高架草莓物联网栽培模式应用研究

周子君 刘小波 叶志婵 李淮源，3 羊海军,3

（1.金华易诚农业科技有限公司 浙江磐安322300；2.华南农业大学基础实验与实践训练中心 广东广州510642；3.植物生物学基础国家级实验教学示范中心（华南农业大学） 广东广州510642）

草莓（Fragaria×ananassaDuch.）是蔷薇科多年生草本植物，果实鲜嫩可口，富含维生素C、糖类、氨基酸、膳食纤维等营养物质，以及多种微量元素和功能性活性成分，享有“水果皇后”的美誉[1-3]。近20 年来，我国草莓产业发展迅速, 已跃居世界第一生产大国，在华东、华北、东北等多个省份实现规模化种植，区域格局逐步优化，新品种、新技术、新模式的推广应用水平日益增强[4-5]。然而，我国草莓生产过程中也存在较多问题，比如田间管理粗放、病虫害防治用药不规范、设施化栽培规模较小、机械化自动化技术应用不足等[5-6]。随着物联网技术与装备制造技术的快速发展，各类环境数据采集传感器和自动化设备控制器的集成应用成本已显著降低，结合连栋大棚和水肥一体化技术，为农业基层构建经济型草莓农业物联网提供了有利条件。

浙江是最早开展草莓规模化、设施化栽培的省份之一，培育了一系列著名草莓品牌，为新农村建设提供了重要借鉴。磐安县位于浙江省中部，自然生态环境优越，境内春季回暖迟，秋季降温早，年平均气温为13.9～17.4℃，年有效积温4 255～5 534℃，其水热气候条件很适合草莓的种植。在乡村振兴战略的引导下，2018 年该县双峰乡大皿村首次引进物联网农业项目，重点发展设施草莓特色产业，对红颜、红玉、越心、粉玉、白雪等多个品种进行引种试验。初步研究表明，基于物联网的栽培管理模式，符合当前农村发展新型农业产业的需要，能有效促进城乡互动，并为多角色共同参与创建了交流平台和沟通机制。本研究侧重介绍农业物联网的简约建设方案及其在高架草莓栽培中的应用效益，以期为今后基层农业发展提供参考。

1 草莓农业物联网的架构

面向基层农业服务的物联网，需重视成本控制和性能实用化。本研究采取简约原则进行“田间—云端服务器—个人用户” 三位一体的草莓农业物联网架构（附图）。在田间，安装各类传感器、电动设施，以及电路控制开关，经由GPRS 无线网关，完成田间环境参数采集与传送，实现农耕功能模块有效运行；在云服务器上，配置信息管理系统，对田间实时监测数据进行记录、保存和利用，并根据设定阈值实施决策反馈；在用户终端，使用者利用浏览器或APP 调取系统界面，进行信息查阅和远程操控，突破时空束缚，增强即时效应，达成信息化农事管理目的。该构建方案，充分利用云服务，可以大幅缩减田间设施设备投入和运维成本，使得基层农业农村部门 （企业或人员） 无需具备专门计算机相关专业技术知识即可有效运用，有利于推广普及。

附图 草莓农业物联网架构

2 草莓农业物联网的搭建

2.1 云服务系统的选择

云服务器（Elastic Compute Service, ECS）是云计算服务的重要组成部分，整合了传统意义上的互联网应用三大核心要素——计算、存储、网络，可面向各类互联网用户提供安全高效、稳定可靠、具弹性伸缩处理能力的计算服务。在使用云服务系统时，用户无需购置相关硬件设备，降低维护压力，从而能更加集中精力和资源专注于自身的核心业务，例如草莓的栽培与管理。目前，国内致力于云计算机服务器的厂商有很多，比较著名的如阿里云、腾讯云、华为云等。在选购云服务时，农业用户应明确自身需求和价格预期，尽可能选择性能稳定、行业口碑好的品牌服务。由于云服务在物联网系统中属于网络层，与网关密切关联，而网关的提供商通常有其应用偏好，因此需要加强沟通，深入了解目标产品的应用环境。

2.2 GPRS 无线网关

GPRS 就是通用无线分组业务 （General Packet Radio Service），它是一种基于GSM 系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP 连接，具有实时在线、流量计费、快捷登录、高速传输等优点，便于田间数据的无线传输，空间限制少，架设灵活，成本低。所用GPRS 无线网关必须能够稳定传输数据，且拥有较强的防护性能，确保从田间数据采集、传输到云服务器，再反馈到移动终端和电控系统的整个过程运行顺畅。通常，一个网关最多可以并联16 个传感器。大棚内网关的装配数量与监测点数目和传感器编组情况密切相关。网关内设定了静态IP 地址，对接指定的云服务器，其地址的变更将影响数据的定向传输及物联网的正常运行。

2.3 传感器

农用传感器通常安装在温室大棚内，所处环境空气湿度相对较大，同时容易受到水肥、农药，甚至生物代谢产物的侵扰，宜选购抗老化、耐腐蚀、防护等级IP65 以上的产品。草莓喜欢温凉气候，地上部分和地下部分对温度的适应性存在差异，不同生长阶段对水肥、温度、光照等外部条件也有不同需求。在大棚里，空气流通受阻，棚温受日照作用容易快速上升，形成热胁迫逆境，严重影响草莓的缓苗、生长、花芽分化、授粉受精等生理代谢活动。需要注意的是，光照受天气、区位地形及周边植被等影响明显，光照补足易导致草莓光合减弱和体内生长素代谢失调，影响开花坐果。因此，为了给草莓营造良好的生长环境，在水肥一体化的栽培模式下，结合生产实际，本研究认为空气温湿度传感器、栽培基质温湿度传感器、光辐射传感器这3 种传感器应优先配置，实时监测相关环境参数，并传送给信息系统，触发决策响应，便于自动或远程操控相应功能模块运行。在采用优质水溶肥和标准化作业的情况下，椰糠无土栽培基质的pH 和EC 值呈现出稳态性规律变化，因此酸碱度传感器、电导率传感器等可在条件充裕的情况下选择使用，充实数据库，为施肥次数、施肥时间调整提供可视化依据。在南方地区，低温胁迫压力相对较小，覆膜保温时段相对较短，结合日间高温时段的通风透气，棚内二氧化碳浓度通常维持在一个较高水平，能较好满足草莓的光合固碳需要，因而二氧化碳传感器可作为最后备选。

2.4 电动设施与远程控制

提高草莓温室大棚栽培管理的自动化和智能化水平，需要装配多种电动设施，如滴灌系统、补光系统、通风系统等。各功能模块的有序协调运行，是确保草莓健康生长和丰产丰收的农艺基础。在物联网的框架里，这些常规的电动设施可经由连接GPRS 无线网关的电磁阀数控开关实现编组物联，进而允许农技人员实施远程操控，或在设定策略程序下执行自动作业。这将大大降低人工消耗，提高栽培管理的时效和成效，使有限的人力更多地分配到草莓的疏叶、疏花、疏果及病虫害防控等核心工作中。

2.5 信息管理系统

作为物联网的大脑，信息管理系统担负信息处理和决策实施的职能。目前，物联网硬件供应商通常提供配套的通用型基本款信息管理系统，为用户提供信息浏览、远程控制、数据下载等常规服务，同时也开放网络数据交互接口API，允许用户进行二次开发，适合规模型农业企业的个性化应用。因此，用户可根据自身定位和投入承受能力，选择对应的信息管理系统应用模式。

3 草莓物联网应用效益分析

本项研究中，5 个草莓品种均采用单层H 型高架种植，架高90 cm，植株间距20 cm。栽培基质为国产椰糠，营养液采用瑞士产安诺瑞草莓专用水溶肥，pH保持在6.5～7.2。草莓定植当天浇定根水，之后每天用清水滴灌2 次，每次15 min，促进新根形成。缓苗以后，营养生长期用生长肥（N20、P10、K20），开花期用钙镁肥（N15、P5、K15），结果期交替施用钙镁肥和高钾肥（N15、P10、K30）。肥料配置浓度前期为1 000 倍，后期为800 倍。在此过程中，做好环境卫生和病虫害防控。结果表明，5 个供试草莓品种总体上都能适应物联网高架栽培模式，品种间存在差异（附表）。越心和红颜的种苗通常较粗壮，根系相对发达，缓苗时间短，成活率高，可作为磐安地区的主栽品种；白雪、粉玉等新品种因其特色新奇突出，在优化种苗和改善栽培管理的基础上，也可适量推广。基于物联网高架栽培模式，草莓的耕作趋向便捷和远程化，劳动力投入大幅下调，用肥施药更加精准，使草莓的产量和品质都得到有效提高。

附表 不同品种栽培特性比较

4 小结

农业企业是基层农业对物联网集成应用的主体，使其在草莓设施栽培中的应用将越来越普及。性价比高的实用性传感设备、基于智能手机终端的简明图形化界面、良好的售后服务体系等是基层农业关注的焦点。在物联网的框架内，多角色远程协作机制能较好地克服时空制约，显示出更强的时效性、适用性和经济性，对发展乡村农业现代化具有促进作用。