设施智能农业装备发展现状及特点

高玲 夏利利 刘勇

摘要 设施智能农业装备是指设施农业工程、农业资源环境调控技术等方面的自动化、信息化和标准化，其核心是农业环境调控技术。综述了国外发达国家设施智能农业装备研究的发展现状、特点以及趋势，然后介绍了我国设施智能农业装备的发展现状，最后提出了我国设施农业装备发展建议。

关键词 设施智能农业装备；环境调控；智能温室；发展现状

中图分类号 S23 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）16-05334-02

设施智能农业技术是指将环境工程技术、信息通信技术、自动化技术以及生物工程技术等现代工程技术应用于农业作物生产领域，研究动植物生长的最适宜的生态环境条件，在现代化设施农业内自动控制环境，使其不会受到外界气候条件的影响，整个生产过程实现标准化装备、自动化和智能化。设施智能农业装备是指设施农业工程、农业资源环境调控技术等方面的自动化、信息化、标准化装备，其核心是农业环境调控技术装备。智能化的设施农业环境调控指的是在一定的空间范围，准确采集设施内光照 、温度、湿度、气和肥料等环境因子以及作物生长状况等参数，同时对采集的数据进行统计、分析，同時进行智能化处理后形成一套专家信息系统，然后通过研究作物生长所需最适宜的环境情况，使相关系统及设备根据智能系统发出的指令，有规律的进行动作，综合调节设施内温度、光照、水分、肥料和气等所有因素，使作物生长达到最佳状态。设施农业环境智能化调控研究水平，是衡量世界各国农业科技发展水平的重要因素。

1 国外设施智能农业装备研究现状

1.1 设施智能农业装备研究现状 随着信息技术、环境工程技术等科学技术的迅速发展，结合现代信息通信技术、电力电子技术、自动化技术、生物工程技术、计算机管理技术等现代化的工程技术应用，现代设施农业目前正在向智能化方向发展。

国外环境自动化调控技术研究较早的主要有荷兰，其所开发温室计算机自动控制系统始于从20世纪80年代，同时还开发了相应的模拟控制软件系统。在20世纪80年代中期，应用于温室环境因子等方面控制的已达到5 000多台计算机。目前，荷兰拥有的玻璃温室占世界的四分之一以上，达到1.2万多hm2，通过计算机进行环境调控的占到85%，在购买温室控制软件和作物生长营养液后，种植者只需按照不同作物的环境调控需求进行自动控制，使其达到作物生长发育的最合适生长环境。

在国外温室环境控制管理方面，英国开发了智能温室系统、西班牙和奥地利研发了具有遥控功能的温室控制管理系统，德国研发了基于3S技术（地理信息系统GIS、全球定位系统GPS、遥感技术RS）温室控制与管理系统。20世纪80年代中期，日本拥有1 000多台计算机应用于温室环境调控中，其目前计算机在农业生产部门中的应用率达到92%以上。以色列利用光热资源的优势，采用节水灌溉技术，通过安装传感器在作物周围，测定作物生长的水、肥状况，通过田间控制器全天温室内外部的温湿度数据采集和储存，根据办公室里的控制管理计算机进行数据处理分析，可以非常便捷地进行灌溉和施肥的遥控，同时卷帘装备系统、遮阴设备系统、加热系统以及灌溉区的流量控制系统也可以进行有效的自动控制，而且控制系统精确可靠，节省人力资源。

近年来，物联网技术在设施农业中的运用亦卓有成效，如监视农作物灌溉情况、土壤空气变更、畜禽的环境状况以及大面积的地表检测，收集温湿度、风力、大气、降雨量等数据信息，测量有关土地的湿度、氮浓缩量和土壤pH值等，从而进行科学预测，帮助农民抗灾、减灾，科学种植，提高综合效益[2]。

1.2 国外设施智能农业装备发展特点及趋势 在国外，设施农业装备已经发展到了较高水平，其发展方向是自动化、网络化和智能化。

设施智能农业装备的水平是设施农业科技发展水平的重要标志，智能化程度越高表明农业科技发展水平越高。设施农业装备从初级自动化控制正转变为高级智能化，从非标准化向标准化产品转变，控制系统从自动化转变为智能化是设施农业发展趋势，欧美等发达国家设施农业已具备了成套的技术、完善的设施设备、规范的生产等功能，形成了设施农业产品制造、设施环境智能调控、生产材料供给一体化的产业体系，能通过研究作物生长的最适宜环境条件，自动调节设施农业内作物生长环境，使其不受外界气候条件的影响。

国外连栋温室得到普遍推广，并不断向大型化方向发展。高新技术的有机融合，使得目前设施农业环境调控系统朝着自动化、网络化和智能化方向发展。欧美、日本等一些发达国家一直在研究“工厂化农业”成套技术，目前，荷兰、奥地利、英国、美国和日本等国家均建有植物工厂。在西方发达国家，无土栽培技术研究已经取得了突破，而且得到广泛应用，同时逐渐将成为以后主要的一种作物栽培方式，已经成功开发计算机控制的营养液配制和供给的闭路循环系统。由于温室高温潮湿的工作特点及劳动力严重不足，随着设施农业朝着规模化、产业化和精准化发展，农业机器人将走进农业生产领域，特别是设施农业领域。目前日本已研发出可进行果树喷药、嫁接、育苗的机器人，美国发明的施药机械，装有计算机芯片和电子眼，它能区分田间空地和杂草，并将除草剂只向杂草上喷洒，还开发了能够辨别秧苗质量并能分拣的温室移苗作业机器人等。

2 我国设施智能农业装备发展现状

2.1 温室环境调控设备 我国温室栽培主要包括塑料大棚、日光温室和现代化连栋温室。目前温室已经实现数字化控制，即按照经营者的生产目标，根据植物的农艺需求，对温室栽培对象和生产过程进行数字化和可视化控制和管理。他建立在信息技术、精确施肥控制技术、智能农机技术等一系列高新技术之上，集成先进的温室硬件及栽培技术，实现信息化栽培和管理。其主要特征为温室生产管理实现数字化和网络化，具备远程监控能力。

如北京市农业局农业机械试验鉴定推广站开发的TRM.FZ1多通道光辐照监测系统，可以对温室温湿度、光照、 CO2浓度、土壤水分等参数进行监测。该仪器智能化程度高，能自动寻回测试与记录温室内上述参数的分布及变化，并能实现测试数据的有线与无线传输。如北京景鹏环球科技股份有限公司开发的智能环境控制系统，采用分散采集，集中控制，自动检测温度、湿度、光照、CO2风速及雨量等室内外参数，在专家系统指导下设定参数，自动调节温室内各设备状态，实现对温室生产环境和植物信息实时动态监测，使各项环境因子符合既定要求，保证植物生长处于最佳状态，提高控制精度。

2.2 设施智能农业栽培机械

2.2.1 设施穴盘育苗播种机。设施穴盘育苗播种机是在大田精量播种机的基础上逐步发展起来的，但同时又区别于大田精量播种机结构型式。大田作业精量播种机是通过拖拉机驱动并在行走中进行精量播种，而设施穴盘育苗播种机采用规格化的穴盘，因此播种机不动，通过驱动穴盘及传送带与播种器产生相对运动实现播种。设施穴盘育苗播种机播种精度高，而大田精量播种机变异系数较大，设施穴盘育苗播种机由于所播种子较小、重量轻、而且形状不规则，所以对播种精度要求较高，故多采用气吸式精量播种方式[1]。

2.2.2 工厂化穴盘育苗播种机工作原理。目前，工厂化穴盘育苗播种机按结构形式可分为针管式、板式和滚筒式播种机；按自动化程度划分，可分为手动、半自动和全自动播种机[1]。针式精量播种机和滚动式精量播种机属于全自动播种机。国外已经开发出气吸式育苗精量播种机，国内许多院所及一些企业也研制出了气吸式工厂化育苗精量播种机，常见的主要是针吸育苗播种机。气吸式育苗精量播种机工作主要是采用真空吸附原理，播种机有一个真空发生装置，通常为真空发生器或真空泵，当穴盘到达播种位置时间，传感器会检测到穴盘，针管孔或滚筒小孔利用真空吧种子从秧盘吸附住，运动到穴盘上方，对准穴孔，将负压切换成较低的正压，种子便落到穴盘预定位置。

2.2.3 蔬菜嫁接机。国家农业智能装备工程技术研究中心开发的TJ300型蔬菜嫁接机，综合运用气动和传感器技术，通过单片机控制各执行机构，采用人工上苗、上夹作业，对接更加准确，适用茄果类作物的贴接法嫁接，能够满足设施农业工厂化嫁接育苗的需要。

2.3 温室智能喷灌、施肥设备

2.3.1 精密施肥系统。北京景鹏环球科技股份有限公司开发的精密施肥系统，配备高精度的EC、pH传感器、压力调节阀、压力计、叠片式过滤器、肥料泵等元件，根据作物要求的EC、pH，控制设定值，自动调节肥料泵的施肥速率、灌水施肥的数量、压力，从而实现水肥一体化。

2.3.2 设施灌溉施肥一体化设备。水肥管理是设施农业作物种植过程中影响设施农业生产效率和品质的关键环节，目前国内外也有很多机构研究水肥管理，已经取得了进展，精准化、智能化的施肥灌溉技术已经逐步得到大面积应用。我国在设施水肥管理技方面与国外还存在较大差距。我国自主研发的部分自动注肥系统采用了文丘里、变频调速技术，但很多还在试验室研究阶段，没有进行推广应用。我国自主开发的移动式温室精准灌溉施肥机，具有自主知识产权，性能良好，同时在京郊温室基地进行了示范推广应用，反映较好。

3 设施智能农业装备发展建议

（1）结合我国设施智能农业装备的发展现状，建议重点发展方向如下：（a）设施农业物理环境参数的信息采集技术；（b）作物生长过程信息的实时采集、监测与处理技术；（c）设施智能农业生产过程中所涉及的生产技术的规范化和标准化技术；（d）建立各类控制模型或专家系统的技术，是这个设施农业智能化系统的核心。

（2）加大新产品新技术的宣传及推广力度，大力示范推广设施农业的设施装备技术、农业环境调控技术、节能减排技术和作物信息管理技术等。争取政策扶持，资金支持，技术保障，产学研相结合，使得设施智能农业技术及装备被多数人认知及应用。

参考文献

[1] 王宏宇，黄文忠，张玉娟.温室园艺精量播种机械发展现状概述[J].农业科技与装备，2008（2）：111-112.

[2] 张唯，刘婧. 设施农业种植下物联网技术的应用及发展趋势[J].科技广场，2002（1）：241.安徽农业科学，Journal of Anhui Agri. Sci.2014，42（16）：5336-5337，5339责任編辑 夏静 责任校对 李岩