设施蔬菜高效栽培物联网系统研究与应用

林佳福

（长沙市蔬菜科学研究所，410003）

设施蔬菜栽培是一种采用现代化农业工程、机械技术和物联网技术为蔬菜栽培提供可控、适宜的环境条件，有效生产与管理的农业生产方式。发展设施蔬菜栽培是一项集科技、人才、经济为一体的复杂工程，可有效提高土地产出率、资源利用率和劳动生产率，提升农业素质、效益和竞争力。

物联网是互联网和通信网拓展应用和网络的延伸，实现了人们在任何时间、任何地点与任何物体的连接[1，2]。物联网使人类可以更加精细及动态的方式管理生产和生活，提升对物理世界实时控制和精确管理的能力，从而实现资源优化配置和科学智能决策，在设施农业和智慧型农业发展中有着十分广阔的应用前景[3，4]。

许多科研院校和企业对物联网技术在设施蔬菜栽培方面的研究与应用做了大量工作，戴云新等[5]探索了基于物联网技术的蝴蝶兰精细栽培管控系统，实现对蝴蝶兰生长环境调控和精细栽培育种的需求，马二磊等[6]研究了基于物联网的甜瓜远程控制简约化高效栽培技术，杨方等[7]设计了基于物联网的设施蔬菜环境监控系统，实现了基于物联网的数据采集和远程自动控制，但没有考虑蔬菜的质量安全追溯和高效栽培建模。Kolhe等[8]将模糊逻辑与病害诊断相关联，建立了油菜病虫害预警监测诊断WEB系统平台。刘大有等[9]将神经网络、灰色系统和时间序列预测相结合，提出了一种价格预测新模型。本文提出设施蔬菜高效栽培物联网系统，通过采集传感器监测数据和视频图像等多源信息，对数据进行分析和挖掘，建立设施蔬菜高效栽培模型和专家决策模型，实现蔬菜栽培的水肥一体化滴灌、智能自动控制和质量安全追溯管理。

1 物联网系统构架

针对设施蔬菜高效栽培需求，设计设施蔬菜高效栽培物联网系统构架如图1所示。

图1 系统构架示意

①感知与执行层 利用传感技术，对设施蔬菜栽培全生育期的墒情、气象、基地土壤温湿度pH值等数据、视频监视点图像数据、现场运行设备状态进行采集，通过传输层上报系统。根据应用层系统模型及专家决策指令，对大棚的天窗、内外遮阳网、风机、水帘、植物补光灯、水肥一体化滴灌设备进行自动控制；同时辅助人工手动控制。

②网络传输层 包括各种无线通信网络与以太网形成的异构融合网络。基地监测站自动监测的数据和上报数据通过传输层无线远程传输至应用层的系统通讯服务器、数据服务器。应用3G/4G等移动通信网和光纤专用网络接入公共互联网。

③应用层 实现物联网信息技术与蔬菜高效栽培专业领域技术的深度融合，构建环境监测数据库、视频图像库、专家知识经验库以及自学习模型库等，形成设施蔬菜高效栽培大数据中心；设施蔬菜高效栽培物联网系统的功能包括设施蔬菜高效栽培采集数据管理与分析、人工调查辅助数据管理（基地管理记录、蔬菜栽培过程记录等）、专家控制（水肥一体化滴灌控制、环境及土壤参数控制）、预警预报（温室环境预警、病虫害预报）、质量安全追溯等，实现设施蔬菜栽培生产全过程远程、实时、精准、高效的信息化、智能化管理，达到设施蔬菜栽培生产过程的自动化、标准化，设施蔬菜栽培全程可溯源的目的。

2 系统功能模块

系统将感知数据进行分析、统计和挖掘，采用设施蔬菜高效栽培模型和专家决策模型，形成多源信息采集模块、水肥一体化滴灌管理模块、蔬菜栽培质量安全追溯模块和智能自动控制模块4大功能模块，如图2所示。

2.1 设施蔬菜高效栽培模型

考虑到设施蔬菜栽培是一个非线性复杂工程，无法运用精确的数学模型，本文将感知数据作为模块输入，运用大数据分类和深度挖掘，采用神经网络和模糊逻辑算法，建立设施蔬菜高效栽培自学习模型，指导设施蔬菜高效栽培。

2.2 专家决策模型

根据不同蔬菜栽培过程中对环境温湿度、光照、土壤温湿度以及pH值最适条件的要求，形成相应的蔬菜栽培专家控制参数阀值动态调节表，指导环境参数的自动控制。同时针对土壤肥力及不同微成分对蔬菜质量和口感的影响，将以往的经验值作为边界参数，大数据动态挖掘蔬菜栽培技术特征，形成水肥一体化滴灌控制专家参数表，以指导设施蔬菜高效栽培中的水肥一体化滴灌。

2.3 多源信息采集模块

系统通过基地数字化监测装置，将基地环境温度、湿度、光照、CO2浓度，土壤的温度、湿度、pH值等土壤墒情，蔬菜栽培不同阶段的实时视频，以及不同基地的数据进行分类、统计和组合，为后续应用奠定基础。

2.4 水肥一体化滴灌管理模块

系统共享水肥一体化滴灌控制系统的运行参数和运行状态，根据专家决策模型的专家控制参数，动态调节水肥一体化滴灌控制系统执行机构，实现水肥一体化滴灌系统的控制和管理。

2.5 质量安全追溯模块

将蔬菜栽培不同阶段的环境监测参数、土壤监测参数及视频图像数据进行数据融合与关联提取，系统建立蔬菜栽培全过程信息参数文件并动态输出蔬菜栽培二维码。通过扫描蔬菜栽培二维码，用户即可以文字浏览或视频播放方式全面展示蔬菜栽培全过程，建立蔬菜质量安全追溯体系，提升蔬菜品牌影响力。

图2 系统功能模块示意

2.6 智能控制模块

系统根据专家决策控制参数，实现对大棚的天窗、内外遮阳网、风机、水帘、植物补光灯进行自动控制。考虑到对环境和土壤参数的控制是1个惯性系统控制，因此对各种参数的控制均采用滞环控制；不同蔬菜对环境和光照要求不同，对于新品种，控制参数把控不准时，辅以人工手动控制，实现冗余和不同需求的应用。

3 设施蔬菜高效栽培管控技术

运用物联网系统对设施蔬菜进行高效栽培，充分利用多源采集信息，将数据专家处理模型、水肥一体化滴灌控制、智能远程控制结合起来，实现操作人员实时对蔬菜栽培管理区域的查看和控制，达到节约人工、经济高效的目标。

3.1 温湿度控制

根据蔬菜对温湿度的要求，自动选择最适条件，一般如白天温度为22~28℃，晚上温度为16~25℃，温度控制要根据蔬菜不同生长阶段进行合理调整。

环境相对湿度一般在60%~85%，不同时期要进行相应调节。空气湿度低时叶面易失水，高时易产生病害。通过物联网系统自动控制风机、水帘、遮阳网、水肥一体化滴灌对温湿度进行调节。

3.2 光照度调节

蔬菜栽培需要阳光，但不能太强，一般光强控制为2 000~18 000 lx，根据不同蔬菜的不同阶段进行调节，可通过系统控制遮阳网、职位补光灯进行控制和调节。

3.3 通风控制

蔬菜栽培过程中对空气流通控制很重要，室内应保持良好的通风状态，防止蔬菜烂根、病虫害发生及落花等，可利用系统对风机控制实现，但当蔬菜对温度、湿度和通风的要求有冲突时，应以主要因素为主，进行合理的通风控制。

3.4 水肥一体化管理

不同蔬菜对于肥要求不同，如叶类蔬菜需要将水肥洒于叶片，根类蔬菜需要将水肥滴灌于根部；另外，蔬菜在不同生长阶段对液肥浓度要求有所不同，需根据系统预设的边界条件按需施肥。滴灌浇水根据土壤的湿度边界参数设置。

3.5 质量安全追溯管理

系统将蔬菜栽培过程中不同生长的阶段的参数和视频数据进行特征性组合，形成蔬菜栽培阶段性文字、图像和视频的融合资料，同时系统支持实时视频，无死角随机查看蔬菜基地的实时栽培过程，确保蔬菜栽培的质量安全性。

4 现场应用

长沙市蔬菜科学研究所对蔬菜栽培进行多年研究，取得许多突破性成果。为进一步加强蔬菜栽培研究信息化管理、建立设施蔬菜高效栽培研究模型，长沙市蔬菜科学研究在长沙市农业高科技中试基地进行4 hm2以上的蔬菜栽培物联网试点，构建设施蔬菜高效栽培物联网系统，如图3所示，建设基地水肥一体化节水灌溉管道网，按蔬菜分类区分地块布置物联网监测控制节点和高清视频监视点，由物联网平台管理中心对各节点进行统一监测和控制管理，实现远程管理中心、远程客户端、手机APP移动端等终端对基地各监测控制节点和高清视频点的实时监测、远程控制和视频浏览等。

图3 设施蔬菜高效栽培物联网系统主界面

设施蔬菜高效栽培物联网系统运行以来，收集了辣椒、丝瓜、苦瓜等多种蔬菜栽培环境和土壤参数，并根据预定的专家控制参数进行水肥一体化滴灌控制，对大棚的天窗、内外遮阳网、风机、水帘、植物补光灯进行自动控制，实现环境温湿度、光照和通风的有效调节，形成蔬菜栽培阶段性质量安全追溯系统；节约栽培人工成本约45%，节约栽培水肥成本约35%，信息化管理达80%；并构建设施蔬菜高效栽培模型，已取得初步成效。设施蔬菜高效栽培物联网系统设计合理，运行稳定可靠，具备工程实用性和可操作性，可推广使用。

5 结论

基于物联网技术的设施蔬菜高效栽培是设施蔬菜栽培发展方向，有利于信息化管理、自动化控制和设施蔬菜高效栽培建模，根据本研究得出如下结论。

①系统实现设施蔬菜栽培过程中的水肥一体化滴灌自动控制、环境调节自动化控制，节约劳动力成本约45%，节约水肥成本约35%，经济效益显著。

②构建设施蔬菜高效栽培信息化管理，分析统计各种蔬菜对环境要求的量化指标，统计蔬菜高效栽培全周期的用工、用肥、用水情况表，便于蔬菜高效栽培的技术指导。

③构成设施蔬菜高效栽培模型，研究环境、土壤、水肥、微金属等因子对不同蔬菜在不同生长阶段的影响程度，量化蔬菜高效栽培边界参数，不断优化专家决策参数。

设施蔬菜高效栽培物联网系统模式使设施蔬菜栽培资源的利用更加信息化、自动化，实现了节水环保，充分体现了在现代农业研究应用中节水环保的新要求，对建设环境友好型的现代设施蔬菜高效栽培产业模式具有重要意义。