浅谈物联网技术在草莓无土栽培中的应用

吴小李 吴竹 李宏亚 张中华*

（1 上海华维可控农业科技集团股份有限公司，上海 201505；2上海节水灌溉工程技术研究中心，上海 201505） *为通信作者

草莓含有多种氨基酸、微量元素、维生素等，具有调节人体免疫功能、增强人体免疫力的作用，是我国消费者较为喜爱的水果之一[1]，目前在我国山东、辽宁、北京、河北、安徽、四川等地的中性土和微酸性土中均有种植。

草莓传统种植技术对土壤、温度等环境因素的要求较高，无法重茬种植，且容易造成土壤养分流失，而当前草莓的市场需求日益增加，故无土栽培成为草莓产业的发展趋势[2]。无土栽培技术（Soilfree cultivation technology）是智能温室中常用的一种生产栽培技术，该技术集生产、技术推广应用、观光等功能于一体，综合应用了现代农业生产技术，集成应用了先进的农业装备（智能玻璃温室、无土栽培系统、智慧水肥一体化系统、物联网系统等），故该技术有助于提高农作物产量，降低病虫害发生概率，保障农产品安全，实现农产品绿色生产，增加经济收益[3]。

物联网（The Internet of Things，IOT）可通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等，实时采集声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种信息，并通过网络实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理[4]。

近年来，随着我国经济的高速发展，农作物种植过程中的精准管理、智能化应用水平不断提高，将物联网技术与无土栽培技术相结合成为现代农业发展的必然趋势。在此背景下，笔者在浙江省嘉兴市嘉善县魏塘基地进行了物联网技术在草莓无土栽培中的应用，最终取得了较好的应用效果。现将相关技术构成和应用效果进行总结介绍，以供广大种植户参考借鉴。

1 物联网技术在草莓无土栽培上应用的技术构成

1.1 农抬头智慧农业云平台

农抬头智慧农业云平台是一个基于云平台技术，集智能感知、控制、执行于一体的综合管理平台。该平台采用“5+N”的系统架构（即一套网、一张图、一个中心、一个平台、一个门户和N 个应用），将整个园区的信息集中到一张图上展示、分析和控制，实现统一管理和统一控制[5]。

农抬头智慧农业云平台可提供的服务包括：（1）开发并支持融入多种类型的联网硬件设备。（2）让客户可以便捷、高效、低成本地使用物联网设备，且保密性强。（3）提供端到端（end-to-end）的整体解决思路，包括从硬件到APP 端及上云服务。（4）系统在感知端通过农抬头物联网网关与具体传感器[空气温度（湿度），土壤温度（湿度），二氧化碳，照片、视频等]通信连接，具体连接方式可选有线、无线（ZigBee、LORA、NB-IOT、WiFi、蓝牙）等方式。（5）通过农抬头智能传感采集中间件，系统可以同时与若干个物联网网关相连，并通过加密传输方式，将采集的各区域传感器数据上传到平台并储存。

用户通过农抬头智慧农业云平台，不仅可以实时查看园区内的环境数据，还可以远程遥控园区内的设备开关。具体操作流程为：当平台接收到控制指令时，指令会汇集至农抬头控制端路由系统，由路由系统查询到被控端的具体位置，同时向远程控制系统发送具体控制指令，最终农抬头远程控制系统将控制指令分发至各区域的智能控制设备，然后指令进入实际执行端。执行端由具体执行设备和智能控制模块组成，当执行端接收到具体控制指令时，先由智能控制中间件将指令下发至目标智能控制模块，然后由控制模块驱动目标设备做出相应的动作，最终完成一整套智能控制流程。

1.2 农业数字化功能软件系统

农业数字化功能软件系统负责整个项目数据的汇总、计算、分析、处理、显示、存储，同时负责下达指令、人机交互、监管系统运行状态、处理应急响应等，其中，基础云平台是整个农业数字化功能软件系统的核心。农业数字化功能软件系统通过整合并建设统一标准的应用服务系统，实现了信息和数据的共享，打通了数据链、信息链、业务链和管理链，发挥了信息系统的综合效益。农业数字化功能软件系统按照“技术体系统一、运行环境稳定、安全措施达标、数据大脑引领、服务门户唯一”的思路，运用云计算、大数据、物联网、新一代通信网络等技术构建平台，建设了具备智能感知、控制、执行端为一体的系统方案。

1.3 智慧传感器采集系统

智慧传感器采集系统运用新一代通信网络、云计算、图像识别、VR 等先进技术，实现了农作物种植生产数字化传输、存储、展示、分析等，减少了病虫害的发生，提升了农作物的产量与品质。同时，智慧传感器采集系统能全面了解无土栽培草莓的根系分布和植株生长情况，及时掌握水、肥、气、光、热、湿等环境数据。此外，智慧传感器可作为控制条件，当传感器数据达到预设值时，设备会自动开启或者关闭，开启时设备具有顺序选择功能（即可自定义优先开启某设备，然后开启某设备，直到所有设备全部开启）。

2 物联网技术在草莓无土栽培上的应用

2.1 基地概况

魏塘基地位于浙江省嘉兴市嘉善县魏塘街道双创园内（双创园面积为3.0×105m2），魏塘基地的数字化作物工厂分为两个区域，总面积为9 600 m2。为打造“设施+数字”的可控农业模式，让智慧农业从云端落到地头，双创园打造了可控农业“1+X”的产业集群，全力推动双创田园示范区建设。

2.2 品种选择

草莓品种选用易种植、抗病性强、果实品质优良、丰产的品种（如‘枥乙女’‘阿尔比’‘章姬’‘弥生姬’等）。草莓种植采用天瀑式无土栽培，具体栽培设施和材料包含栽培槽、升降系统、水肥一体化系统、专用基质等。

2.3 物联网技术的应用

2.3.1 环境信息的感知与传输

物联网的感知层由各种信息和数据采集层以及传感器设备组成，通过布设的传感器对无土栽培环境中的各项参数进行采集，并通过5G、Lora、蓝牙等无线或有线通信方式进行信息数据的传输。其中，信息和数据采集层通过温度（湿度）传感器、pH 感应器、营养浓度感应器、摄像头、红外线等传感器来感知和采集无土栽培设备中的温度、湿度、pH 以及营养液浓度，并将采集到的数据、视频或物理量转化为相关信息。另外，自组织传感器网络采用数字链路的编码、调制和解调技术来实现局域网内的传感器及传感器节点间的数据传输，并基于网络、流量管理、路由等技术，实现各节点间的自组织与协调互通[6]。

2.3.2 环境指标的调控

草莓在不同生长发育阶段需要不同的环境指标，故需要对温室的天窗、遮阳网、风机、湿帘、空气湿度、灌溉量等进行调控。农抬头智慧农业云平台可设定不同的环境指标控制方案。例如，当温度达到一定数值可开启或关闭保温棉；当湿度达到一定数值可打开或关闭天窗（或启动迷雾系统）；当光照强度达到一定数值可开启或关闭遮阳网等。同时，农抬头智慧农业云平台具备多种水肥一体化控制模式，有手动启动、定时启动、按条件启动、多因子启动等多种控制模式，种植技术员可根据现场条件及相关种植经验灵活选用。例如，日出前按顺序设定不同阀门进行自动灌溉；根据基质湿度传感器设定的上下阈值进行自动灌溉；根据太阳辐射累计量进行智慧灌溉等。且所有方案的启动和执行结果均以信息的方式通知技术人员，以便于技术人员进行管理和控制。

2.3.3 视频监控

通过布置的360°旋转高清监控摄像头及高清相机对种植现场进行监测，可实时对草莓的生长环境、植株长势、植保活动等情况进行查看，且相关视频可进行回看和导出保存。另外，在线视频监控系统可与温室环控调节、水肥一体化、农事管理、预警预报等系统相结合，在监控中心、PC 端或移动端即可实时查看生产现场的视频画面以及农机的运行状态。

2.3.4 数据收集、查询、分析

通过布设的传感器，可将各种数据传输到平台，并自动整理形成曲线或图表，供相关技术人员查询、诊断和分析（可根据需要，形成同一类型不同时期的曲线、同一区域不同要素的展示图表等，便于操作者查看和判断）。收集和查询的数据包括：（1）温室内外的小环境气候数据，包含空气温度（湿度）、光照强度、二氧化碳浓度、土壤温度（湿度）、营养液浓度和pH 等。（2）各种设备的开关状况、事件、报警信息及各种历史操作记录。

数据分析是基于以往存储的各类数据信息，对系统发出的报警、预警进行分析，提出相关解决方案，并以信息的方式通知种植管理人员。同时，筛选草莓在产量和品质较好生长情况下的环境数据、水肥配比等，依此为草莓生长模型研究提供依据。

2.4 应用效果

2.4.1 增加效益

在草莓生产上运用物联网技术和无土栽培技术，可为草莓生长提供可控的环境条件，从而减少外部环境元素的干预，减轻病虫害的发生。例如，草莓传统栽培经常有根腐病、炭疽病等发生，植株成活率一般在80%左右，而采用无土栽培后，病害发生程度明显下降，且种植密度较传统栽培提高了10%～20%，生态效益显著。同时，新型温室无土栽培技术在传统栽培的基础上，通过运用物联网技术，在草莓不同生长发育阶段提供了所需的水肥配方，创造了适宜草莓生长发育的环境，提高了草莓的产量和品质，获得了更高的经济效益。此外，在草莓生产上运用物联网技术和无土栽培技术，提高了草莓种植基地的信息化水平，社会效益显著提升。

2.4.2 节约成本

通过物联网技术的运用，草莓种植户可以通过手机APP 或PC 端查看各种环境数据，并通过设定的程序自动进行相关环境指标调控等，降低了劳动强度，减少了劳动投入，提高了生产效率，节约了成本。

2.4.3 推进农业绿色发展

在草莓生产上运用物联网技术和无土栽培技术，通过集成应用先进的农业装备，进一步释放了生产潜能，保障了草莓生产安全及产品质量安全，有利于推进农业绿色发展。

3 结束语

将物联网技术应用于草莓无土栽培中，不仅可以实现草莓生产的增产增量，缓解供需不平衡的问题，而且能解决劳动力的成本高和老龄化严重问题，适合草莓规模化种植的需要。未来随着我国信息技术的高速发展，物联网、大数据、云计算等先进技术将继续在农业场景中得到快速应用和示范，从而能进一步优化农业产业结构，加速产业转型升级，提高农业生产机械化、自动化、信息化、智能化、规模化、集约化水平，促进我国农业持续、高效发展。