设施农业种植下物联网技术的应用及发展趋势

周菡蒂

随着全球人口的持续增長和资源环境的不断恶化，传统农业生产方式已经不能够满足食品供应的实际需求，在此种背景之下设施农业作为一种现代化的农业生产方式，通过建设环境设施实现对种植环境的精细化管理，大大提高了农产品的产量和品质，为解决粮食安全提供了有力支持。设施农业发展过程中，通过将现代化的信息技术充分应用其中，能够大幅提升种植效率和种植质量，同时也能够提升设施农业的智能化管理水平，对推动农业现代化发展具有十分重要的现实意义。本文主要结合实际工作经验，探讨了设施农业种植有效物联网技术的应用与发展趋势，希望通过研究对更好地推动设施农业的高效智能节能环保发展提供相应的参考与借鉴。

一、设施农业与物联网技术概述

1、设施农业的定义

设施农业是指在室内或有遮蔽条件下，通过使用各种农业设施、控制技术和先进的管理手段，创造一种良好的生长环境，以实现农作物的生长和养殖业的发展。设施农业通过建立合适的种植或养殖环境，能够对温度、湿度、光照、二氧化碳浓度、空气流通等因素进行精确控制，为农作物提供最适宜的生长条件。通过采用封闭式或半封闭式的生产环境，循环利用水分和营养液，减少水资源的浪费。同时，通过科学设置光源和节能设备，实现能源的高效利用，降低能源消耗。同时在生产过程中广泛应用自动化和信息化技术，如智能控制系统、传感器、数据监测和远程管理等，可以实现对生产过程的实时监测和调控，提高生产效率和产量。设施农业的控制性强，可创造最佳的生长条件，使农作物的生长周期缩短，增加产量。同时，通过优化环境和生产管理，可以改善农产品的品质和口感，满足市场需求。此外，设施农业能够有效防止外界病虫害的入侵，减少或消除对农作物的影响。通过严格的生产环境控制和科学管理，减少对农药的依赖，实现绿色、健康的生产。

2、物联网技术概述

物联网技术的发展历程可以分为三个阶段：联通阶段、智能化阶段和集成化阶段。联通阶段（2000年前）是物联网技术的起步阶段，主要关注传感器和通信设备的连接。在这个阶段，物联网应用主要集中在工业自动化领域，以传感器网络为基础，实现信息的采集、传输和监控。智能化阶段（2000年后）随着无线通信技术的进一步发展和计算机处理能力的提高，物联网进入了智能化阶段。在这个阶段，物联网开始涉及更广泛的领域，如智能家居、智慧城市、智能交通、智能农业等。人们开始将传感器与网络连接，并通过数据采集、处理和分析等方式实现更智能化的应用。集成化阶段（目前）随着各种物联网设备和技术的融合，物联网正朝着一个真正集成化的阶段发展。在这个阶段，物联网应用与云计算、大数据、人工智能等技术相结合，实现了规模化的数据收集、管理和分析。例如，智慧城市整合了多个领域的物联网技术，实现了城市基础设施的智能化管理和服务优化。目前，物联网技术已经广泛应用于各行各业。智能家居、智慧城市、智能农业、智能制造等领域的发展越来越快。物联网设备的种类也越来越丰富，包括传感器、智能终端设备、无线通信模块等。同时，云计算和大数据技术的应用也进一步推动了物联网的发展，使得大规模的数据分析和应用成为可能。然而，物联网技术的发展仍面临一些挑战，如安全性、隐私保护、标准化、数据管理等问题。解决这些问题对于进一步推动物联网的发展至关重要。预计未来，物联网技术将进一步融入我们的生活和工作中，实现更多场景的智能化和自动化，并对社会经济发展产生深远影响。

3、物联网技术在设施农业中应用的价值

首先，数据采集与监控。物联网技术可以实时采集和监测设施农业中的各种关键数据，如温度、湿度、CO2浓度、土壤水分等。通过传感器设备和无线通信网络，农户可以随时了解农作物和养殖动物的生长环境，及时调整和优化管理措施。其次，自动化控制与调节。物联网技术结合自动化设备和智能控制系统，可以根据设定的参数自动调控温度、湿度、光照、灌溉等因素，实现农作物的精确控制和优化生长环境，提高生产效率和产量。再次，精准施肥与用药。物联网技术结合精准农业技术，可以根据植物的实时需求和土壤状况，精确施肥和用药。通过实时监测和分析，减少肥料和农药的使用量，降低环境污染风险，提高农产品的质量与安全性。第四，病虫害预警与管理。物联网技术可以监测植物生长过程中的病虫害情况，并通过智能算法预测和预警。这可以帮助农户及时采取控制措施，减少病虫害的损失，并避免不必要的化学农药使用。第五，资源优化与节约。通过物联网技术，农户可以实现对能源、水资源等的精确监测和管理。根据实时数据，农户可以优化供暖、灌溉和能源消耗，减少资源浪费，降低生产成本。最后，数据分析与决策支持。物联网技术可以采集大量的农业数据，通过云计算和大数据分析，对数据进行处理和挖掘，为农户提供决策支持和优化措施。这可以帮助农户更好地了解产量、质量、市场需求等信息，调整农业生产策略。

二、设施农业种植向物联网技术的应用途径

1、设施大棚温度、湿度、光照智能控制

①基于物联网技术的设施大棚智能控制系统的构建

基于物联网技术的设施大棚智能控制系统能够实现对大棚内的环境参数进行实时监测与控制，包括温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等，从而实现精准农业，提高农业生产效率。在大棚内部署多种传感器，如温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器等，用于实时采集大棚内的环境参数。部署如温度控制设备（如风扇、加热器）、湿度控制设备（如湿度器）、光照控制设备（如遮阳网、补光灯）、二氧化碳控制设备（如CO2发生器）等，用于调节大棚内的环境条件。大棚内安装物联网设备，如无线网络模块、数据采集器等，这些设备将传感器采集的数据发送到云端服务器。云端搭建服务器，用于接收和处理传感器发来的数据。服务器需要有足够的存储空间来保存数据，并且需要有强大的计算能力来处理数据。云端服务器上开发智能控制系统。这个系统需要能够接收和处理传感器发来的数据，根据预设的目标和算法，自动计算出控制设备的操作指令，并通过物联网设备发送给控制设备。开发移动应用，使得农户可以通过手机或平板电脑实时查看大棚内的环境参数，并可以远程手动控制设备。系统开发完成后，需要进行严格的测试和优化，确保系统的稳定性和准确性。

②基于物联网技术的设施大棚环境智能控制系统的应用

物联网设施大棚环境智能控制系统主要包括传感器模块、数据传输模块、智能网关、云端服务器、用户端。传感器模块用于采集大棚内环境参数，如温度、湿度、光照、土壤温湿度等。数据传输模块将传感器模块采集到的数据传输至智能网关。智能网关对采集到的数据进行处理，并通过以太网将数据上传至云端服务器。云端服务器存储和处理大棚环境数据，提供数据分析和决策支持。用户端通过电脑或智能手机查看实时环境数据，并可远程控制相关设备。然后根据大棚内环境特点，选择合适的传感器进行部署，包括了温度、湿度、光照、二氧化碳传感器，并设置通风系统，上述传感器主要监测大棚内的土壤温度、湿度、大棚内部的光照和二氧化碳浓度，并结合通风系统调控好大棚内部的温度湿度。传感器采集到的数据通过无线网络（如ZigBee）传输至智能网关。智能网关将数据通过以太网上传至云端服务器。云端服务器对数据进行存储、分析和处理，提供实时环境监控和预测分析。通过电脑或智能手机查看大棚内实时环境数据，设置环境阈值，当环境参数超过阈值时，系统自动发出警报。用户可远程控制通风系统、灌溉系统等，以調节大棚内环境。采用统一的数据接口协议，如MODBUS、HTTP等。数据格式JSON、XML等。数据存储MySQL、MongoDB等，采用加密传输和访问控制机制，确保数据安全和隐私。根据大棚内作物生长需求和环境变化，定期优化传感器部署和控制策略。对系统进行定期维护，确保传感器和设备正常工作。更新云端服务器中的算法和模型，提高系统智能程度。

2、病虫害监测与防治

构建一个基于互联网技术的设施大棚病虫害精准监测与防控系统，需要配置硬件设备包括传感器、摄像头、灯光、温湿度控制器等，用于实时监测大棚内的环境参数和病虫害情况。软件系统包括数据采集、处理、存储、分析和展示等功能，用于实现对大棚病虫害的精准监测和防控。在大棚内安装各种传感器，如温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、病虫害传感器等，实时监测大棚内的环境参数和病虫害情况。大棚内安装高清摄像头，实时监控大棚内的作物生长情况，通过图像识别技术分析作物的病虫害情况将传感器采集到的数据和摄像头拍摄到的图像数据上传至云端服务器，通过数据处理算法对数据进行处理和分析，实时监测大棚内的病虫害情况。通过数据分析算法对数据进行处理，实时展示大棚内的环境参数和病虫害情况，并提供给用户一个直观的展示界面。根据历史数据和实时数据，通过机器学习算法对病虫害进行预测，提供给用户预测结果，并根据预测结果采取相应的防控措施。根据用户反馈和实际需求，不断优化系统功能和性能，提高系统的准确性和实用性。

3、基于大数据技术的设施农业种植期间农机智能化操作

首先需要对设施农业种植的需求进行深入分析，了解农民的需求和期望，明确智能化自动化操作系统的目标和功能。根据需求分析结果，设计智能化自动化操作系统的架构和功能模块，例如数据采集模块、数据存储模块、数据分析模块、智能决策模块、智能控制模块等。利用传感器、摄像头等设备采集设施农业农机设备运行时的各种数据，例如温度、湿度、光照、土壤水分、肥料和农药使用情况等。将采集到的数据存储到云端或本地数据库中，为后续的数据分析和应用提供数据支持。利用大数据技术对采集到的数据进行分析，挖掘数据中的有价值信息，为农民提供精准的农业管理建议。例如，通过分析设施农业农机设备的运行数据，可以发现设备的运行状况、故障预警等信息，从而实现设备的智能维护。利用大数据技术为农民提供精准的农业管理建议，帮助农民优化种植决策、提高产量和减少投入。例如，通过分析历史数据和实时数据，可以为农民提供最佳种植时间、最佳施肥量和最佳灌溉方案等。大数据技术实现设施农业农机设备的自动化和智能化控制，例如自动调节温度、湿度、光照、灌溉等参数，提高生产效率和产品质量。将设计好的智能化自动化操作系统部署到实际的生产环境中，对设施农业农机设备进行实际操作，验证系统的功能和性能。根据系统实际运行情况，不断优化系统设计，提高系统的智能化、自动化水平，以满足农民的需求。利用大数据技术为农民提供实时的信息服务，例如天气预报、病虫害预警、市场价格等信息，帮助农民做出更加明智的决策。

三、设施农业种植下物联网技术的发展趋势

1、数据平台建设

建设物联网传感器数据平台需要确保各种类型传感器的数据可以被准确采集和接入。这涉及传感器节点的部署、通信协议的选择以及数据接入的标准化等方面。传感器数据的存储与管理是平台的核心功能。这要求建设一个可扩展、可靠、高效的数据存储系统，支持实时性和历史数据的查询和检索。传感器数据的处理和分析是物联网传感器数据平台的重要功能之一。通过应用大数据和人工智能技术，对传感器数据进行分析、挖掘，提取有价值的信息和模式，为农艺决策提供科学依据。建设一个直观、易用的数据可视化界面，将传感器数据以图形、表格等方式展示出来。同时，提供实时监控功能，让用户可以随时了解设施农业环境的变化状况。在传感器数据平台的建设中需要优先考虑数据的安全和隐私保护。包括数据加密、身份认证、权限管理以及合规性等措施的实施，保护数据的完整性和机密性。建设开放的接口和标准，使得物联网传感器数据平台可以与其他相关系统进行互联互通，比如与设施控制系统、决策支持系统等进行数据交互和集成应用。

2、边缘计算的应用

首先，实时数据分析与响应。边缘计算可以将计算和数据处理功能放置在靠近传感器节点的边缘设备上。在设施农业中，这意味着数据可以在收集点就地进行实时分析和处理，无需全部发送到云端进行处理。通过边缘计算，可以更快地对传感器数据进行分析，快速响应并采取相应的措施。其次，低延迟的控制与反馈。边缘计算将决策和控制能力下沉到设施农业的边缘节点。这使得实时的决策和控制可以在设施的本地环境中进行，而不需要依赖于远程的云端服务器。这样可以降低通信延迟，提高决策和控制的效率和精确度。再次，资源节约与可靠性提升。边缘计算在设施农业中可以避免所有传感器数据都传输到云端进行处理，从而减少了对带宽和云端计算资源的需求。这不仅节约了网络资源，还提高了系统的可靠性，因为即使在断网或网络异常的情况下，边缘设备仍然可以独立运行和处理数据。第四，隐私保护与数据安全。边缘计算可以在设施农业中加强数据隐私保护和安全性。由于数据可以在本地进行处理和存储，不需要全部上传到云端，可以减少对数据隐私的风险。此外，边缘设备也可以实施本地的加密、认证和访问控制机制，增强数据安全性和权限控制。

综上所述，设施农业种植背景之下，物联网技术的有效应用是农业生产现代化发展的一个重要方向之一。通过加强互联网技术的深度应用，能够大幅提升农业生产效率和农业质量。然而在当前的设施农业发展过程中，物联网技术应用还存在着一些不足之处，未来应该对互联网技术体系和设备持续进行优化，研发出更多功能的物联网传感器设备，进一步优化农业生产硬件条件，促进农业向着现代化和智能化方向发展。