自动化技术对传统农业生产的影响——以自动化农业大棚为例

张 培 唐惟楚

湖南大学电气与信息工程学院

近年来，自动化技术飞速发展，许多科技成果已经应用在农业领域，尤其是无线技术与自动控制技术的结合，使农业生产发生了巨大的变化，农业自动化生产成为时代潮流。但在基层农村中，我国还远未实现农业自动化技术的普及，自动化技术在当前的基层农村中并不被认可。基于此，研究分析自动化技术推广中遇到的难题，有助于我国进一步普及农业自动化技术，提高基层农业生产效率。

传统的农业大棚主要使用人工管理，工作效率低。为提高农业生产效率，我们设计了农业大棚自动化管理系统，用较低的成本，实现对大棚温度、湿度、光照、空气质量、土壤等环境指标的监测，并自动做出相应调节控制，保证大棚内各项指标始终处于最优值，以降低劳动强度，提高效率。采用无线控制技术，解决了布线麻烦的问题，又降低了成本，提高了产品的适应性。因此，农业大棚自动化技术可以带来很好的经济效益和社会效益。

但在另一方面，笔者在湖南、广西等地的调研中，发现农业自动化设备在推广普及中遇到了瓶颈，大量的普通农户并没有接受和使用这些新技术。可以认为，自动控制技术在农业中的应用还处于起步阶段，还有许多亟需解决的技术瓶颈。

1 自动化农业大棚技术方案

整体设计思路

农业温室大棚的技术指标主要取决于温室内的环境，因此在设计时应把室内植物最适生长条件作为参考值，收集各类农作物的最适环境指标，建立一个农作物生长指标的数据库。该数据库包含此类植物每个生长周期的最适温湿度、CO2浓度和光照强度等条件。该数据库存放于中央控制器，由检测节点通过无线系统定期向中央控制器发送实时环境指标，中央控制器将其与设定值进行比较，实现反馈控制。当反馈数据与设计参数的偏差超过允许范围，则向温室内环境控制执行器发出动作信号，从而进行相应内环境的调整。

技术方案

总体划分为检测节点、控制节点、中央控制器、无线模块四部分（见图1）。

系统是以 STC89C52 单片机为核心的无线温室控制系统，硬件系统由传感器模块、NRF 无线模块、灾害预警模块、人机交互模块和执行机构电路等组成。传感器统一采用数字信号输出的传感器，如DHT11 温湿度传感、BH1750 光强传感器等。在传感器测量大棚内环境指标时，确保每个同种类型传感器的地址不相同，使中央控制器可以通过传感器的类型和地址，来分辨不同位置节点测量的数据。当中央控制器需要读取任何一个节点时，只要确定它的类型和地址，就可以通过 NRF 无线模块与之通信，中央控制器和传感器采取应答的方式进行通信。当中央控制器需要读取某个节点的数据时，便通过NRF 无线模块发送查询指令，节点接收到查询指令后返回应答信号，然后传感器通过无线模块将测量的数据传给中央控制器。中央控制器将接收到的环境信息与数据库的参考值进行对比，计算是否需要执行机构动作。若需要动作，则通过无线模块向相应的控制节点发送动作指令。

2 传统农户样本分析

根据笔者在2014年4月在湖南和广西等地调研中，我们发现农业自动化技术在基层农村中的应用范围较小，与发达地区形成鲜明反差。占中国农业生产劳动人员比重最大的传统农户，大多数依旧在使用传统人力劳动的生产方式。在科技水平不断发展的今天，许多传统农户无法享受科技进步带来的便利。笔者根据从基层农村收集的数据，对制约农业自动化技术普及和推广的因素进行了分析整理。

传统农户中自动化设备的使用情况

笔者的调查数据显示，大多数用户没有使用过农业自动化设备（见表1）。从表中数据可知，在调查的1003 户传统农户（广西地区501 户，湖南地区502 户）中，从未使用过自动化设备达到了630 户，占到了整个调查样本的62.8%；而一直使用自动化农业设备的仅仅占到了总数的4.39%，在调查样本总体中占极少数。湖南、广西两地调查结果比例十分接近，可以排除地域差异，调查结果有广泛的代表性。由此我们可以认为，农业自动化设备在湖南、广西等地的农村中，普及程度较低，还有较大的发展空间，大多数人仍处于手工或半手工劳动的状态，生产效率还有很大的提升空间。

表1 2014年传统农户农业自动化设备使用情况

图2 因素分布柱状图

传统农户中使用过的农业自动化设备大多属于传统的自动播种机、联合收割机、抽水机等传统的半自动设备。对于技术更先进的温湿度、光照等环境综合指标的自动控制设备，则几乎没有使用。可见，先进的自动化控制系统在基层农村普及度不高。调查中有近半数农户仅使用过纯机械化设备，也反映出了纯机械化设备比自动化设备更适合基层农业生产。

影响农业自动化设备推广的因素

从笔者的调查来看，制约农业自动化设备在农村发展的主要因素有设备昂贵、传统意识主导、设备操作复杂、设备工作精度不足或不可靠，维护和升级繁杂等（见图2）。

根据统计，设备昂贵是影响最大的因素，我们以500m2自动化温室大棚为例，对设备费用进行分析。控制节点包括单片机、无线模块、电源，成本约15 元/个，检测节点包括单片机、无线模块、传感器、电源构成，成本约30 元/个，灌溉机构约40 元，水泵150 元，电动卷帘80元等，费用至少在500 元以上，对于传统农户来说，其成本难以接受。

在自动化设备的操作和维护方面，大多数传统农户文化水平较低，尤其对于老年农户，难以学习掌握，直接导致了农户在意识上不认可自动化设备。

3 研究总结

调查和研究表明，以自动化农业大棚为代表的农业自动化技术能给现代农业带来巨大的经济效益，具有广阔的市场前景。高效率和高精度的自动化的农业生产将是未来的主流。但是我们也应看到，在实际的推过和应用中，自动化技术依旧存在成本高，操作复杂等难题，这就要求技术人员需要进一步降低设备成本，开发操作简易、适合低文化农业人员使用的操作平台。总而言之，自动化技术农业技术前景广阔但仍需进一步完善。