智慧农业的综合解决方案

潘林杰，张 东

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

我国传统农业的两大特点是低廉的劳动力和丰富的自然资源[1]，但是，随着人力成本的不断提高和科技生产的不断进步，仅靠密集的劳动力已无法满足现代农业产业发展要求，亟需加快由传统农业向现代农业的转型速度，而智慧农业便是当前农业发展的主流趋势。依托互联网、大数据技术，可实现农业生产智能化、数字化、生态化，从而提升农业生产的经济价值。

1 国内外发展现状

我国是果蔬花卉的生产大国和消费大国，除粮食作物外，果蔬花卉是栽培面积较为广泛、经济价值较高的作物。在社会发展日新月异的今天，人们对于生活质量要求越来越高，食品安全问题已成为人们的热点话题，绿色有机食品的市场不断扩大，果蔬花卉的种植种类及规模均呈上升态势，且单亩产出也提高不少。2008年，全国果蔬花卉播种面积1 785.6万hm2，总产量逾59 240万t；2016年，全国果蔬花卉播种面积2 166.9万hm2，总产量逾80 005万t。果蔬花卉种植结构也发生了变化，由原有的以量取胜逐渐向效益导向转变。但与国外发达国家相比，总体上仍存在较大的差距，如智能化应用水平较低、大棚等基础配套落后、土壤和水污染严重、单位土地出产率较低、质量安全隐患突出、标准化体系不完善等。

以荷兰、日本等国为例，其采用专用设施栽培果蔬花卉，全自动或半自动专业设备的应用贯穿整个生产过程，从育种、播种到收获采摘高度实现专业化、机械化和集约化。同时，国外发达国家从土壤、水源、空气等多种角度考评农业环境等级，控制化肥、农药用量，节约土地和水资源使用。食品安全方面，美国和新西兰等国家从果蔬花卉种植到销售的各个环节都有明确的安全规定，生产者必须建立并提交相应的产品生产技术档案。十分注重产学研紧密结合，实用性的先进科研成果投入实际生产中，在生产中验证科研成果并完成改进，从而实现螺旋式发展。

2 社会价值

我国果蔬花卉产业总体发展态势良好，智慧农业的应用对于我国城市供给、果蔬花卉生产、保障人民生活和维护社会稳定具有重要应用和示范意义。

1）节能环保，建设绿色农业。通过物联网、云计算、人工智能以及系统集成技术建立一种环保、生态、资源节约型农业；通过精细化种植手段，降低对化肥和农药的依赖程度，减少环境污染；通过对土壤及作物的动态监测及先进浇灌技术，提升水资源的利用效率。

2）智能装备，提高生产率。互联网和城镇化的发展导致我国农业劳动力紧缺、劳动力老年化严重，利用计算机、移动互联网、自动化技术和智能装备等提高生产机械化和自动化水平，降低劳动强度，提高新技术应用水平，增加劳动产出效益。管理人员无论身在何地，都可远程掌握现场情况。

3）精细管理，促进标准化和规模化。对农业生产过程进行量化建模[2]，定期采集气象条件数据及农作物生长发育状况、病虫害、水肥状况的生长因子，构建作物生长模型，形成标准化种植方案，形成标准操作流程，建立疑难问题数据库，通过云计算辅助分析，实现辅助生产者作出决策，实现数字化农业生产和管理，同时方便规模化推广。

4）专业知识，增强生产保障。决定农业生产的因素往往有很多，如土壤、空气、天气变化、日照时间、作物品种、设备条件、技术措施等。农业生产系统表现为显著的时空变异性、较大的区域差异性和分散性，较低的稳定性和可控性，传统的生产管理以定性或半定量的经验知识为主。智慧农业可通过专家系统给予生产预警、知识检索和疑难会诊等措施保障生产。

5）全程追溯，保障食品安全。从种子培育直至最终采摘质检，实现产品的投入品、田间作业、加工和运输过程全程记录，确保可回溯查询。整个过程透明可视，消费者或监管部门能随时切入生产环节，了解生产情况，避免数据造假，提高公信力。

3 智慧农业物联网架构

智慧农业物联网架构可分为四层。第一层为感知层，第二层为传输层，第三层为应用层，第四层为用户层。网络体系结构如图1所示。

图1 网络体系结构Fig.1 Framework of the Internet of Things

1）感知层。通过光照传感器、土壤温湿度传感器、酸碱值传感器、二氧化碳浓度传感器、风速传感器、风向传感器、雨量传感器等来获取作物信息[3]。通过射频识别（Radio Fre-quency Identification，RFID）技术，实现非接触式自动识别。

2）传输层。传输层是整个物联网的中枢，可选择3G/4G网络、WiFi网络、Zigbee网络、Lora网络等多种网络实现对感知层获取的信息的传递和处理。

3）应用层。系统在应用层实现与用户的对接，与用户实际需求深度结合，从而实现智能农业系统的多种实际功能。

4）用户层。用户层是系统的使用人群，包括农业生产者、政府监管部门、远程专家、流通领域人员和消费者。

4 智慧农业综合解决方案

智慧农业综合解决方案主要由温室自动化控制系统、环境智慧感知系统、水肥一体化系统和种植专家系统四部分组成。系统结构如图2所示。

图2 系统结构Fig.2 System structure diagram

4.1 温室自动化控制系统

温室的自动化控制主要由两部分组成，第一部分是温室的自动化设备，包括通风系统、遮阳系统、降温系统和补光系统；第二部分是智能化中央控制系统，可以集成控制温室内所有自动化设备，实现远程智能化控制。

1）通风系统。温室工程室内外气体流动交换的过程，主要目的是调节温室工程内空气湿度、二氧化碳浓度、室内温度以及排出有害气体，达到最适宜温室内种植作物生长的环境条件。自然通风系统需安装电动卷膜机以控制温室天面及侧面窗口开合，同时布置风机进行强制通风。

2）遮阳系统。遮阳系统即起到遮挡阳光的作用，在夏季高温天气，一般可降低温室内温度7℃左右；冬季严寒天气中，遮阳系统由于自身保暖作用，可进一步降低能耗，减少升温所需能源使用，相比未安装遮阳系统的大棚，温度可提高6℃～7℃[4]。

3）降温系统。温室降温系统一般采用通风降温、遮阳降温（内遮阳、外遮阳、侧遮阳）、蒸发冷却降温（风机湿帘系统、喷雾系统）等方式[5]。

4）补光系统。采用荧光灯、高压钠灯等设备，根据作物生长光周期需要，一是抑制或促进花芽分化，人为介入，调节作物的开花时间；二是促进作物光合作用，促进作物生长，弥补太阳光照的不足。

5）智能化中央控制系统集成。智能化中央控制系统可实现现场的集中控制及远程控制和自动化控制，结合种植专家系统实现无人化植物工厂。

4.2 环境智慧感知系统

环境智慧感知系统主要是对种植环境的气象、土壤、水和作物长势等的信息自动感知和监测，实现数字化农业，已精准数字代替人工感受和经验。

1）室外自动气象站。通过气象监测设备，针对室外风速、风向、雨量、空气温度、空气湿度、光照强度、光照时间、大气压力、PM2.5等环境要素进行全天候现场监测[6]，同步上传平台记录，可实现实时曲线分析。

2）室内环境监测站。室内环境监测站主要采集温室内影响作物生产的环境因子数据，包括土壤及空气温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度等[7]，以及观察作物生长态势的视频系统。

3）病虫害监测。通过光、声、味等多种信号，对害虫进行引诱，利用电击等手段有效灭杀病虫。同时采集虫情数据，上传智慧平台，统计分析多年病虫害发生时间、种类、规模，从而实现事前警示预防，降低病虫害危害。

4.3 水肥一体化系统

水肥一体化系统是将浇灌用水与肥料混合后统一输送至作物根部的一种新型农业技术。根据不同作物不同时期的不同需求，可以设定实现自动配备不同比例及成分的混合水肥，按需补给，实现作物全生育期智能管理。

4.4 种植专家系统

种植专家系统将专家经验整理录入专家知识库，也可以通过数据挖掘等技术丰富和扩充种植知识库，知识库能存储大量的种植理论和实践知识。用户可以直接查询相关关键字获取知识，可以按系统生成的规则获取，还可以在线咨询专家。

5 结束语

智慧农业可以促进农业生产方式的转变，实现高效利用各类农业资源和改善环境的目标，更大程度地挖掘有限土地资源的农业潜力，同时全程追溯食品安全，确保生产过程环保节能，实现现代农业可持续发展。随着城市化程度的进一步提升，农业用地仍将呈现逐年递减的趋势，农业生产将会更加重视其产出效率，智慧农业逐渐将取代传统农业。