日光温室环境控制系统应用推广

金 娟

（北京市数字农业农村促进中心，北京 100101）

0 引言

“十三五”期间，北京市先后印发了《关于推进“互联网+农业”的实施意见》《北京市乡村振兴战略规划（2018−2022）》和《关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的实施方案》等文件，将数字农业列为全市农业领域重点工作，提出农业生产智能化水平要大幅提升，核心技术、智能装备研发与集成应用取得重大突破，适宜农业、方便农民的轻简化、“傻瓜”式信息技术得到大面积推广应用，中试和熟化一批农业物联网关键技术、智能装备和解决方案，推广一批节本增效农业物联网应用模式，提高农业产出率、劳动生产率、资源利用率[1-2]。

结合实际，北京市积极整合涉农资源，利用移动互联网、农业物联网及云计算技术，实现日光温室中各类硬件、设备的智能化控制，提升控制端的精准性、易用性；同时开发智能操控软件，并优化调控策略，让农民会使用、放心用。

1 日光温室环境控制系统

如图1 所示，温室环境智能集成控制技术体系由物联网环境感知系统、温室智能控制终端、信号传输网络、温室智能硬件装备、远程控制平台5 部分组成。物联网环境感知系统实时采集温室环境数据，是整个系统的感知层；温室智能控制终端是系统的大脑，负责接收物联网环境感知系统实时传送的环境信息，并根据技术人员的指令或者预设的策略，向温室中各个硬件装备发送控制指令，同时监测其工作状态和完成程度；远程控制平台分为电脑端和手机端，技术人员可以应用该平台实时查看并控制各个装备，并可以预设控制策略让整个系统自主运行[3-4]。

图1 温室环境智能集成控制系统结构Fig. 1 Structure of greenhouse environment intelligent integrated control system

1.1 农业通用智能硬件接入与控制平台

针对目前农业智能硬件控制软件专用性强、可开发性低、升级成本高等问题，开发了农业硬件专用服务系统−农业通用智能硬件接入与控制平台。该平台通过多种协议智能解析，形成通用接口，实现多厂家、多功能、多类型的农业智能硬件设备接入，形成企业内部的智能控制网络。根据不同智能控制设备开发相应的控制策略，直接使用微信就可以实现不同设备的远程智能控制。操作简便，农民容易接受、愿意使用。通用、简单的传输接口，帮助实现该平台采集的智能硬件设备数据以及控制功能，并可以与农场云等业务平台无缝对接，农业通用智能硬件接入与控制平台显示界面如图2 所示。

图2 农业通用智能硬件接入与控制平台Fig. 2 Agricultural general intelligent hardware access and control platform

1.2 环境感知设备

环境感知设备像整个体系的“感官”系统，是实现温室环境智能控制的数据基础和来源，包括新型太阳能可移动温室环境传感器、农业生产图像自动采集设备、手持式多功能农业智能检测分析设备、农业气象监测站。为了适应椰糠基质栽培模式，基质槽内部署了基质含水量传感器、基质温湿度计等设备[5-7]。

1.3 智能控制终端

温室智能控制终端是整个体系的大脑和神经中枢，负责接收物联网环境感知系统的各类环境信息，同时对温室内各个硬件装备进行电路管理、控制命令发送、工作状态监测，并可以无线连接云端WEB、手机APP、遥控器，远程控制温室内所有设备。一个设备便可将所有温室执行设备有机联结到一起，为农作物创造一个最适宜的生长环境，达到优质、高产、高效的效果。

智能控制终端采用一体化设计，可以实现多路控制、语音控制、自动升级。同时，终端自带20.32 cm（8 寸）液晶显示屏，机身采用ABS 工程塑料，机身全封闭，机内不裸露线缆，避免人体触碰，更安全。短路保护、过流保护；触屏操控，简捷高效，故障反馈，可追溯操作。配套陀螺仪与急停设备，避免保温被上下卷有危险；语音唤醒后屏幕点亮，人脸识别后才可操控配电柜，预防无关人士随意操控温室设备。

1.4 日光温室的智能硬件

部署于日光温室的智能硬件是整个环境智能控制系统的“四肢”，负责最终实现智能控制，温室内外设备分别如图3 和图4 所示。智能硬件包括卷膜和卷被智控模块、水肥一体化模块、温室增温降温模块、空气循环系统、湿帘风机控制模块、空间电场除雾控制模块等[8]。

图3 日光温室内设备部署Fig. 3 Deployment of equipment inside solar greenhouse

图4 日光温室外设备部署Fig. 4 Deployment of equipment outside solar greenhouse

2 存在的问题

目前，温室智能控制技术体系在设施种植推广应用中仍然存在不少问题，总结来看有以下3 个方面。

2.1 投入产出不匹配

温室智能控制技术体系推广最大的障碍在于投入产出比低，经济性不强。相较于温室单产收益，智能控制装备价格高昂；同时，智能设备的实际价值未充分体现。当前，农业物联网应用还处于温室环境感知层面，只有卷膜卷帘、灌溉等少数环节的应用相对成熟，物联网技术应用率还较低，导致对温室环境控制和设备操作无法实现远程自动控制，耗费人工较大，生产标准化程度低[9-10]。

2.2 管理模式不匹配

经营主体的管理模式导致其对于农业物联网的接受程度不同，因而温室智能控制的推广难易程度并不同。经营主体有多种类型，大致分为农户、家庭农场、农民合作社、企业管理（大/中型）。经营者和家庭农场直接经营属于个体经营模式，其生产销售一体化，对于温室智能控制接受程度低，适合功能简单、可产生直接经济效应的产品，如卷膜卷帘等。在企业管理的模式下，其生产、经营流程相对完善，具有一定的规模，适合推广功能完备的温室智能控制终端，如水肥一体化设备等。因此，温室控制技术体系推广需要与农场管理模式相匹配，不同的经营管理模式，应构建不同的服务模式[11]。

2.3 技术标准不匹配

目前，国内缺乏完整的农业物联网技术标准体系，自动卷帘、施肥灌溉等常用的物联网设备来自不同厂家和品牌，接口和数据传输协议存在明显差异，使得数据分享和服务协同变得异常困难，这种异构性使得物联网难于实现广泛的集成应用，可靠性也难以保证。同时，上层应用系统的开发也没有统一模式接口，无法实现互联共享。

3 日光温室环境控制系统创新点

3.1 技术创新

应用物联网、云计算、传感、人工智能等多种信息技术，通过技术创新和集成创新，示范了新型智能控制设备，并改造了传统温室硬件设备，实现了不同型号不同厂家的各类硬件装备串联成线、统一控制和应用，进而实现了温室环境数据采集、分析、控制一体化应用，日光温室环境控制系统的技术体系及软件功能模块的运转充分体现了信息技术与农艺技术有效融合的特点，促进了农业与信息化的同步发展[12]。

3.2 模式创新

日光温室环境控制系统充分考虑了农机、农艺、与信息化融合应用原则，为今后高标准的智能日光温室建设提供了参考标准和建设模型，在技术方案和设备示范上，坚持问题导向，针对农业物联网应用的问题和不足，瞄准农民真正需求，着力攻坚关键环节技术难关，形成了可复制、可推广的建设模式。

3.3 机制创新

通过与农业技术推广、农业信息化部门间的深度合作，建立了各有分工、资源共享、优势互补、科技联合、共同推进项目的管理机制，为项目实施中设备研发、技术方案设计、效果验证、系统试运行与功能完善等关键环节打下了坚实基础，强调信息化的支撑和服务作用，改变了以往信息化单打独斗、闭门造车的项目实施机制[13]。

4 建议

结合近年来推广实践和经验，对北京市农业物联网推广提出以下建议。

（1）结合北京市农业产业特点，加强农业物联网关键核心技术和共性技术的研究，进一步提升农业物联网设备的适用性、可靠性和智能化，同时降低成本。充分发挥北京市科研力量，逐步形成政府引导、科研单位支持、企业主体及生产主体参与的科技支撑体系，促进科研要素向企业集聚，培育一批数字农业领域创新型企业。

（2）目前，农业物联网技术在农业生产环境监测领域已经较为成熟，但是灌溉、通风、降温等智能装备应用率较低，尚未形成“感知−决策−控制”的应用“闭环”，限制了农业物联网应用效益[14]。控制模型和底层控制精度是实现闭环的关键性因素，这依赖于精准的农业感知、智能化的数据模型学习技术。

（3）以需求为导向，分层分级制定农业物联网应用技术方案，以满足不同规模、不同经营模式的需求。农业物联网技术的深度应用需要具备一定规模的集约化生产模式的支撑，以小规模单一农户种植为主的设施蔬菜种植对农业物联网技术整体解决方案的需求并不强烈。在实践应用中，以单一应用场景建设解决农场实际需求，再寻求场景的整合应用。

5 结束语

数字农业是新时期农业的主要形态和典型特征，是用现代工业生产的组织方式、管理理念和先进技术发展现代农业而形成的一种新的农业业态。农业物联网技术是实现农业生产、经营、管理、服务的在线化和数据化的重要技术方式，是数字农业发展的必要支撑。“十四五”期间，农业物联网技术的研究推广必将成为北京市数字农业发展重要方向。