物联网技术在无土栽培中的应用

林宁++张亮

摘要：随着现代农业技术的发展，无土栽培技术正改变着土壤、空间、气候等条件的对传统农业的限制。物联网技术通过对栽培中温度、湿度、pH、养分状况等环境条件的实时监控和管理，实现了无土栽培集约化、智能化和高效化发展。本研究总结了物联网在无土栽培中的应用状况、出现的问题及发展前景。

关键词： 物联网；无土栽培；应用

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）25-0153-03

Application of the Internet of Things Technology in Soilless Culture

LIN Ning1， ZHANG Liang2

（1.School of Chemistry and Bioengineering， Taizhou College， Nanjing Normal University， Taizhou 225300， China； 2.Taizhou Higher Vocational School of Mechanical & Electrical Technology， Taizhou 225300， China）

Abstract： With the development of modern agricultural technology， the soil， space， climate and other conditions of the traditional agriculture was changed by soilless culture. By means of the real-time monitoring and management of environmental conditions such as temperature， humidity， pH， nutrient status and so on， the development of soilless culture， intelligence and high efficiency is realized. In this paper， the application of the Internet of things in soilless culture， the problems and the development prospects are summarized.

Key words： the Internet of things； soilless culture； application

目前，信息技术的快速发展和推广，物联网技术应运而生。物联网是通过感知、识别外部用户信息，并对信息进行分析和传送，同时结合互联网技术，实现对用户智能化认知、传输、管理和调控的一项新技术。在国家的“十二五”规划中，重点提出优先发展现代农业，快速实现传统的农业耕种方式向精准化和智能化的现代农业过渡。设施农业作是集种植、农业设备、智能管理等多领域为一体的现代农业种植方式，而无土栽培技术作为设施农业的一部分发挥着重要作用。无土栽培是采用营养液或者固体基质作为根际环境来替代传统的土壤的一种种植方式。目前，世界上很多国家在研究和利用无土栽培技术来进行名贵花卉和植物的种植，发展迅速。我国无土栽培方面起步较晚，虽然取得一定成绩，但技术落后，缺乏智能化、一体化、信息化管理。因此，将物联网技术与无土栽培相结合，实现农业技术向精准、智能和高效的方向发展。

1 什么是物联网技术

1.1物联网定义

物联网技术作为现代信息技术的一个组成部分，也是信息化发展的下一个重要阶段。其英文名称是：“Internet of things（IoT）”。物联网实现了物与物的快速、精准连接。下面，我们从两个角度来解释和认识物联网技术。首先，物联网作为新一代信息技术，仍然是以网络作为核心环节，通过网络进行用户信息的延伸和扩展。其二，物联网通过网络实现物品之间信息的传递、通信和交换。物联网通过感知技术、识别设备与普通计算机网络技术相结合，广泛应用于各个领域，冲击着传统的操作模式。以传统农业为例，通过人工进行种植、管理和收获，而物联网技术采用传感器、互联网和应用层，实现用户智能化、信息化管理和应用。

1.2结构框架

物联网由感知层、网络层和应用层三层结构组成。感知层由温度传感器、pH感应器、条形码标签、摄像头、识读器、GPS、M2M终端、传感器网关等识别信息和物理信号的终端。感知层是物联网发展的一个重要的组成部分，是对外界物理信息进行识别、采集的重要载体和途径，因此将感知层称为物联网的眼睛，是对外部信息感知的主要环节；网络层是负责将感知层获取的信息通过网络传输到应用层，包括互联网、无线网等各种网络，是物联网技术的核心部分，类似于高等动物的大脑和中枢系统，负责信息的分析和处理，并将信息传输到应用层；然后由应用层做出反应，应用层是物联网与用户控制终端相连，负责信息调控和管理。

1.3物联网技术分类

物联网技术一般分为射频识别技术、传感器与传感网、无线通信网、嵌入式系统等几类。射频识别（Radio Frequency Identification）技术是通过无线电信号进行对象识别并读写数据的一种通信技术。这种特别的通信技术不必建立机械或者光学接触就可以进行系统和目标对象的识别。其中，常用的技术主要有低频、高频、超高频，微波等。射频识别读写器一般还分为移动式的和固定式两种。目前射频识别技术已经在各单位机构得以应用，如：图书馆的进出，门禁系统，食品安全溯源等等。相比而言，传感器则是一种检测系统，它可以满足传输、存储、处理、显示、记录和控制等需求，它通过检测信息对象，并将此对象按照一定的电信号或其他信息信号输出。无线通信主要包括微波通信和卫星通信。微波是一种无线电波信号，它的传送距离约有几十千米，但是它有很宽的频带和较大的通信容量。由于微波的传输距离较短，所以一般每隔几十千米就要建一个微波信号中继站。卫星通信则是以通信卫星为中继站在地球上的多个移动体之间建立微波通信。嵌入式系统是物联网实现物与物相连的智能化终端系统。它是一个存储在存储器中的嵌入式处理器控制板。

2 物联网技术在无土栽培中的发展现状

2.1无土栽培概况

目前，无土栽培技术采用营养液或者固体基质作为植物根际环境，代替传统土壤，实现精量化育苗和种植。主要种植方式由水培、雾培和基质栽培三种。水培是将苗木的根系直接浸入营养液中的一种种植技术；雾培又称气培，是将提前配好的营养液喷雾到植物的根表现，供给其所需的营养；固体基质栽培技术主要采用珍珠岩、泥沙、蛭石、草炭、泥炭等材料，进行栽培植物。

2.2国内外无土栽培的现状

研究发现无土栽培作为设施农业最重要的一部分，正改变着传统农业的种植方式，成为信息化农业的新典范，为农业技术的现代化发展指明了道路。在20世纪30年代，西方发达国家首先开始无土栽培技术，并获得成功。到了20世纪70年代，营养液膜技术以其较低投入的特点得到快速的发展和推广。

目前，美国、荷兰、法国、加拿大和日本等国家在无土栽培商业化种植方面，发展迅速，应用面积广，在设施农业种植中占有非常大的一块比例。无土栽培技术优势非常明显，能够节省种植空间，同时为人们提供无污染的产品，避免土壤连作带来的问题，在生产名贵花卉、反季节农产品等方面被快速应用。为此，发达国家将采用现代化信息技术与无土栽培技术相结合，达到自动控制和测定相关指标，使无土栽培方式可以快速产出、且无污染、产品绿色化。因此，采用物联网技术来感知和调控栽培基质或营养液温度、营养配比、pH、水分含量、植物长势等相关指标，实现无土栽培的工厂化生产、产品的周期性生产以及效益的最大化。

近些年，无土种植在我国有了长足的发展。早在20世纪中后期，我国开始无土种植研究，成果显著。随着改革开放，人们生活品质的改善，无土栽培技术在全国各地快速兴起，为人们提供了绿色无污染的农产品。但是无土栽培在我国起步较晚，还存在很多问题，比如技术的缺乏，设备的不完善，资金不到位，人才培养制度不明确，尤其缺乏与现代信息技术的联系。因此，导致无土栽培技术很难在我国大面积推广， 同时，阻碍了现代农业技术的发展。

2.3 物联网技术在无土栽培中的应用

2.3.1 无土栽培环境条件的感知

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，其中信息采集层通过温湿度传感器、pH感应器、营养浓度感应器、摄像头、红外线等传感器来感知、采集无土栽培设备中的环境温度、湿度、pH值以及营养浓度，并将采集到数据、视频或者物理量转化为物理世界的信息。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传感器及传感器节点间的数据传输，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。

通过安装的各类传感器对无土栽培设施中相关指标的变化进行感知、采集，经过3G、4G网络技术、无线网、蓝牙等进行信息的传输。

2.3.2 无土栽培环境信息的处理

由感知层采集到的相关指标信息，通过自组织传感网络传输到网络层。网络层是传递感知层发出或接收的数据，通过获得物理量自身携带的电子信息，进行识别和信息格式的转换，然后经网络中间层将感知层采集到信息传入过应用层，实现整个物联网三个结构层次的连接。

2.3.3 无土栽培环境的调控

根据无土栽培设施植物对环境条件的要求，提前设定栽培环境指标，如无土栽培设施中温度、湿度、pH值、二氧化碳浓度、养分浓度、光照，以及栽培室外气候条件等相关指标进行监测、记录。通过感知层多种传感器和信息采集终端及时获取指标参数，然后经过网络层传递和处理，输出到相应的操作接口，实现对无土栽培环境中相关指标的实时监控和调节。另外，用户根据栽培植物对生长过程中，在不同时期对环境指标的要求，设定相应的警告阈值，网联网系统可以根据植物对相关指标的不同需要进行智能化调节。

3基于物联网技术的无土栽培发展前景

物联网技术的快速发展，同时也改变着传统农业的种植，使其向着智能化、集约化、高效化的方向发展。物联网无土栽培技术是现代信息技术与无土栽培技术相结合的产物，同时又是未来农业发展的方向。无土种植技术的智能化发展，将快速提高种植过程的智能化管理，为人们提供无污染、环保的农产品。物联网技术在无土栽培中主要应用在对栽培环境中相关参数的智能化监控和调节，以及辅助人工进行智能化管理，实现农业精准化种植。因此，物联网技术在无土栽培等设施农业种植和管理方面有广阔的发展空间。

由于我国在发展物联网农业技术的过程中起步较晚，技术、资源配备、财力等各方面均不够完善。如现阶段传感器产品虽然品种较多，但是功能不完整，扩展性和升级能力相对较差，仅能形成简单的系统，并且性价比不高，推广效果不明显；网络传输管理系统建设滞后，管理系统不稳定；缺乏物联网领域的相关人才。因此，我们应该加强物联网软件的开发和技术的研究，尽快实现物联网技术在无土栽培领域的大面积推广，实现植物的工厂化、精准化种植。

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