现代信息技术与智能装备技术在蔬菜种植中的应用.docx

摘要：随着信息技术与智能装备推动了蔬菜种植的快速发展，该研究对目前蔬菜种植的绿色防控、正压环境综合调控系统、设置智能装备、设施农业物联网技术、温室智慧管控大数据平台五个方面进行了综述与系统总结，为推动中国蔬菜种植的信息技术与智能装备技术发展建设提供参考与借鉴。关键词：蔬菜种植；信息技术；智能装备随着智能装备技术与现代信息技术口-2与传统的蔬菜种植发展的深度融合，智能温室的出现成为必然。智能温室种植是充分运用人工智能种植蔬菜的过程，使用信息技术管理蔬菜生长，利用各种系统对生长过程进行分析并做出调整，实现智能化生产。物联网技术和机器视觉采集数据信息，网络模型通过数据对当前温室产生的现象进行分析并做出判断，控制系统及时做出相应调整并向人类发出预警，共同实现温室大棚精准管控。本研究对目前流行的绿色防控、正压环境综合调控系统、设施智能装备、设施农业物联网技术以及温室智慧管控大平台五个方面介绍了智能装备与信息技术在蔬菜种植中的应用。1在绿色防控中的应用采用多功能植保机进行定动态点消杀，采用正压环境系统进行臭氧定时全面消杀，采用绿色植保机器人进行定时巡检消杀，构成立体化绿色防控技术体系。1.1 多功能植保机多功能植保机（图1）集植保机、殖保机、值保机、智保机于一体，是一款农业设施病虫害防治、养殖场所消毒灭菌、公共场所消毒除味的多功能设备，是为农户量身打造植保作业方案的智能管家。设备可以实时检测使用环境的温湿度和光照强度，并支持扩展检测其他环境参数（如土壤温湿度，二氧化碳浓度等）。可以将检测的数据上传到服务平台，最终通过用户手机的APP展现出来。同时可以远程控制设备的风机、臭氧、诱虫灯动作，也可以设置定时控制，使设备按照设定时间自动工作，实现自动消毒、灭菌和杀虫功能。多功能植保机APP可以查看今日棚内温度，以及预报当地未来几天的天气信息。用I保机1.2 正压通风臭氧防控系统臭氧清洁生产系统（图2）对进入温室的空气以及植株间微环境予以消毒，避免病菌泡子进入温室，杀灭田间病原菌和虫卵等。产气量主要分为5kgH,2kgH,1kg/H,500g/H等不同的规格，可根据温室面积，确定产气参数。结合智能控制，控制好浓度和时间，启动臭氧发生装置，将产生的臭氧输入到风机进风口,通过田间通风管路输送到田间，对进入温室的空气和株间空气进行消毒杀菌。A出AQ图2亚压通风父旬访控条统1.3 温室喷雾多功能植保机为满足大型玻璃温室大面积绿色植保作业的需求，弥补固定式多功能植保机的不足，研制了自走式喷雾多功能植保机（图3）,专门用于大型玻璃温室的病虫害防治，具有作物病害物理绿色防治和叶面肥喷洒功能。1*13温"EI重多助能植保机物理防治法的原理是，将设备产生的一定浓度的臭氧气体与低粒度水雾充分混合，高速喷洒到植物叶片与果实上，利用臭氧、-OH自由基羟基物的高氧化特性杀灭病菌、幼虫虫卵。同时，分解果实上的农药残留，预防果实腐烂，提高果实品质。设备可实现4080m范围内的植保作业，通过配备的GPS系统，能够记录喷洒区域，有效管理施撒作业区域，大范围无遗漏、高效省工。用户可通过手机APP远程控制植保机的行走、喷雾启停、工作模式切换等，可实时查看植保机运行数据。2正压环境综合调控系统温室内高温或低温环境严重影响作物产量和品质，为保证温室生产适宜的温度及湿度环境，本系统拟采用空气源热泵与正压湿帘冷风温室周年环境智能调控系统。该系统主要包括空气源热泵、正压湿帘冷风机组、通风管道及控制系统等。系统优点包括简单实用，成本较低，高效节能，能够实现温室周年热环境智能调控，保证温室周年高效、优质、清洁生产，提升生产收益。正压环境综合调控系统，能够定向精准送风或使湿冷空气按所设计通风管路均匀输送至温室空间，发挥最佳降温效果。在炎热的夏季，正压湿帘冷风机配合遮阳网可将温室内气温控制在30。C以下。这种基于正压通风的温室环境综合调控方法，能够将加温、降温、增湿、除湿、CO2补施、03消毒及过滤等功能有机集成,并实现正常运转,保障温室适宜的环境条件。热交换器采用12.7mm×0.32mm。外壳体采用1.2mm镀锌板加工制作。水涨78Mpa,无渗漏。进出水管为碳钢管。高压喷雾系统设计的每跨种植区域内3条喷雾管，高度5650mm,喷头间距4000mm,一个喷口点位两个喷头，每个喷头喷雾范围覆盖四周2000,喷头为水平左右喷雾。每条喷雾管道上20个点位40个喷头，每台主机控制11条喷雾管道，为一个单元，每个单元共220个喷口点位，共440个喷头。根据短时间内完成空气杀菌消毒效果采用2套每小时1.8kg空气源臭氧系统。由于臭氧消毒是短时间完成的，不需要持续运行，采用风机送风消毒方式。每立方米空间一般情况下浓度15mg,Ih可以消毒完毕，浓度IOmg需要1.5h消毒完毕，消毒期间温室内不能有人员进入、逗留。根据植物生长CO2理论消耗量计算温室每天需要消耗800kgCO2气体，遵循生产成本最低同时考虑环保要求初步确定以下方案。工业气体法CO2发生器供气系统（图5）以工业气体为原料通过CO2发生器（CO2多功能处理器）的过滤系统，经过活性炭、分子筛、除菌消毒三级过滤，净化去除工业气体中的有害挥发性物质，保证蔬菜生产的食品安全。同时利用二氧化碳发生器的储气保压功能，实现CO2气体的常压运行，保证输气管线的长期稳定安全，通过车间供气控制系统根据蔬菜光合作用需要提供C02气体。二氧化碳供气系统性能参数如表1所示。图5:依化碳供气示图阳1二氧化碳供气系统性能参数项目参数最大产气速度600kg/h供气压力0.01-0.09MPa供气温度20C额定电压220VAC/380VAC的功率空气源热泵通过电力驱动可将空气中低品位的能量转换为高品位热能，由于安装费用低,使用方便，高效节能，己成为热泵诸多型式中应用最为广泛的一种。在寒冷的冬季，空气源热泵可将温室内最低气温提升至13以上，与电加热相比节能率在80%以上。设计要求：(1)供水温度大于40；(2)热负荷为100Wm2;(3)设计工况：设计工况-4.9、出水温度40。3设施智能装备技术设施农业是采用人工技术手段，改变自然光温条件，创造优化动植物生长的环境因子，使之能够全天候生长的设施工程。关键技术是能够最大限度利用太阳能的覆盖材料，做到寒冷季节高透明高保温，夏季能够降温防苔，能够将太阳光无用光波转变为适应光合需要的光波，良好的防尘抗污功能等。它根据不同的种养品种需要设计成不同设施类型，同时选择适宜的品种和相应的栽培技术。近年来中国设施农业发展迅速，但自动化程度不高，因此将农业智能控制设备应用于设施农业中具有重要意义。项目采用国家农业信息化工程技术研究中心研制的设施农业智能控制设备，包括设施园艺机器人作业系统，温室托管云服务系统。设施农业机器人作业系统包含了农圣大脑智慧管控机器人、设施园区巡检机器人、设施园艺多功能作业机器人、温室路轨两用自主导航运输机器人、温室喷药机器人、设施番茄自适应授粉机器人和机器人调度系统，为设施农业全生产流程建立了一套全程国产化机器人作业系统，系统在设施农业种植过程的运输、打药、授粉、控制决策、巡检等环节实现少人化作业。3.1 智慧管控机器人智慧管控机器人（图6）具有语音解说、语音控制、温室控制决策、机器人调度等功能，是一款集知识图谱技术、语音识别技术、图像识别技术、Slam技术于一体的智能化决策与服务机器人，是温室智能化管控的中心大脑，机器人采用知识图谱技术将种植者经验和模型系统相结合，建立一套基于知识图谱的大型温室智慧管控决策方法，实现了大型温室管控的智能化和少人化管控，提升了中国现代设施农业智慧化管理水平。田6W.为管控机看人3.2 园区巡检机器人园区巡检机器人（图7）采用视觉导航技术对大型园区温室内外的进行巡检,实现温室内外风险预测报警、病虫害识别、作物生育期识别、作物叶片温度成像、环境监测、温室结构监测、生产采收预警等功能，巡检机器人与计算机控制的全自动化生产管控系统连接，协助完成生产巡检需求，为温室智能控制系统和集中管控机器人提供决策依据。机器人可实现小半径转向，移动灵活，上下坡、越障,复杂路径的自主视觉导航行走。图7同只巡启机器人3.3 路轨两用运输机器人设施农业路轨两用运输机器人（图8）实现了果蔬运输过程的少人化作业,机器人主要由轮式/轨道底盘、滚动式装载架、二维码导航、避障系统组成，具有自动上下轨道、自动导航、自动上下料、自动充电、少人调度等功能，机器人采用二维码导航技术和路轨轮自动切换技术实现了果蔬运输过程的少人化，并可以凭借定位系统和雷达设备，确定栽培行或障碍物的位置，从而保证运输过程中无危险，实现了果蔬运输过程的少人化作业。用X路版的川运输机器火3.4 多功能作业机器人设施番茄多功能作业机器人（图9）集番茄采摘、授粉、运输、巡检等多功能于一体，实现了一台机器人完成多种作业功能，可以在复杂环境下完成番茄的授粉、采摘及运输等功能。机器人采用2D+3D的机器视觉技术，引导机械手与末端执行器完成采摘、授粉任务，是一套高度协同自动化系统。机器人底盘采用路轨两用设施农业专业底盘，基于二维码导航方式，实现了机器人运行过程的少人化管控。图9名助能作业机制上3.5 喷药机器人设施农业喷药机器人（图10）具有自动导航、自动上下轨道、自动识别、自动喷药等功能，采用机器视觉技术、二维码导航技术、路轨两用技术实现了喷药过程的少人化作业，机器人底盘采用路轨两用设施农业专业底盘，基于二维码导航方式，实现了机器人运行过程的少人化管控。用I。也司机制人3.6 授粉机器人授粉机器人（图11）是一种基于机器视觉的机器人系统，具有喷药、喷气或者抖动等多种授粉方式。机器人将计算机视觉、图像处理和多融合传感器技术进行相结合，采用2D相机对番茄花朵进行识别，采用3D点云技术定位待授粉花朵，引导机械臂完成番茄花朵授粉动作。视觉系统同时对周边路况进行检测。3.7 温室牵引车物流系统温室牵引车物流系统（图12）用于温室内货运拉运。具有地盘坚固、离地间隙高、斜坡启动不下滑、操作简单、功能布局合理，上下车安全方便等特点。采用这些设施农业智能控制设备，进行大棚日常作业的自动化操作，可以有效提高农业自动化程度，减少劳动力成本，提高设施农业生产率。图12奉川车4农业物联网技术基于5G/WIFI、物联网等技术，构建基于物联网感知装备的全息监测网络,形成智慧蔬菜的感知中枢，实现水土气、作物长势等农情的高带宽、低时延、广接入、低成本的感知传输，形成安全高效的智慧蔬菜实时化监测技术体系5。具体建设内容包括：智慧蔬菜信息高速公路（图13）覆盖范围为设施蔬菜100栋温室。实现高带宽、低时延、广接入、低成本的WlFl网络构建，实现产业园核心区无线网络全覆盖，支持设备和用户的高质量上网、数据传输，控制与反馈信息化的低延迟收发。同时配套开发数据总线，支持实现水土气、作物长势、视频等信息采集设备、系统的灵活接入。图13WU匹茶信息高速公路王您阳4.2 温室环境云感知设备温室娃娃Il（图14）是一款面向日光温室、塑料大棚、连栋温室等环境监测应用而设计的低功耗采集设备。该设备可监测温室环境中的空气温度、空气湿度、光照强度、二氧化碳浓度、土壤温度、土壤湿度、土壤盐分；通过GPRS无线方式以设置周期定时上传到服务器中；用户可使用客户端软件查看、分析和导出实时数据、历史数据等，同时可随时从微信公众号中查看数据。该设备可与中心的作物群体长势监测仪、远程气象站配套使用，构成温室种植环境监测系统，也可配合温室环境控制器，形成温室系统化测控解决方案。阳Mar卒环境云时ix4.3 三维立体生境视图信息采集分析设备棚内360度三维空间视图信息采集与作物营养智能设备（图15）包括微距高清视图采集设备：最大图像尺寸1280x720,支持夜间红外拍摄，10M/100M网络数据，支持ITUH.262MPEG2和H.264MPEG4AVC等主流视频标准，连续采集监测视频数据、定时采集图像数据，对比植株信息计算作物生长速率等。可连接作物营养智能分析系统，支持视图远程分析与智能决策功能。Mis邹立体小境榄州;Oi栗泉分析设番4.4 蔬菜生长视频监控设备蔬菜生长视频监控设备（图16）具有以下2个配置：高清摄像头。最大图像尺寸1280x720,360。连续旋转，红外距离100m,IoM/100M网络数据，支持ITUH.262/MPEG2和H.264MPEG4AVC等主流视频标准，含吊装支架、安装板，无线网桥2个，内置2×2MIMO天线13DBI,300M无线网桥，无线AP,无线客户端可以点对点或点对多45度角覆盖，含支架。蔬菜生长视频监控设备可通过视频监控进行关键帧动态抓取，可分析作物叶面积、作物高度，拼接生长过程视频，更直观、更全面掌握作物生长状况。温室智慧管控大数据平台基于大数据、人工智能、云计算等技术，打造智慧蔬菜的决策中枢，形成数据驱动的智慧蔬菜智能化管控技术体系，实时分析水、土、气、作物长势等农情信息，基于适宜环境、病害特性、营养需求等作物模型指导农业生产精准决策。具体建设内容包括：5.1 物联网监测预警控制系统5.1.1 数据采集管理对温室区域上传的视频、气象、土壤墙情等进行实时监测。通过软件，将监测数据汇聚至中心机房的进行业务处理,经过数据清洗、特征筛选等预处理过程,分类储存至服务器进行分类管理与共享。5.1.2 预警提醒物联网监测预警控制系统（图17）中录入各品种的土壤温度、湿度，空气温度、湿度，光照强度，风力，土壤PH等数据阈值，并通过实时分析物联网设备采集到的各项对应的数据指标，对超过指标的情况进行预警。m7/<r*色落内烫外M系统5.1.3 分析决策以气象环境监测数据、土壤墙情数据为基础，针对种植的不同蔬菜特性，基于人工智能和深度学习建立环境控制决策模型，指导用户进行最优化的环境控制操作决策，为蔬菜生长提供适宜环境。5.1.4 设备远程控制可通过手机、电脑等终端远程设置环境调控设备运行规则，支持远程自动控制、半自动控制和手动控制，可根据内嵌模型设置水肥设备启停规则，在气象环境和土壤墙情监测数据达到阈值时，进行预警，可对风机、遮阳、湿帘等设备进行远程控制。5.2 标准化种植管理系统标准化种植管理系统（图18）通过分析园区蔬菜生育期差异、土壤气候适应性等生理环境特点，研究基于实时数据和知识库的Al决策分析方法，构建标准农事历数字流程，研发基于生育期配套操作视频、技术方案、微信课程、标本效果等技术资料的个性化智能推荐模型，开展保姆式Al种植大数据智能服务，定制研发蔬菜保姆式云服务系统，提供田间智能作业排产、营养/水肥/栽培农事决策方案等多维数据融合应用服务，解决生产中盲目种植、碎片化服务等问题,促进产品品质效益提升。a用怵标狐化Ift符厮病维5.3 水肥一体化控制系统水肥一体化控制系统（图19）通过水肥一体化系统建设，针对不同品种设施蔬菜制定出科学合理的灌溉制度和施肥制度，建立灌溉施肥监测体系，搭建水肥一体化管控平台，实现对灌溉时间、灌溉次数、灌溉量，施肥时间、肥料种类、养分利用状况、氮磷流失状况、不同深度土壤的氮磷含量等数据的监测，基于人工智能和深度学习建立水肥配比智能决策模型，为用户提供最佳的水肥配比和施用时间，记录并分析作物灌溉规律与栽培模式，优化灌溉施肥管理流程。实现对水肥一体化设备的远程控制，以提高科学施肥水平，有效利用水肥资源。用19米肥体化控M府*5.4 病虫害预警系统病虫害预警系统（图20）针对不同品种设施蔬菜构建病虫害图像识别模型，从实时传入的视频数据中分析计算病虫害的发生概率，对超过概率阈值的情况进行预警；另一方面，通过系统可以输入病虫害图像，完善优化病虫害识别模型，提高其识别率和精准度。图如病虫出KIV系统5.5 农产品质量追溯系统农产品质量追溯系统（图21）整合园区设施蔬菜产品全产业链信息，对园区设施蔬菜产品生产环境、生产流程、病虫害防治、质量检测等生产档案信息进行电子记录,建立设施蔬菜质量追溯管理体系，搭建设施蔬菜质量追溯管理平台，实现生产档案的上传，整合设施蔬菜流通与交易信息，利用条码识别技术，实现平台、手机APP等多端设施蔬菜质量追溯管理。W21农产储网：|皿满系统业务潦程6设施蔬菜生产管控平台设施蔬菜生产管控平台（图22）平台利用智能接入、物联网、大数据管理、动态匹配技术，通过对设施农业物联网感知管控设备的统一标准化接入，实现设施农业生产全过程中多源异构数据的接入、过滤、存储、管理、汇聚和接入，形成智慧物联网标准化大数据中心。结合作物全生育期栽培、环境智能调控、农事决策（营养/水肥/栽培）及能源管理等智慧管控模型，形成作物生产全生命周期知识决策模型库，基于设施农业生产大数据中心和知识决策模型库。基于5G通讯技术、控制设备接入控制技术和多类型控制策略，兼容管控了设施生产全程的环境调控设备、生产设备、智能管控设备等执行终端，实现设施生产稳定可靠的环境调控和生产管控；采用云服务模式，在云端构建智慧物联网综合管控服务平台，实现农业基于数据和智慧决策的标准化生产管理、全程品质管控和生产成本精确核算，显著提高农业生产效率，提高经营能力，实现节本增效。田22设施疏纲小詈愣"；本文对目前蔬菜种植的绿色防控、正压环境综合调控系统、设置智能装备、设施农业物联网技术、温室智慧管控大数据平台5个方面进行了综述与系统总结,为推动中国蔬菜种植的信息技术与智能装备技术发展提供参考与借鉴。