基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的江蘇設(shè)施蔬菜智能化生產(chǎn).pdf

智能農(nóng)業(yè)是利用物聯(lián)網(wǎng) 大數(shù)據(jù) 云計算等現(xiàn)代信息技 術(shù) 實現(xiàn)精準(zhǔn) 高效 可持續(xù)的 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理方式 近年來 江 蘇省積極采取政策扶持 產(chǎn)學(xué) 研合作 成果轉(zhuǎn)化推廣等措施 加快運(yùn)用信息技術(shù)和智能裝備 改造提升農(nóng)業(yè) 為推進(jìn)農(nóng)業(yè)高 質(zhì)量發(fā)展提供了重要支撐 蔬 菜產(chǎn)業(yè)是江蘇省農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì) 發(fā)展中的支柱產(chǎn)業(yè) 在農(nóng)業(yè)增 效 農(nóng)民增收中發(fā)揮著突出作 用 也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用較多 的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域 全省農(nóng)業(yè)農(nóng) 村部門 涉農(nóng)科研院所 IT 企業(yè) 等加強(qiáng)設(shè)施蔬菜物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)裝 備研發(fā)和推廣 應(yīng)用范圍覆蓋 產(chǎn)前 產(chǎn)中和產(chǎn)后各環(huán)節(jié) 有力 提升了智能化 綠色化生產(chǎn)水 平 取得較好成效 1 設(shè)施蔬菜智能化生產(chǎn)技 術(shù)概述 開展設(shè)施蔬菜智能化生產(chǎn) 包括溫室 大棚 建設(shè) 傳感器布 設(shè) 水肥一體化灌溉系統(tǒng)建設(shè) 智能采摘機(jī)器人應(yīng)用 智能管控 系統(tǒng)建設(shè)等幾個方面 溫室 大棚 建設(shè) 溫室 大棚 是設(shè)施蔬菜種植的基礎(chǔ) 在開展溫室 大棚 主體工程建 設(shè)時 一般遵循從下到上 從高到 低 從外到內(nèi) 先地下后地上的原 則 溫室 大棚 建設(shè)施工安裝順 序為溫室 大棚 骨架 外遮陽 頂部 四周圍護(hù) 濕簾 風(fēng)機(jī) 內(nèi)遮陽 供暖 給水等 同時 溫 室 大棚 內(nèi)還需要部署高速無線 Wi Fi網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)設(shè)施 網(wǎng)速 帶寬不低于100 Mbps 近年來 省內(nèi)智能化程度較高的溫室 大 侯喜林 博士 二級教授 博士生導(dǎo) 師 享受 國務(wù)院特殊津貼 獲 全國 模范教師 稱號 現(xiàn)為國家大宗蔬菜 產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位科學(xué)家和江蘇省 蔬菜產(chǎn)業(yè)體系首席專家 農(nóng)業(yè)農(nóng)村 部華東地區(qū)園藝作物生物學(xué)與種質(zhì) 創(chuàng)制重點(diǎn)實驗室主任 園藝作物種 質(zhì)創(chuàng)新與利用教育部工程研究中心 主任 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)蔬菜學(xué)國家重 點(diǎn)學(xué)科帶頭人 育成不結(jié)球白菜新 品種13 個 民間傳頌著 夏有 暑 綠 冬有 寒笑 情人節(jié)有 黃玫 瑰 就是對其育成品種的充分肯 定 先后獲國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎1 項 省部級二等獎5項 中國學(xué)位與 研究生教育學(xué)會研究生教育成果獎 一等獎 江蘇省學(xué)位委員會研究生 教育改革成果獎一等獎各1 項 江 蘇省本科教學(xué)成果二等獎2項 百 名教授科教興百村小康工程 科技 貢獻(xiàn)特等獎 圖1 溫室 大棚 實景 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的江蘇 設(shè)施蔬菜智能化生產(chǎn) 徐茂 吳昊 魏祥帥 DOI 10 3865 j issn 1001 3547 2020 08 008 2020 8 20 2020 8 棚 競相涌現(xiàn) 如鹽城市豐收大 地種業(yè)有限公司建設(shè)的2 hm 2 玻 璃智能溫室 5 hm 2 連棟育苗溫 室 年生產(chǎn)種苗量 2 億株以上 徐州蘇蔬農(nóng)業(yè)科技有限公司建 設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)全裝配式鋼結(jié)構(gòu)智能 溫室 40 座 其中 32 個高溫溫 室 1個魚菜共生溫室 7 個冷棚 溫室 產(chǎn)量增加30 以上 圖1 傳感器布設(shè) 設(shè)施蔬菜 生長環(huán)境中溫濕度 CO 2 濃度等 對作物生長有很大影響 需要準(zhǔn) 確監(jiān)測空氣溫度 空氣相對濕 度 光照 CO 2 濃度 土壤溫度 土 壤相對濕度等環(huán)境參數(shù) 對于一 些高附加值或生長控制精確度 要求較高的品種 還應(yīng)部署作物 葉片溫度 莖稈直徑微變化傳感 器 果實直徑微變化傳感器等植 物本體傳感器 近年來 江蘇現(xiàn) 代農(nóng)業(yè) 蔬菜 產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系智 能生產(chǎn)創(chuàng)新團(tuán)隊從元器件選擇 結(jié)構(gòu)設(shè)計 工作間隔設(shè)置等方 面 對環(huán)境傳感器 植物本體傳 感器的性能和使用壽命進(jìn)行了 優(yōu)化 并提出傳感器部署優(yōu)化方 案 實現(xiàn)對種植區(qū)域的有效覆 蓋 從而達(dá)到傳感器合理布局 優(yōu)化效果的目標(biāo) 以40 m 40 m 連棟大棚為例 部署空氣溫濕度 傳感器1個 光合有效輻射傳感 器1個 安裝位置與植株高度一 致 土壤濕度傳感器2 個 四探 頭葉片溫度傳感器2 個 莖稈直 徑微變化傳感器2 個 果實直徑 微變化傳感器2 個 選取具代表 性的同一株作物上安裝 數(shù)據(jù) 收發(fā)器1個 pH值和EC值傳感 器各 1 個 安裝在水肥控制器 上 圖2 水肥一體化灌溉 設(shè)施 蔬菜產(chǎn)量 質(zhì)量與水肥科學(xué)管理 緊密相關(guān) 每一階段生長都要求 水肥按需供應(yīng) 建設(shè)水肥一體化 系統(tǒng) 可以實現(xiàn)溫室內(nèi)水肥集中 配比施用 減少勞動用工量 節(jié) 約水肥成本 同時提高水肥灌溉 的精準(zhǔn)度 江蘇省設(shè)施蔬菜生產(chǎn) 中水肥一體化應(yīng)用較多 如張家 港永聯(lián)菜籃農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社投 資 150 萬元建設(shè)水肥一體化系 統(tǒng) 投入使用后可節(jié)約人工45 以上 經(jīng)濟(jì)效益明顯 創(chuàng)新團(tuán)隊 也研究設(shè)計了水肥一體化灌溉 系統(tǒng) 該系統(tǒng)由中心控制臺 人 機(jī)交互接口 傳感器水肥檢測裝 置 混肥腔 肥料原液罐 主管路 供水系統(tǒng)及灌溉系統(tǒng) 過濾系統(tǒng) 等部分組成 水肥的具體參數(shù)根 據(jù)傳感器數(shù)據(jù)在模型中計算得 出 然后具體數(shù)據(jù)在灌溉控制的 云端軟件中進(jìn)行詳細(xì)設(shè)定 并可 以設(shè)置操作周期和間隔 實現(xiàn)智 能化全自動灌溉 水肥一體化灌 溉系統(tǒng)部署示意如圖3所示 智能采摘機(jī)器人應(yīng)用 當(dāng) 前 設(shè)施蔬菜生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動化 智能化已經(jīng)取得較大進(jìn)展 但采 收環(huán)節(jié)的自動化 智能化程度還 處于初級階段 蘇州博田自動化 技術(shù)有限公司與中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 蘇州大學(xué)合作 開發(fā)設(shè)施農(nóng)業(yè)專 用機(jī)器人及農(nóng)機(jī)智能管理 農(nóng)機(jī) 輔助導(dǎo)航等裝備 多項產(chǎn)品在國 內(nèi)領(lǐng)先 該公司創(chuàng)新性研發(fā)了國 內(nèi)第一款 果蔬采摘機(jī)器人 該 裝備融合人工智能和多傳感器 技術(shù) 采用基于深度學(xué)習(xí)的視覺 算法 引導(dǎo)機(jī)械手臂完成識別 定位 抓取 切割 放置任務(wù)的高 度協(xié)同自動化系統(tǒng) 可解決自然 條件下的果蔬選擇性收獲難題 雙目立體視覺精準(zhǔn)判別可采摘 果蔬的大小 顏色 形狀 成熟度 和采摘位置定位 輕巧型多自由 度機(jī)械臂可輕松完成路徑規(guī)劃 采摘和放籃多個任務(wù) 柔性采摘 手通過自動適應(yīng)控制完成果蔬 采摘位置抓取 不傷果 果蔬采 摘機(jī)器人配合相應(yīng)農(nóng)藝 可完成 全自主采摘作業(yè) 替代人工解決 農(nóng)業(yè)采收問題 大大提高生產(chǎn)效 率 降低人力成本 圖4 管控系統(tǒng)智能管理 智 能管控系統(tǒng)是一個中心控制臺 它面向生產(chǎn)管理者提供了可查 看 可操作的人機(jī)交互界面 在 內(nèi)部實現(xiàn)中則是通過網(wǎng)絡(luò)獲取 溫室 大棚 內(nèi)的傳感器采集的 數(shù)據(jù)并保存到數(shù)據(jù)庫中 同時將 生產(chǎn)者界面的操作指令發(fā)送到 溫室 大棚 自動化設(shè)備控制器 中 實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動控制 智 能管控系統(tǒng)建設(shè)分為存儲層 服 務(wù)層和應(yīng)用層 其中存儲層采用 Redis 緩存 RDBMS 數(shù)據(jù)庫結(jié)合 HDFS TFS 等文件存儲系統(tǒng)對 采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存 服務(wù)層開 發(fā)基于 SOA 的 Web Services 接 口 能夠?qū)⒊Ｓ脴?biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)以服務(wù) 形式發(fā)布 供其他各相關(guān)信息系 統(tǒng)調(diào)用 業(yè)務(wù)層基于 B S 架構(gòu)設(shè) 計 提供 PC 端 WEB 界面和手 圖2 傳感器 控制器 無線網(wǎng)關(guān) 21 機(jī) APP 具備視頻監(jiān)控 數(shù)據(jù)查 詢 數(shù)據(jù)多方式呈現(xiàn) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計 分析 溫室環(huán)境參數(shù)設(shè)置 控制 指令發(fā)布等基本功能 以及利用 數(shù)據(jù)分析挖掘技術(shù) 提供標(biāo)準(zhǔn)的 數(shù)據(jù)分析挖掘 主要包含生產(chǎn)安 全判定模型 生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)判定模型 等 江蘇超數(shù)信息科技有限公司 研發(fā)的 基于云計算的農(nóng)業(yè)大棚 安全控制系統(tǒng) 將溫室 大棚 智 能管控系統(tǒng)移植到云端 種植戶 可通過PC端或APP端訪問云服 務(wù)器上部署的智能管控系統(tǒng) 實 時查看作物生長環(huán)境溫度 濕 度 土壤養(yǎng)分及含水量 光照強(qiáng) 度 CO 2 濃度等環(huán)境因子 自動判 斷作物的生長環(huán)境 智能調(diào)控相 關(guān)設(shè)備為作物生長創(chuàng)造適宜環(huán) 境 圖5 2 江蘇省推進(jìn)設(shè)施蔬菜智 能化生產(chǎn)的舉措 一是加強(qiáng)政策引導(dǎo) 江蘇省 圍繞 互聯(lián)網(wǎng) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè) 智慧 農(nóng)業(yè)建設(shè)等出臺一系列政策意 見 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效工程規(guī)劃 方案中將 智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)行動專 項方案 納入其中 促進(jìn)信息技 術(shù) 智能裝備在重點(diǎn)生產(chǎn)領(lǐng)域廣 泛應(yīng)用 江蘇省每年在省級現(xiàn)代 農(nóng)業(yè)發(fā)展專項中安排資金予以 扶持 每年投入超過2 000萬元 南京市級財政每年拿出1 000 萬 元智慧農(nóng)業(yè)專項資金 重點(diǎn)對農(nóng) 業(yè)物聯(lián)網(wǎng)示范點(diǎn)建設(shè) 市級物聯(lián) 網(wǎng)信息系統(tǒng)等給予支持 蘇州每 年安排1 000萬元專項資金支持 推動農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用等互 聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)發(fā)展 無錫 泰州等地 也采取多種形式對智能農(nóng)業(yè)建 設(shè)主體予以補(bǔ)助 二是加強(qiáng)典型引領(lǐng) 強(qiáng)化農(nóng) 業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基地建設(shè) 累計建 設(shè)省級智能農(nóng)業(yè)示范基地 127 個 通過總結(jié)典型經(jīng)驗做法 積 極開展面上推廣 常熟市打造設(shè) 施蔬菜園藝創(chuàng)新示范區(qū) 建有 7個文洛式智能玻璃溫室 共 3 3 hm 2 形成了 設(shè)施草莓移動 架式栽培 瓜果 菜高效無土栽 培 自然光型葉 菜植物工廠 潮 汐式苗床花卉 培育等一系列 高效栽培模式 可有效節(jié)約勞 動用工 30 以 上 單位面積產(chǎn) 出率提高10 以上 生產(chǎn)效益提 升10 以上 投入品減少10 以 上 其中 設(shè)施草莓移動架式栽培 項目入選農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 2019數(shù)字 農(nóng)業(yè)農(nóng)村新技術(shù)新產(chǎn)品新模式優(yōu) 秀項目 江蘇省不少市 縣 市 區(qū) 也積極開展智能農(nóng)業(yè)示范基 地建設(shè) 較好地發(fā)揮了帶動作用 三是加強(qiáng)指導(dǎo)服務(wù) 開展國 家農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域試驗工程建 設(shè) 探索利用設(shè)施園藝 水產(chǎn)養(yǎng) 殖 畜禽養(yǎng)殖區(qū)域性農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 服務(wù)平臺 為更多經(jīng)營主體提供 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù) 泰州建成 設(shè)施蔬菜農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺 將轄區(qū)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)示范基地接入 平臺 強(qiáng)化基地人員培訓(xùn) 及時 上傳信息數(shù)據(jù) 加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析研 圖3 水肥一體化灌溉系統(tǒng)部署示意及實景 圖4 蘇州博田自動化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的果蔬采摘機(jī)器人 2020 8 22 基金項目 江蘇現(xiàn)代農(nóng)業(yè) 蔬菜 產(chǎn)業(yè)技 術(shù)體系智能生產(chǎn)創(chuàng)新團(tuán)隊 JATS 2019 324 徐茂 江蘇省互聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)發(fā)展中心 南 京市建鄴區(qū)南湖路97號省農(nóng)機(jī)大 院 210017 電話 13913363966 E mail xum 吳昊 魏祥帥 江蘇省互聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)發(fā)展 中心 收稿日期 2020 03 21 究 探索建立生產(chǎn)管理模型 指導(dǎo) 基地應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行生產(chǎn)管理 江蘇省還組織市縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 門 生產(chǎn)應(yīng)用主體參加博覽會 高 峰論壇 交流培訓(xùn)會等活動 拓寬 視野 增強(qiáng)應(yīng)用能力 各地也將智 能農(nóng)業(yè)作為新型職業(yè)農(nóng)民 新型 農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體培訓(xùn)的重要內(nèi)容 采取專家授課 實踐學(xué)習(xí) 在線指 導(dǎo) 論壇交流等方式 開展農(nóng)業(yè)物 聯(lián)網(wǎng)技能知識培訓(xùn) 提高生產(chǎn)實 踐應(yīng)用能力 3 存在問題 雖然江蘇設(shè)施蔬菜物聯(lián)網(wǎng) 智能化生產(chǎn)取得一定成效 但與 發(fā)達(dá)地區(qū)水平相比仍存在較大 差距 不能滿足深度應(yīng)用需求 一是數(shù)據(jù)不規(guī)范 標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng) 一 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施設(shè)備數(shù)據(jù)采 集缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) 不同廠商生產(chǎn)的 設(shè)備數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一 接口不兼 容 易出現(xiàn)數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象 導(dǎo)致數(shù) 據(jù)難以互聯(lián)互通 成為制約物聯(lián)網(wǎng) 技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要因素 二是自主經(jīng)濟(jì)適用產(chǎn)品不 多 除溫濕度 光照 CO 2 等比較 成熟的物聯(lián)網(wǎng)傳感器外 土壤肥 力 植物營養(yǎng) 作物生長狀態(tài)等傳 感器較為缺乏 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研發(fā) 達(dá)到國際先進(jìn)水平的本土企業(yè)屈 指可數(shù) 具備自主知識產(chǎn)權(quán)的高 精度 高穩(wěn)定性 高可靠性的技術(shù) 產(chǎn)品和設(shè)備嚴(yán)重匱乏 三是推廣應(yīng)用服務(wù)力度不夠 江蘇農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)全產(chǎn)業(yè)鏈推廣應(yīng) 用的市場發(fā)育還不健全 技術(shù)支 持及后續(xù)服務(wù)維護(hù)等方面仍有待 加強(qiáng) 市場主體在應(yīng)用過程中遇 到的問題難以得到及時解決 阻 礙了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)深入推廣應(yīng)用 4 對策建議 增強(qiáng)研發(fā)創(chuàng)新能力 充 分發(fā)揮科研院所 IT 企業(yè)創(chuàng)新源 頭作用和各類現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)資 源集聚作用 瞄準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需 求 重點(diǎn)圍繞環(huán)境調(diào)控 植物本 體感知 水肥一體化噴滴灌 植 物生長模型等 熟化一批農(nóng)業(yè)物 聯(lián)網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)品 研發(fā)一批數(shù)據(jù)采 集 數(shù)據(jù)傳輸 數(shù)據(jù)處理 智能控 制 信息服務(wù)的設(shè)備和軟件 構(gòu) 建一批基于物聯(lián)網(wǎng) 大數(shù)據(jù)驅(qū)動 的農(nóng)業(yè)動植物生長模型 取得一 批具備先進(jìn)水平的自主知識產(chǎn) 權(quán)技術(shù)成果 提升示范應(yīng)用水平 引 導(dǎo)市場主體應(yīng)用自動化生產(chǎn)設(shè) 施 精準(zhǔn)化監(jiān)測控制等農(nóng)業(yè)物聯(lián) 網(wǎng)技術(shù) 強(qiáng)化產(chǎn)前 產(chǎn)中 產(chǎn)后各 環(huán)節(jié)全程應(yīng)用 培育一批農(nóng)業(yè)物 聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用基地 打造一批具 有全國先進(jìn)水平的應(yīng)用企業(yè) 支 持各類現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū) 科技示范 園 農(nóng)產(chǎn)品加工集中區(qū)等 集聚 主體 平臺 資源等要素 有效構(gòu) 建產(chǎn)學(xué)研合作機(jī)制 高水平推廣 應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和管理服務(wù)平 臺 在生產(chǎn)智能調(diào)控 數(shù)據(jù)采集 應(yīng)用 質(zhì)量全程溯源等關(guān)鍵領(lǐng)域 取得顯著進(jìn)展 加大技能培訓(xùn)力度 在 新型職業(yè)農(nóng)業(yè)培訓(xùn)中設(shè)置農(nóng)業(yè) 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用相關(guān)課程 多途 徑開展實踐應(yīng)用培訓(xùn) 促進(jìn)他們 加深學(xué)習(xí)和交流 面向現(xiàn)代農(nóng)業(yè) 園區(qū) 基層農(nóng)業(yè)部門的技術(shù)人員 及管理人員等 聯(lián)合高等院校 科研院所與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)企業(yè) 培 養(yǎng)一批高水平應(yīng)用 管理及服務(wù) 人才 建立農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)專家?guī)?將相關(guān)技術(shù)負(fù)責(zé)人員等納入其 中 為各地開展農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)知識 技能培訓(xùn)提供合適的培訓(xùn)講師 提升數(shù)據(jù)共享共用水 平 以實施國家農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)區(qū) 域試驗工程為契機(jī) 加快構(gòu)建江 蘇省農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理服務(wù)平臺 解決數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)不一 接口不 兼容 售后服務(wù)跟不上等問題 促進(jìn)全省平臺共用 數(shù)據(jù)共享 高效管理 支持科研機(jī)構(gòu) 農(nóng)業(yè) 科技企業(yè)依托省級平臺 加強(qiáng)數(shù) 據(jù)研究 開發(fā)和利用 探索公益 性與市場化相結(jié)合的服務(wù)機(jī)制 為經(jīng)營主體提供遠(yuǎn)程診斷 趨勢 分析 預(yù)報預(yù)警等技術(shù)指導(dǎo) 提 升農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)社會化服務(wù)水平 圖5 智能管控系統(tǒng)界面 2020 8 23