农业物联网设备在日光温室中的应用及推广模式

2018-12-27徐增祥金涛田洪暄

天津农业科学 2018年11期

徐增祥　金涛　田洪暄

摘要：依据农业物联网技术可实现农业各要素的“全面感知、可靠传输以及智能处理”这一特征，面对日光温室发展的难题与瓶颈，介绍了日光温室应用农业物联网技术设备的必要性，对日光温室应用农业物联网技术设备的市场需求进行了详尽的分析，以及对相应农业物联网设备研发的技术方向进行了科学的定位，并提出了合理的应用推广途径与模式，分析了投入产出及效益，以期为农业物联网技术设备在北方日光温室中开发应用与推广提供参考。

关键词：日光温室；农业物联网设备；开发应用

中图分类号：TP391.4 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2018.11.011

Development and Application of Agricultural IoT Equipment in Solar Greenhouse

XU Zengxiang， JIN Tao， TIAN Hongxuan

（Tianjin Dayou Xingyun Agricultural Technology Company Limited，Tianjin 301700， China）

Abstract： IoT technology can achieve comprehensive sensing， reliable transmission and intelligent processing of various agricultural elements. Based on this characteristic， the thesis paper gave a discussion about the development and application of agricultural IoT equipment in green house in order to solve certain development difficulty of famers'solar greenhouse. Concerning the application of agricultural IoT technology in the farmers'solar greenhouse， the paper briefly introduced its necessity and detailedly analyzed its market demand. In the paper， the scientific orientation of the corresponding agricultural IoT equipment research and development was scientifically located， and reasonable application promotion methods and modes was proposed. The input and output and benefits also was carefully predicted.In a word， the paper was supposed to provide reference for the development， application and promotion of IoT technology equipment in the northern solar greenhouse.

Key words： solar greenhouse； agricultural IoT equipment； development and application

1 日光温室应用农业物联网设备的必要性

1.1 我国日光温室的发展现状

设施农业从种类上划分，主要包括设施种植和设施养殖两大部分。设施种植按设施类别划分，主要分为连栋温室、日光温室（多为农户使用）、塑料大棚（冷棚）、小拱棚（遮阳棚）4类。据新华网报道：目前，我国设施园艺面积386万hm2，其中日光温室已推广约86.67万hm2（80%在北方，95%为蔬菜），占温室和大棚等大型设施园艺面积的52%；而现代化大型连栋温室仅约0.2万hm2，不足大型設施园艺面积的1%。因此，日光温室的研究对于我国设施农业的发展至关重要。

日光温室是我国独有的设施，具有鲜明的中国特色。日光温室充分利用太阳能，在北纬33度至43度寒冷地区，可实现新鲜果蔬越冬生产，其主要结构见图1。目前，日光温室的经济效益显著，据报道，新疆生产建设兵团农九师一六六团每个日光温室的种植面积均为0.043 hm2，年产辣子、黄瓜、彩椒等蔬菜近1 t，利润可以达到上万元。日光温室为解决长期困扰我国北方地区的冬季蔬菜淡季供应、增加农民收入、节约能源、提高城乡居民的生活水平、稳定社会等均做出了历史性贡献。

今后，日光温室的发展将具有以下特点：一是随着设施装备不断进步与发展，必将加快日光温室的更新、升级和换代，自动控制以及小型便捷的农机化作业将成为主流；二是随着物联网、大数据、人工智能等现代信息技术与传统农业的深度融合，日光温室智能化管理将是设施农业发展的主要动力。

1.2 日光温室发展的难题与瓶颈

我国日光温室虽然有了长足发展，但也存在着难题与瓶颈。主要是农户日光温室装备发展滞后，现有设备比较简易，环境控制能力差，机械化、自动化程度低，仅有汽柴油动力型微耕机和卷帘机等适应性较差的传统设备，缺乏适用先进的操控设备；大部分作业依靠人工进行，日光温室每年仅铺卷棚膜、卷放棉帘、灌溉通风、间苗收运等项人工费就需60 000余元·hm-2，劳动强度大，生产效率低，难以实现标准化、规范化生产。因此，日光温室装备水平较低、影响发展的瓶颈亟待解决。

1.3 日光温室开发应用农业物联网技术设备的必要性

（1）破解日光温室发展的瓶颈，实现对日光温室农业各要素的“全面感知、可靠传输以及智能处理”，提高资源利用率和劳动生产率，为日光温室优质安全果蔬生产，提供相对可控及最适宜的温度、湿度、光照、水肥等环境条件，进而达到高产、高效、优质、生态、安全的目标[1]。

（2）农业物联网技术应用成本较高，在低利润、低效益的露地传统农业中尚难推广，但在效益较高且环境封闭的日光温室中开发应用，则会有相应的市场。

2 日光温室应用农业物联网设备的需求分析

2.1 日光温室现有设备现状分析

日光温室现有设备主要是：（1）微耕机。6.5马力微耕机3 200元·台-1（含旋耕机），配套机具后置，较笨重，作业质量差，并难达温室边角；且以汽油机和柴油机为动力，尾气排放对人体、蔬菜有害，研究已显示，汽车尾气污染区鲜蔬菜中铅的质量分数平均值为0.114 mg·kg-1，比对照区高0.033 mg·kg-1，食用易损害人体健康[2]；（2）卷帘机。由电动机与减速器组成，动力多为1～1.5 kW，1 700元·台-1，需人工开合电闸操控，卷放各需10余min，冬季露天现场操控较辛苦，劳动强度大，工效低；（3）灌溉设备。普通管灌阀门或滴灌阀门，550元·套-1，人工操作；（4）二氧化碳发生器。多为较便捷的电加热型，900元·台-1，果菜类日光温室应用较多；（5）补光灯。多以对光合作用贡献最大的红蓝光进行组合，现用LED灯较多，照射面积25 m2、60 W的灯75元·个-1，果菜、叶菜于寡照期应用较多。

2.2 日光温室需用农业物联网设备的技术要求

目前，农户日光温室急需应用节能、环保、高效的农业物联网技术设备，其技术要求为：（1）日光温室外部的卷帘机，率先实现智能监控、多栋监控和无线远程遥控；（2）日光温室灌溉设备，实现智能多栋监控和无线远程遥控；（3）温室内必需的智能化耕、种、运设备——主机以对人、菜无害的清洁能源为动力，以工作阻力最大的旋耕作业为准来确定功率；配套机具要通过快速更换不同作业部件而达到一体化，通过智能导航来便捷地完成直线行走的旋耕起垄、蔬菜播种、纵向运输三项作业；（4）对日光温室内主环境的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度，实现无线智能监测[3]，并与通风天窗、保温帘、补光灯、二氧化碳发生器联动，进行物联网型无线智能监控[4]；（5）要配套农民会用、简捷方便、兼具联网通讯与智能自控功能的农业物联网设备专用智能手机，全程掌控上述农业物联网技术设备。

2.3 日光温室需用农业物联网设备的价格取向

上述农业物联网技术设备，根据农户日光温室的经营效益、农民的经济接受能力、现有同类产品的价位，确定合理可行的价格取向。卷帘机智能监控系统价位，参照现有同类产品价位（628元·套-1），不能超过卷帘机价位（1 700元·台-1）的35%，即595元·套-1。温室智能灌溉系统，参照现有同类产品价位，即805元·套-1。便捷高效地完成直线行走的智能化耕、种、运一体化设备价位，要参照现有同类产品价位：主机不能超过微耕机价位，3 200元·台-1；配套蔬菜播种部件不能超过微耕机播种部件价位，350元·套-1；配套起垄打埂部件不能超过微耕机起垄器价位，400元·套-1；纵向运输部件不能超过微耕机带运输拖斗价位，780元·台-1；各项设备合计，共4 730元·套-1。日光温室内主环境智能监测传感器价位，要參照现有同类传感器的价位来确定：无线温湿度传感器为370元·台-1，无线光照强度传感器为320元·台-1，无线二氧化碳浓度传感器为240元·台-1，各项合计930元·套-1。上述兼具联网通讯与智能自控功能的农业物联网设备专用智能手机，要参照现有同类智能手机的价位来确定，为500元·台-1。上述农业物联网技术设备，每套总价为7 560元。

2.4 日光温室需用农业物联网设备数量及市场份额预测

目前，我国农户日光温室已推广86.67万hm2，其中北方达69.33万hm2（天津达2.67万hm2）。经过试验、示范、推广，可首先使北方10%的农户日光温室应用上述农业物联网技术设备[5]，则可推广104万套，销售额可达78.6亿元，利润总额（利润率按20%计）可达15.7亿元。

国内大型连栋温室的同类智能监控设备价格高达4万元·套-1左右，日光温室农户根本用不起，故其难以占有农户日光温室设备的市场份额。现拟开发应用的农业物联网技术设备，仅7 560元·套-1，日光温室农户用得起、用得了、用得好，大约能占有农户日光温室同类设备40%的市场份额。

3 相应农业物联网设备研发的技术定位

3.1 相应农业物联网设备研发技术定位的原则

相应农业物联网设备研发的技术定位，坚持以下原则：应用独有的智能模块技术，使他人不可仿制，以延长应用推广期[6]；应用移动物联网技术，相关设备实现“无线化”和“移动化”，方便操作[7]；将智能机电设备与智能监控设备，看成农业物联网技术设备的一个整体来设计[8]；应用清洁无害的能源和材料，应用成熟的耕、种、运农机部件，坚持农民便捷操作的人性化设计；精选材料、设备和工艺，主件自主研发，配件精选，极力降低成本，使设备价格易于农户接受。

3.2 卷帘机无线监控系统

自主研发“卷帘机无线监控系统”，基于无线组网遥控，便捷高效，节能环保[9]。

3.3 无线电动导航微型耕、种、运一体机

自主研发“无线电动导航微型耕、种、运一体机”，主机参照耕宽960 mm、功率2.02 kW、方便作业的“前置式欧美型四驱微耕机”关键技术参数（表1），自主研发或选用适宜的2 kW直流无刷电摩低速电机1台、48 V 20 AH锂电池2组，实现清洁能源动力和无线操控，并加配无极变速、转向装置与机架；自主研发微型摄像导航器，使设备自行调整转向而直线行走（人可离机辅控）；应用成熟的旋耕机部件、起垄器部件、播种器部件、微型拖斗部件，以通用传动轴来快速更换不同作业部件。

3.4 日光温室内主环境无线监测系统

自主研发“农户日光温室内主环境无线监测系统”的相关设备，分别定位为：

（1）无线温湿度传感器。温室内蔬菜生长，对于空气相对湿度，白天要求维持在50%～60%，夜间在80%～90%，据此设计传感器空气相对湿度的监测量度和精度。温室内各种蔬菜生长对于温度有不同的要求：辣椒，喜高温，发芽的温度是30～45 ℃，生长适宜温度为白天26～30 ℃、夜间18～22 ℃；芹菜，喜冷凉，所要求的生长温度白天为20～22 ℃，夜间为15～18 ℃；据此设计传感器温度的监测量度和精度；

（2）无线光照强度传感器。温室内蔬菜生长，光合作用主要利用400～500 nm的蓝紫光、600～700 nm的红橙光以及少量700～800 nm的远红外光。番茄、黄瓜、辣椒的光补偿点分别为3 000，2 000，1 500 Lx，光饱和点分别为70 000，55 000，30 000 Lx。据此设计传感器光照强度的监测量度和精度；

（3）无线二氧化碳浓度传感器。温室内蔬菜光合作用的主要原料是二氧化碳，温室蔬菜在光照充足、温度适宜的条件下，常因二氧化碳不足影响产量。温室蔬菜生长期所需二氧化碳饱和浓度一般为1 964 mg·m-3。据此设计传感器二氧化碳浓度的监测量度和精度。

3.5 配套兼具联网通讯与智能自控功能的农业物联网设备专用智能手机

配套兼具联网通讯与智能自控功能的农业物联网设备专用智能手机，定位是：能无线智能遥控上述农业物联网技术设备，兼具联网和手机通讯功能，农民便于操作与携带[10-12]。

4 应用推广途径与模式

4.1 组建020型（线下体验、线上营销）应用推广专营公司

运用产、研、推相结合的模式，以技术、资金、产品入股，共同组建020型（线下体验、线上营销）应用推广专营公司，专门在我国北方农户日光温室中示范、应用、推广农业物联网技术设备。

4.2 开辟日光温室应用推广主战场

应用与推广，必须盯紧北方69.33万hm2农户日光温室，视其为重中之重，坚持由近及远、由小到大、由多到少，深入北方（由京津辐射）农户日光温室，进行演示、示范、培训、服务，全方位应用推广。

4.3 开辟“智慧农业”类项目辅战场

应用与推广，还应在农业科技示范园、现代农庄中寻求“智慧农业”类项目，诸如天津市武清区豆张庄镇与威豪集团合作、总投资5亿元、占地146.67 hm2的智慧农业生态园项目等，都应进行开辟与推广。

5 投入产出及效益分析

5.1 投入原则及额度