作者简介:柳 军(1984—),江苏南京人,助理研究员,硕士,研究方向为智能农业设施与装备研究,E-maill: nkyliu@163.com。
分析当前设施农业管控系统发展现状,从系统工程观点出发,针对现有系统在应用中的主要问题,对设施农业智能管控系统构建进行研究,通过采用信息技术、栽培技术、智能自动控制等技术,对设施环境因子、生长因子的实时监测、预警与调控,并远程传输至生产管理系统进行数据分析与诊断,创新一种设施蔬菜智能化栽培管理模式,并对今后的应用提出建议。
随着设施种植面积不断增加, 我国设施园艺经过30多年的发展, 形成不同地域特色的设施类型, 已成为世界设施面积最大的国家[1]。在设施栽培条件下, 小气候环境变化较大, 如何为蔬菜等作物生长提供最优环境是设施栽培管理的重点和难点问题。设施农业智能管控系统是提高作物产量和降低劳力成本的关键力量, 利用信息化和自动化技术, 进行环境、作物生长因子的实时监测、预警与调控, 创新设施作物栽培、环境因子调控、水肥气光药合理供给模式与装备, 可为设施种植产业的可持续发展提供科技支撑。
目前, 发达国家设施条件基本实现了机械化和自动化。尤其是环控部分, 可有效调节设施内温光水气等环境因素, 为作物生长提供最佳环境, 实现生产和经济的高效益[2]。而我国由于尚未实现环控自动化和生产环节的机械化, 从而导致劳动生产率低, 产量和质量及效益不高, 严重制约了设施园艺生产的发展。因此, 开展设施栽培管理模式创新与环境调控系统研究是提高我国设施园艺产品竞争力的战略选择。农业物联网技术作为现代农业最前沿的发展领域之一, 是目前发展农业信息化, 实现农业可持续发展的关键和核心技术[3], 而基于物联网技术的设施农业管控系统是今后智能农业发展的必然选择[4]。
农业物联网采用信息化的方式改造农业, 推动传统农业向现代农业的转型, 对提升农业生产的决策水平、提升自动化和管理水平起到关键性作用[5, 6, 7]。近年来, 在政府、企业、高校科研院所等机构的共同推进下, 技术研究和示范应用取得了一些成效, 积累了一些经验[8, 9, 10, 11], 但在实际生产中仍然存在着一些问题。设施大棚内的种植管理依赖于人工操作依然较多, 虽然国内生产设施环境智能调控设备的企业有很多, 但生产经营规模都较小, 从国外吸收引进的技术与产品仍需一定时间消化。国内农业科研院所相关专家在设施环境智能调控方面做的相关研究, 多偏重于基础理论与技术研究, 相关工作多以项目为主, 科研成果并未形成系列成熟产品而广泛应用。
虽然设施农业智能管控系统研究开发已经起步, 对存在着的一些问题和困难也取得了一些经验, 但落实到具体实施者, 则表现出对技术发展应用前景认识不足, 对使用该项系统的坚定持久性不足, 对发生的问题认识不清。实际应用中, 环境调控系统处于“ 只监不控” 的工作状态, 产品性能及使用流于形式; 设备管理系统中, 缺少针对性控制策略, 所有功能均是人为经验手动操作实现; 系统暂存的环境因子数据未能及时处理分析, 缺少不良趋势预警与专家诊断反馈调控功能, 造成系统调控滞后与实际农艺栽培技术融合性差; 缺乏复合应用管理人员, 大部分应用农业企业和合作社的管理人员, 对新型的基于物联网管理准备不足, 缺乏掌握基于物联网管理技术、农业技术等复合应用管理人员。综上所述, 构建清晰的设施环境智能管控系统, 实现基于物联网技术的设施栽培关键技术信息与环境因子融合, 远程监控与动态预警集成是迫切的。
根据目前设施智能管控系统存在的问题, 按照系统工程技术角度, 总体设计采用设施栽培农艺信息、环境因子、人为经验信息相融合的研究方法, 参照物联网应用体系[12, 13], 将采集与统计设施作物周年性栽培管理信息、环境因子、设施环境安全生产信息, 基于物联网技术将现场控制系统和远程管理系统相结合。针对智能环境调控系统工作原理和功能, 进行系统方案的详细设计, 进行设施改造与现有选型传感器、末端执行设备安装调试, 软件硬件系统集成研发, 进而将完成的环境调控系统安装、调试和试运行。通过设施现场各项环境因子参数的采集对比, 进行系统考核试验, 在此基础上完善系统设计, 提高调控准确性, 并进行可靠性试验, 形成定型产品。如图1所示, 系统整体设计分为设施监控系统, 设施现场管理系统, 安全生产管理门户3个部分。
3.2.1 设施监控系统
包含环境实时感知、装备管理、通信终端及传感网络建设。
环境实时感知。设施大棚环境信息感知单元由无线采集终端和各种环境信息传感器组成。环境信息传感器监测空气温湿度、光照强度、土壤水分温度、土壤pH值、CO2等多点环境参数, 通过无线采集终端, 以zigbee组网方式将采集数据传输至监控中心。
装备管理终端。设施环境智能调控单元由温湿度调控装备, 包括内遮阳、外遮阳、风机、湿帘水泵、顶部通风、电磁阀等设备, 以及水肥管理装备, 主要包括灌溉机组和变量施肥机, 测控模块、电磁阀、配电控制柜及安装附件组成, 通过安全可靠地总线方式与管理监控中心连接, 也可通过开放的OPC技术与其他装备管理系统连接。
通信终端及传感网络建设。设施大棚无线传感通信网络主要由设施大棚内部感知节点间的自组织网络建设和设施大棚间及设施大棚与现场管理系统中心的通信网络建设两部分组成。前者主要实现传感器数据的采集及传感器与执行控制器间的数据交互。设施大棚环境信息通过内部自组织网络在中继节点汇聚后, 将通过设施大棚间及设施大棚与现场管理系统中心的通信网络实现监控中心对各设施大棚环境信息的监控。
3.2.2 设施现场管理系统
包含数据处理融合部分和管理策略部分。数据处理融合部分指在设施监控系统交互过来的环境感知信息、调控设备工作状态信息进行有序存储、查询和初步逻辑处理; 管理策略则根据作物周年生长数据, 查找比对环境调控策略和水肥耦合调控策略, 根据传感器测量的各项参数值和系统预警信息, 确定水肥药合理供给策略, 通过控制水肥耦合式灌溉系统, 实现水肥精确智能管理; 对现场人为干预行为进行系统告知, 并记录有效操作和关联信息, 对更改过的部分通过远程传输, 进行数据转发至安全生产管理门户部分, 同时承担着安全生产管理门户决策信息变更, 不断优化管理策略, 达到自主更新。
3.2.3 安全生产管理门户
该部分的设立主要为园区系统管理者提供, 也是该项目智能化管理的中心。通过与现场管理系统的数据交互、转发, 取得现场设施作物生长过程中的环境、安全、装备管理信息, 结合专家诊断与大数据挖掘分析, 建立自主学习规则, 根据作物生长规律和周年调控信息, 优化现场设施管理策略。系统中植入周年性栽培关键技术信息, 跟随作物生长周期, 不断调控设施环境因子, 并对设施环境不利于作物生长的因素进行预判, 对有可能产生重大影响的关键因子, 进行不间断监测, 形成整个生长周期的动态预警。同时, 该安全生产管理门户对现场出现的异常信息进行综合评价, 对不良趋势进行预警, 提高设施安全生产的可靠性。
随着今后人力成本的逐步提高, 农业现代化的步伐会是越来越快, 利用先进的设施农业智能管控技术, 改变生产模式, 科学合理安排生产, 对全流程的监管方向不会变。结合前述当前问题现状以及管控系统的构建提出以下建议。
产业园的带头引领作用, 培育龙头企业, 针对地方产业园特色, 在相对一致的架构下构建智能管控系统, 开发标准化的硬件接口, 支持异构网络中间件, 增加经济性评价研究。
坚定新技术的使用, 使用基于物联网技术的信息技术和自动化控制, 实现生产管理的数字化、自动化和远程化。数字化体现经验的积累、产量的预测和质量的控制, 为推动精细化农业生产提供数据支持; 自动化体现在省力、省工; 远程化体现在解放管理人员的在场限制, 管理可借助远程专家的指导。
深入探索新技术的运营和服务模式, 政府与研究机构对应用新技术实现商业价值起积极推广示范作用, 培养更多复合式农业生产管理人才, 解决项目投入、企业运营、农户/消费者收益服务模式的各个环节衔接问题[11]。
鼓励企业和科研机构不断开展新技术研究, 特别是农用传感器创新及微型化和智能化, 利用新结构、新原理、新材料, 实现低成本、低功耗、高可靠性的方向发展[14, 15]。
本文立足于我国设施园艺现代化生产形式, 阐述基于物联网技术的设施农业管控系统发展现状, 分析了其中的主要问题, 提出设施农业智能管控系统研究与构建。系统基于物联网体系融合了作物栽培技术、智能控制技术、信息化技术, 对作物环境因子、生长因子的实时监测、预警与调控, 并远程传输至生产管理系统进行数据分析与诊断, 实现智能化的环境因子调控、水肥气光药合理供给模式。该系统不仅显著提高生产管理效率, 大大减少用工量, 降低生产成本, 而且能有效节约水、肥、药资源, 提升设施农业生产管理自动化水平。
The authors have declared that no competing interests exist.
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