度，避免蔬菜受到強光傷害。基于物聯(lián)網(wǎng)所構建的智慧溫室大棚在實際應用中可融合身份識別技術管理人員出入情況，規(guī)避人員隨意進出所引發(fā)的病株帶入等情況，否則會損傷棚內蔬菜的生長性能。以指紋識別、人臉識別等方式錄入工作人員信息，以此來實現(xiàn)精確化管理。

1.2自動報警

各類蔬菜對于環(huán)境溫度的要求相對較高，并且不同生長階段對于溫度變化程度也會提出較多要求，自動報警系統(tǒng)可以精確監(jiān)測大棚內溫度變化情況，當溫度超出蔬菜生長適宜范圍時迅速發(fā)出警報。這使得種植人員能夠及時采取措施，通過開啟溫控設備進行升溫或降溫操作。配合安裝濕度監(jiān)測設施來實時了解棚內濕度情況，若濕度超過預定閾值則會自動發(fā)出警報，種植人員可根據(jù)警報信息采取通風、除濕等措施調節(jié)濕度，以營造不適于病蟲害生長繁殖的環(huán)境，充分減少農(nóng)藥總用量，產(chǎn)出更為優(yōu)質的蔬菜產(chǎn)品2。

自動報警系統(tǒng)還可以對溫室大棚內的氣體成分進行監(jiān)測。蔬菜生長需要獲取足量二氧化碳以支持其光合作用，而大棚內環(huán)境相對封閉，這使得氨氣、二氧化硫等氣體容易出現(xiàn)濃度過高的問題。通過設置自動報警系統(tǒng)可監(jiān)測大棚內氣體濃度實時變動情況，若某類氣體濃度過高，則系統(tǒng)會發(fā)出警報。種植人員可根據(jù)警報信息采取相應的措施，通過增加二氧化碳供應或加強通風換氣等方式改善溫室大棚內氣體環(huán)境狀態(tài)，以此來為蔬菜的生長提供良好的條件。在實際應用中，自動報警系統(tǒng)還配置有遠程監(jiān)控及報警功能，種植人員可以通過手機、電腦等設備隨時隨地監(jiān)控溫室大棚內的環(huán)境參數(shù)，若各項數(shù)值發(fā)生變動，則會在第一時間通過短信、郵件等方式通知種植人員。這使得種植人員即便不在現(xiàn)場也能及時了解溫室大棚內的情況，配合采取對應管控措施來改良大棚種植管理的便捷性，盡可能減少因人工巡檢不及時而引起的各類損失問題。

1.3遠程監(jiān)控

遠程監(jiān)控技術可協(xié)助種植戶實現(xiàn)對蔬菜所處環(huán)境及生長態(tài)勢的實時掌握，借助這一功能工作人員無須時刻身處溫室大棚內，只需通過相關的監(jiān)控設備和系統(tǒng)就能清晰了解蔬菜生長狀態(tài)，整合光照、溫濕度、空氣質量等種植參數(shù)，完成綜合性管理調控。種植人員通過遠程監(jiān)控可實時了解溫室大棚內的光照情況，根據(jù)蔬菜實際需求利用智能設備調整光照強度、開啟或關閉補光設備，從而為蔬菜提供適宜的光照條件。

基于視覺技術的圖像信息可以反映蔬菜生長狀態(tài)、病蟲害情況等定性信息，對于這些定量數(shù)據(jù)的綜合分析可協(xié)助種植戶科學調整農(nóng)作物的生長模式。其中相對具有代表性的便是若發(fā)現(xiàn)蔬菜出現(xiàn)生長緩慢的情況，對各項數(shù)據(jù)進行分析來判斷溫室大棚內是否存在光照不足、溫度不適以及養(yǎng)分缺乏等情況，以此來采取更具針對性的調整處理。遠程監(jiān)控功能還可協(xié)助種植戶多方位篩選農(nóng)作物品質，由于各類蔬菜在前期生長中會在個體生長能力方面出現(xiàn)較大差異，種植人員利用遠程監(jiān)控系統(tǒng)可對蔬菜生長情況進行全面評估，篩選出品質較高且生長能力達標的蔬菜類型。部分大型溫室大棚中可同時種植不同種類的蔬菜，利用遠程監(jiān)控技術可準確了解每種蔬菜所處位置及生長狀態(tài)，以此來為后續(xù)精細化管理提供協(xié)助。種植戶可根據(jù)遠程監(jiān)控提供的信息準確掌握蔬菜成熟度和品質情況，合理安排采摘運輸方式，從而減少物流過程中的損耗，提高物流效率，推動蔬菜第一時間進入市場[3]。

無線射頻識別技術在保護農(nóng)作物方面發(fā)揮著重要作用。該技術能夠對農(nóng)作物進行精準標識及跟蹤管理，通過為每株農(nóng)作物或每組農(nóng)作物配備特定的射頻標簽來實現(xiàn)對其生長的全過程監(jiān)控。各類農(nóng)作物在實際生長中容易受到病蟲害的侵襲、環(huán)境因素的突然變化等因素的影響而出現(xiàn)產(chǎn)能下滑的現(xiàn)象，無線射頻識別技術可以實時收集農(nóng)作物周圍環(huán)境信息，若這些環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常并對蔬菜實際生長狀態(tài)造成威脅，系統(tǒng)可第一時間發(fā)出警報并提醒工作人員采取相應防護措施。開展病蟲害防治工作時，利用無線射頻識別技術可獲取農(nóng)作物生長狀況，種植戶通過分析這類數(shù)據(jù)可預測病蟲害發(fā)生趨勢，采取針對性的防治措施，以避免病蟲害在大棚內大規(guī)模暴發(fā)，從根源上為大棚蔬菜種植提供優(yōu)質協(xié)助。

在物聯(lián)網(wǎng)的大框架下，無線射頻識別技術作為前端的數(shù)據(jù)采集手段能夠將各類蔬菜的生長信息傳輸至物聯(lián)網(wǎng)平臺，此時平臺對這類信息進行整合處理可挖掘出其中有價值的信息。其中相對具有代表性的便是利用對多組農(nóng)作物生長數(shù)據(jù)的對比分析情況，排查溫室大棚內前期生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的各類問題，若發(fā)現(xiàn)某區(qū)域內農(nóng)作物生長狀態(tài)出現(xiàn)異常，則可利用無線射頻識別技術的定位功能，找到問題農(nóng)作物的位置以提高整體工作效率，降低種植工作中的各類人工成本，帶動智慧溫室大棚蔬菜種植技術向著更為完善的方向發(fā)展進步。

2智慧溫室大棚蔬菜種植技術的應用要點

2.1身份識別系統(tǒng)

射頻識別(RFID)技術屬于身份識別系統(tǒng)的主要組成部分，技術人員可于智慧溫室大棚入口處安裝RFID讀卡器，這類設備的讀取距離可達3~5米，幫助工作人員正常靠近入口時RFID 標簽可被迅速識別。智慧溫室大棚負責方可為工作人員配發(fā)帶有RFID標簽的工牌或手環(huán)，內置唯一標識碼將工作人員的各項身份信息與權限級別實現(xiàn)整合。當工作人員接近讀卡器時，讀卡器發(fā)射的射頻信號會激活RFID標簽，此時標簽將自身的標識碼反射回讀卡器，讀卡器接收到信號后會在短時間內（一般不超過0.5秒)將其傳輸至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行比對，若比對成功，門禁系統(tǒng)會在0.2~0.3秒內自動開啟，允許工作人員進入大棚。

人臉識別技術在高端智慧溫室大棚身份識別系統(tǒng)中的應用頻率較高，技術人員可通過在入口處安裝分辨率為 1920×1080 及以上的高清攝像頭來清晰捕捉人員面部特征。人臉識別設備采用先進的算法，其識別準確率可超 99% ，智慧溫室大棚所搭載的人臉識別系統(tǒng)可實時捕捉人員面部圖像，在0.3~0.5秒內提取面部特征點并與預先錄入的人臉數(shù)據(jù)庫進行比對。若比對成功，則系統(tǒng)會控制門禁開啟；若比對失敗，則會在1秒內發(fā)出警報。指紋識別設備的識別精度可達到 500dpi 以上，實際應用中可精確提取指紋的細節(jié)特征，工作人員在使用指紋識別時只需將手指放在識別區(qū)域，設備便會在0.2~0.3秒內采集指紋圖像并進行特征提取比對，配合人臉識別系統(tǒng)可精確判斷大棚內部人員出入情況。

2.2智能灌溉系統(tǒng)

從系統(tǒng)構成來看，智能灌溉系統(tǒng)主要由傳感器網(wǎng)絡、無線通信網(wǎng)絡、控制器、灌溉設備、云端服務器與用戶界面等部分構成。傳感器網(wǎng)絡屬于整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集前端，其中濕度傳感器的精度可達到 ±3%RH ，以精確化測量土壤及空氣內部的溫濕度情況。而溫度傳感器的誤差則管控在 ±0.5^qC 以內，配合調控光照度傳感器來精確感知溫室大棚內部溫度變動情況，以準確獲取溫室大棚內部各數(shù)據(jù)情況。智慧溫室大棚中搭載的無線通信網(wǎng)絡負責將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行奶幚硐到y(tǒng)，通常采用ZigBee、LoRa等低功耗廣域網(wǎng)通信技術，其數(shù)據(jù)傳輸速率在250kbps左右可協(xié)助各項數(shù)據(jù)得以穩(wěn)定傳輸。而控制器則是當前系統(tǒng)的決策核心，可接收來自傳感器的實時數(shù)據(jù)并根據(jù)預設的算法和規(guī)則進行分析處理，技術人員在篩選控制器類型時應優(yōu)先選擇處理速度可達數(shù)百MIPS的微處理器，以達到快速響應指令的各項需求。

智慧溫室大棚中的灌溉設備包括水泵、閥門等，可根據(jù)控制器的指令獨立運行。此時水泵流量及其揚程可根據(jù)大棚規(guī)模以及灌溉需求進行選擇，通常情況下單次流量應保持在每小時數(shù)立方米到數(shù)十立方米不等，整體揚程則可達數(shù)十米。將云端服務器融合到智慧溫室大棚設施管理中，可實現(xiàn)同時記錄并處理大量環(huán)境數(shù)據(jù)及其配套灌溉記錄。

在數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析方面，傳感器實時采集的數(shù)據(jù)經(jīng)中心系統(tǒng)處理后，可建立土壤濕度變化模型以預測未來一段時間溫室大棚內部濕度變動趨勢。依照實際分析結果，智能灌溉系統(tǒng)可精確控制灌溉設備的整體運行情況，若土壤濕度低于預設值（如設定為 60%RH 時，系統(tǒng)會在0.1秒內發(fā)出指令自動開啟水泵和閥門進行灌溉；當濕度達到 70%RH 時，會在同樣短的時間內自動關閉灌溉設備以規(guī)避水資源浪費現(xiàn)象。智能灌溉系統(tǒng)還具備智能聯(lián)動控制功能，實際應用中可以與溫室大棚內的其他智能設備進行協(xié)同工作。當傳感器監(jiān)測到溫室內溫度超過 30^°C 時，系統(tǒng)會自動開啟通風機進行降溫，而通風機的風量同樣可根據(jù)溫度變動情況予以自動調節(jié)，一般調節(jié)范圍為每小時數(shù)千立方米到數(shù)萬立方米。若光照低于 5000lux ，則會自動開啟補光燈進行補光，補光燈的亮度可根據(jù)光照強度的缺失程度進行動態(tài)調整5。

2.3智能溫控系統(tǒng)

從系統(tǒng)構成來看，智能溫控系統(tǒng)主要由溫度傳感器、控制器和執(zhí)行器等設備組成，其中溫度傳感器是獲取溫度數(shù)據(jù)的關鍵部件，莘縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高新技術試驗示范基地的溫室大棚中分布多個高精度傳感器，這類傳感器的測量精度可達 ±0.1^eC ，在精確捕捉溫室內不同區(qū)域溫度變化情況的基礎上，每隔10~15秒采集一次溫度數(shù)據(jù)，以保證當前數(shù)據(jù)具備較高實時性。控制器作為系統(tǒng)的核心決策部件，主要接收來自溫度傳感器的實時數(shù)據(jù)，依據(jù)預設的算法規(guī)則對其進行處理，部分智慧溫室大棚會采用高性能微處理器，其運算速度可達數(shù)百MIPS，以準確判斷當前溫度是否符合作物生長需求并迅速發(fā)出相應的控制指令。

風機、濕簾、加熱器等設備可根據(jù)控制器的指令調節(jié)自身參數(shù)，風機風量調控方面則要設置為每小時數(shù)千立方米。濕簾的降溫效率可達 80%～90% ，將其用于智慧溫室大棚蔬菜種植中則可有效調控室內溫度，加熱器的加熱功率也可根據(jù)溫室的規(guī)模和溫度需求進行選擇，一般在數(shù)千瓦到數(shù)十千瓦不等。日常種植管理方面，若溫度傳感器檢測到溫室內的溫度低于作物生長所需的標準值，則智能控制中心會在0.1~0.2秒內發(fā)出指令自動啟動加熱系統(tǒng)，使其根據(jù)預設的加熱功率及時進行工作以逐步提高溫室內溫度。反之，若溫度過高，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)會迅速啟動風機和濕簾等降溫設施，當溫室內溫度超過 30% 時，風機和濕簾會同時開啟，10~15分鐘內可將溫度降低 ，以保持溫室內溫度相對恒定。智能溫控系統(tǒng)還可以與其他智能設備實現(xiàn)聯(lián)動，若環(huán)境溫度過高，則系統(tǒng)可以同時開啟通風設備和遮陽網(wǎng)，利用這類方式充分降低溫室內溫度及整體光照強度，出現(xiàn)溫室內溫度偏低的情況時，可以與灌溉系統(tǒng)聯(lián)動，通過溫水灌溉來提高土壤溫度，為蔬菜創(chuàng)造更加適宜的生長環(huán)境。

2.4人工智能輔助決策的應用

隨著各類互聯(lián)網(wǎng)信息技術被廣泛用于農(nóng)業(yè)種植，智慧溫室大棚所涉及的蔬菜種植工作也越發(fā)強調人工智能輔助決策在其中的綜合應用效果。種植戶可將人工智能系統(tǒng)所采集到的各類歷史數(shù)據(jù)與實際環(huán)境情況轉為種植方案，在充分考慮溫室內部及外部環(huán)境信息的基礎上，為種植戶開展溫室大棚內部管理工作提供參考，協(xié)助農(nóng)民更為輕松地掌握農(nóng)業(yè)管理技術，以實現(xiàn)更高質量的農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)。

綜上所述，在對智慧溫室大棚蔬菜種植技術展開研究時，需要充分關注各類新型智能技術在蔬菜種植管理中的實際應用效果，在為農(nóng)民增收及農(nóng)村發(fā)展注入動力的同時，也為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)現(xiàn)貢獻更多力量。

參考文獻：

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