“智慧农业”在辣椒种植中的应用

河南省农业遥感监测中心 韩建征

我国是世界农业大国，农业生产的重要性对我们来说不言而喻。随着科学技术的发展，中国农业的发展正在朝着“智慧农业”的方向发展，所谓“智慧农业”就是利用现代科学技术成果，集成农业物联网、5 G、人工智能、遥感、大数据等，实现农业可视化远程控制、远程诊断、灾害预警等智能化管理。

随着“智慧农业”的推进（见图1），我国辣椒产业也在快速发展，栽培技术不断提高，种植面积也越来越大。虽然辣椒种植面积位于蔬菜作物的第二位，但是其产值和效益仍高居蔬菜作物的第一位。目前，关于辣椒种植的研究主要集中在传统的辣椒种植技术等方面，而关于智慧农业相关管理技术在辣椒种植中的研究鲜有报道。为了更全面地了解“智慧农业”相关技术在辣椒种植过程中的应用，本文以河南省临颍县辣椒现代农业产业园（简称“产业园”）为例，产业园以辣椒为主导产业，辣椒种植总面积0.72万hm2，其中5 G智慧辣椒种植基地近0.13万hm2。本文详细介绍了“智慧农业”相关管理技术中物联网、5 G、人工智能、遥感、大数据等在产业园区辣椒种植过程中数据采集、计算、监测、传输以及定位等问题中的应用情况。

图1 智慧农业田间智能化管理场景

一、物联网在辣椒种植生产中的应用

（一）物联网的概念

物联网是指通过传感设备，实现物物之间相互联合的互联互通的网络，是互联网技术的延伸，被称为第三次信息技术革命。物联网技术可以将农业生态中的各种个体融为一体，具有对需要检测的农作物各个时期各种问题进行智能化识别、定位、跟踪、监控等功能。关于物联网在农业中的应用，宋艳等人详细介绍了物联网技术在农作物种植环境智能化管理、环境监控等方面的应用情况；李道亮等详细概述了农业物联网技术在物联网架构与标准化、农业信息感知技术、传输技术、处理技术等方面的研究进展以及农业物联网技术集成与应用。

（二）物联网在辣椒种植中的应用

由图2可知，辣椒在种植过程中环节比较复杂，由于传统的辣椒种植模式受种植条件的限制，需要消耗大量的人力、财力和物力。最主要的是，在人工种植过程中避免不了种植误差的存在。而物联网在辣椒种植过程中应用之后，在各个环节作业时能够实现精细化、智能化、高效化管理，能够将误差缩小到最低，大大提高辣椒的产量和品质，同时也提升了辣椒种植的经济效益。在此基础上也形成了以下几个控制系统：

图2 辣椒种植流程

1.自动化控制系统。在联动温室辣椒育种期间，通过物联网智能设备探头收集联动温室内环境温度、湿度、光照等环境因子参数，参考事先设定好的数值，一旦出现偏差系统就会自动启动水帘、风机、灯带等设备，从而改善联动温室内环境，将其控制在预先设定范围内。

2.水肥一体化管理系统。水肥一体化管理系统是将水和用肥有效结合起来的系统，它实现了辣椒种植过程中的肥水管理智能化控制，在辣椒种植过程中的幼苗期、始花期、盛花期、果实膨大期、成熟期等各个环节需要不同程度地补充氮肥、磷肥、钾肥、钙肥。在此期间，通过土壤监测仪、气象墒情监测仪、植物营养监测仪等物联网智能设备对每个环节中的的土壤、环境、水质、植物营养等数据进行实时监控和记录，通过比对事先设定好的各项元素含量参数，一旦监测数据出现变化，水肥一体化管理系统便会进行智能化控制启动补充。该系统相对于传统大水漫灌模式，实现了水肥管理的定时、定量、省时、省人工，大大提高了作业效率。使用水肥一体化管理系统可以节水80%以上，节肥50%以上，节省人工成本90%以上，每667 m2在水肥药成本上节省500元以上，大大减少了辣椒的种植成本。

3.田间“四情”监测系统。在辣椒以往的种植过程中，针对田间“四情”，一般都是采用经验进行管理，在病虫害防治、灌溉、用肥用药等方面都是以经验为主，缺乏科学的管理，从而造成用药和灌溉等环节投入成本较大。而引入多功能气象站、微型气象仪、智能虫情测报灯、土壤墒情检测仪等物联网监测设备后，通过对土壤含水量的测定、病虫害的区分预警、气候环境的监测、苗情的长势监控，做到了可以精确测算何时防范病虫害、何时用药、何时灌溉等。通过“四情”监测系统，使辣椒种植更有成效、更有产量、更有品质。

4.高清视频监控系统。在5G智慧辣椒种植基地内，通过对基地采用定点24 h实时监控和无人机定期全基地无死角监控。通过高清摄像头对基地内实时图片进行抓拍以及现场视频直播，利用视频图像和防盗周界电子围栏对非法闯入进行预警。同时，无人机也可以对基地内出现的病虫害及杂草进行识别，做好上述情况实时监测，一旦出现问题，将配合其他系统，实现农药定点定量喷洒。同时，该监控系统也可以与病虫害、墒情、作物长势情况等系统进行联动结合，采集到的相关数据上传大数据平台进行备份和智能化分析，实时对基地内的辣椒种植情况进行监控和预警。

5.质量溯源管理系统。随着居民消费水平的日益提高，人们越来越关注食品的质量问题，食品质量安全已成为政府和消费者关注的热点问题。物联网技术的应用能够实现辣椒“从农田到消费者”的全程可追溯信息化管理系统。这个系统以辣椒产品为主线，二维码技术为手段，可以对辣椒种植过程中的施肥、打药、采收、加工、流通、成品实行自动识别、记录和监控，实施全透明的管理，在生产中预防、发现和及时改正错误，事后也可以对产品进行追溯，清晰查询到产品的真伪、去向、存储、工序记录、生产者、质检者和生产日期等信息，进而分析出不良产品产生的原因。该系统建立“一批一码”，保证让消费者真正购买到放心的辣椒产品，确保食品质量安全。

二、5G在辣椒种植生产中的应用

（一）5G概述

5G是第五代移动通信技术，其主要优势就是提高了移动设备中数据的传输速率，减少了网络应用过程的延迟，总体网络环境速率相当于4 G的100倍。另外，它支持多接口连接设备，有效解决了农村偏远地方信号差、网络慢的情况。随着5 G时代的到来，我们农业的信息化建设迎来了进一步的发展机遇，进而衍生出了“智慧农业”，通过移动平台或电脑平台对农业生产过程各个环节进行全方位的控制。

（二）5G在辣椒种植中的应用

在辣椒传统的种植过程中，种植管理各个时期都要消耗大量的人力，并且种植效率有限。基地自从引入了5G技术后，大大提高了种植的实效性。在5G技术的帮助下，通过引入各种传感器，辣椒种植实现了远程监测土壤温湿度、远程在线采集土壤墒情、酸碱度、水分、气象信息等，实现了农田“四情”的实时自动预报、报警、水肥一体化控制系统自动决策、远程自动控制基地各种设备等功能，并且最终将数据反馈给技术人员，实现了辣椒种植的精细化管理，大大提高了辣椒种植的效率。在种植基地，每667 m2平均效益比传统种植提高了25%，做到了1人管理33.33 hm2辣椒地，有效节约了人工成本。

三、人工智能在辣椒种植生产中的应用

人工智能（AI）是一个以计算机学科为基础，多种学科交叉融合的一种用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的新的技术科学。AI技术已广泛应用于医疗、保险、教育等行业。目前，AI技术在农业中的应用也越来越广泛，关于人工智能在农业中应用，张治玲详细介绍了AI技术在作物灌溉、病虫害识别等方面的应用情况；刘双印等详细介绍了AI技术在农作物选种、土壤成分分析、农田灌溉用水分析、农作物采收等方面的应用。

（一）人工智能在机械化升级方面的应用

在机械化升级方面，通过引入人工智能辣椒喷洒植保机，采用无人驾驶技术，精准导航轨迹设定，在辣椒不同的生长周期可以进行除草、杀虫，喷洒自动控制。与传统的打药相比，每小时可以喷洒农药0.86 hm2，比传统打药的效率提高10倍，大大降低了人工成本，提高了作业效率。通过引进人工智能无人驾驶辣椒直播机，推广直播技术，有效免除了育苗环节，每667 m2在移栽环节可以节省200元以上，大大减少了人力投入，提高了种植效率。机械化直播每天可达4 hm2，同时地膜和滴灌带的铺设一次性完成，与原来的人工铺设相比，效率提高了80倍以上。

（二）人工智能在病虫害防治方面的应用

在病虫害防治方面，安装物联网太阳能杀虫灯、智能虫情警报灯、高清摄像头、植保拍照无人机等设备后，物联网设备自动完成虫情信息的数据、图像、植物体营养等信息的采集，并自动上传至云服务器，后台通过人工智能算法来分析和识别病虫害，为辣椒提供实时的病虫害识别和预警。人工智能配合其他技术应用到辣椒病虫害防治上之后，辣椒每季可减少施药50%以上，病虫害造成的损失减少70%以上。

四、遥感在辣椒种植生产中的应用

（一）遥感概述

随着中国航空航天技术的快速发展，北斗导航系统的建设完成，遥感技术在农业生产中得到越来越广泛的应用，并且技术已经比较成熟。尤其搭载了物联网技术、5G技术、大数据技术后，应用空间得到了极大的提升，在农业领域掀起了一场跨时代的变革。关于遥感技术在农业中的应用情况，张民详细介绍了遥感技术在农作物长势以及现代农业保险中的应用情况；刘红松详细介绍了遥感技术在农业调查、农业灾害、病虫害防治以及农作物估产方面的应用情况。

（二）遥感在辣椒种植中的应用

临颍县在辣椒种植过程中，通过在基地周边配置由多功能气象站、微型气象仪、摄像头、无人机等设备组成的监控网后，首先，能够对辣椒各个时期的长势情况进行实时、高效、精准监控；其次，可以对辣椒不同生长时期的生长环境进行实时监控，提前预防有可能出现的病虫害；再次，对气象灾害也可以做到提前预警，提前防范；最后，通过物联网系统把各个地块在地图上进行标注，通过GIS地图建立数字基地、数字农田，实时监测辣椒的种植面积，使相关技术人员更能直观地了解各区域情况，在此期间工作人员远程可以实时查看各地块情况，并不需要进入大田内，有效节约了巡逻时间。工作人员只需要点击GIS地图上的地块标识便可以实时了解该地块辣椒的长势情况。遥感技术应用到辣椒种植之后，与传统的种植相比，大大节省了时间、人力和资金投入成本，显著提高了辣椒种植技术水平和经济水平。

五、大数据在辣椒种植生产中的应用

（一）大数据的概述

随着科学技术的快速发展，大数据成为一种新兴事物，它不仅是新一代的信息技术，而且是一种新的服务业态。它主要通过信息感知技术、信息传输技术、信息应用技术三者有效结合，以集中汇总的方式进行分析和处理海量数据，让人们能更直观地对事物变化的趋势进行了解。近年，大数据在农业中的应用越来越广泛，高艳丽详细介绍了大数据技术在农作物选种、精细化种植、农产品质量溯源等方面的应用情况；蓝机满等人详细介绍了大数据与农业物联网系统中的数据采集入库、构建数据库、智能控制等方面相互协助的情况。

（二）大数据在辣椒种植中的应用

大数据在基地与物联网系统、5G技术、人工智能和遥感技术有机结合的背景下，通过对辣椒种植过程中往年记录的温度、湿度、光照等环境参数以及种植图片等农田信息进行挖掘，构建相关数学模型，分析影响辣椒种植过程的影响因素。在后期的种植生产中不仅能够将辣椒每个种植环节进行精细化管理，而且能够对辣椒各种病虫害、自然灾害进行有效预警和防治。

大数据最重要的作用是它具有决策能力和专家远程指导系统，在辣椒不同的生长阶段，用户可以选择专家有针对性地进行在线提问、上传图片等，提问或上传图片后，专家会在第一时间在线上回复用户的问题并进行用户指导，并且可以通过网络与用户进行面对面交流，有效解决了由于缺乏专业种植技术而造成的经济损失。

六、小结

综上所述，通过物联网、5 G、人工智能、遥感、大数据等技术在辣椒种植过程中有效结合，产业园实现了对辣椒种植生态环境数据实时监测、智能感知、智能调控和大数据分析，形成辣椒种植知识图谱，使辣椒种植达到了数据化、网络化、智能化管理，不仅促使产业园增产创收，而且提升了辣椒产业园的自动化、智能化和信息化水平，同时为辣椒加工、销售等管理环节的的信息化提供参考和推广作用。