一、項(xiàng)目背景
鄉(xiāng)村振興與脫貧戰(zhàn)略
十九大：構(gòu)建現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系、生產(chǎn)體系、經(jīng)營體系，完善農(nóng)業(yè)支持保護(hù)制度，發(fā)展多種形式適度規(guī)模經(jīng)營，培育新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體，健全農(nóng)業(yè)社會化服務(wù)體系，實(shí)現(xiàn)小農(nóng)戶和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展有機(jī)銜接。促進(jìn)農(nóng)村一二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，支持和鼓勵農(nóng)民就業(yè)創(chuàng)業(yè)，拓寬增收渠道。
2017年12月，中央農(nóng)村工作會議指出：到2020年，鄉(xiāng)村振興取得重要進(jìn)展，制度框架和政策體系基本形成；到2035年，鄉(xiāng)村振興取得決定性進(jìn)展，農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化基本實(shí)現(xiàn)；到2050年，鄉(xiāng)村全面振興，農(nóng)業(yè)強(qiáng)、農(nóng)村美、農(nóng)民富全面實(shí)現(xiàn)。
“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計(jì)劃
2015年3月，李克強(qiáng)總理在第十二屆全國人民代表大會上提出：“制定‘互聯(lián)網(wǎng)+’行動計(jì)劃，推動移動互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等與現(xiàn)代制造業(yè)結(jié)合，促進(jìn)電子商務(wù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)金融健康發(fā)展。”
傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)與智慧農(nóng)業(yè)
我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)是靠天吃飯，自然環(huán)境對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響很大。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在生產(chǎn)過程中，無論是農(nóng)作物的種植還是水產(chǎn)、畜禽的養(yǎng)殖，多憑農(nóng)牧漁民的經(jīng)驗(yàn)和感覺進(jìn)行生產(chǎn)，這不僅會造成作業(yè)效率低下、肥水藥的嚴(yán)重浪費(fèi)，還使得農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)與安全難以保證，很難做到精準(zhǔn)化和利益最大化。智慧農(nóng)業(yè)通過智能硬件、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)對傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行升級改造，構(gòu)建全程智能化的高效監(jiān)測控制管理體系，實(shí)現(xiàn)科學(xué)指導(dǎo)生態(tài)輪作，保證作物的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)、安全；建立線上運(yùn)營和溯源系統(tǒng)，提高農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)收益和品牌效益。對比傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，產(chǎn)量卻可達(dá)常規(guī)種植的3－5倍；環(huán)境的控制、灌溉和施肥無需人工勞作，而由水肥一體化灌溉系統(tǒng)精準(zhǔn)完成，比大田漫灌節(jié)水70％－80％；種植空間不只限于平面，還可垂直立體，土地節(jié)約高達(dá)80％；打農(nóng)藥有無人機(jī)，大棚采摘有機(jī)器人，耕地、收割、曬谷、大米加工全程機(jī)械化……等等。
發(fā)展機(jī)遇
農(nóng)業(yè)經(jīng)過歷史長河的發(fā)展進(jìn)程，發(fā)展到一定程度后，大多數(shù)會走多元化多功能的發(fā)展道路。隨著人工智能技術(shù)和自動控制技術(shù)的快速發(fā)展，智慧大棚應(yīng)運(yùn)而生，在現(xiàn)代化技術(shù)的應(yīng)用下，農(nóng)業(yè)大棚中布置了大量的數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸、分析處理、自動控制裝置，能夠?qū)鹘y(tǒng)人工作業(yè)的經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)代化的邏輯判斷、自動操控相結(jié)合，達(dá)到大棚環(huán)境實(shí)時監(jiān)測、生產(chǎn)工序自動執(zhí)行的效果。智能溫室大棚能有效提供單位土地投入產(chǎn)出比，高效利用各種資源能源，切實(shí)促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動效益的提升。
二、解決方案
1、系統(tǒng)組成及技術(shù)介紹
智能溫室大棚控制系統(tǒng)充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，集成軟件、智能控制、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、音視頻技術(shù)、3S技術(shù)、無線通訊技術(shù)及專家智慧與知識，實(shí)現(xiàn)大棚控制各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的信息化、標(biāo)準(zhǔn)化，是云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)等多種信息技術(shù)在大棚控制中綜合、全面的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)更完備的信息化基礎(chǔ)支撐、更透徹的農(nóng)業(yè)信息感知、更集中的信息資源、更廣泛的互聯(lián)互通、更深入的智能控制、更貼心的公眾服務(wù)。
智能溫室大棚系統(tǒng)包含環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、智能控制子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析和管理子系統(tǒng)等四大部分組成。另外還可以根據(jù)客戶需求進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，例如擴(kuò)展農(nóng)作物生長監(jiān)測子系統(tǒng)、智能施肥灌溉子系統(tǒng)（水肥一體化控制系統(tǒng)）、大棚補(bǔ)溫系統(tǒng)、補(bǔ)氣系統(tǒng)等。
2、環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)
溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)是智能溫室大棚控制系統(tǒng)的核心部分，通過安裝溫度、濕度、光照度、CO2濃度等傳感器，對溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線傳輸技術(shù)發(fā)送至中心控制器，形成一份詳細(xì)的溫室大棚環(huán)境參數(shù)報(bào)告。
數(shù)據(jù)中心根據(jù)前端智能硬件上傳的數(shù)據(jù)可以實(shí)時監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)和查看植物生長分析曲線圖，也為后續(xù)的自動控制提供服務(wù)。
3、智能控制子系統(tǒng)
溫室大棚智能控制子系統(tǒng)是基于監(jiān)測子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，通過將傳感器與控制器（聯(lián)動設(shè)備）相連，控制器可以根據(jù)環(huán)境參數(shù)的變化，通過中心控制器，對溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，以保持最適宜的生長環(huán)境。此外，還可以自定義規(guī)則，讓整個溫室設(shè)備隨環(huán)境參數(shù)變化自動控制，比如當(dāng)棚內(nèi)溫度過高時，溫室卷膜和通風(fēng)系統(tǒng)開始自動打開。還可以通過將傳感器與灌溉和施肥設(shè)備相連，控制器根據(jù)土壤環(huán)境參數(shù)的變化，自動調(diào)整灌溉和施肥的量和時間，以保持最佳的生產(chǎn)環(huán)境和肥料施用效果。
（1）大棚自然通風(fēng)系統(tǒng)（卷膜、側(cè)窗天窗系統(tǒng)）
溫室內(nèi)的自然通風(fēng)可通過卷膜器通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)換氣，卷膜器通風(fēng)系統(tǒng)是通過卷/鋪塑料膜以達(dá)到開啟或關(guān)閉通風(fēng)口，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)換氣。卷膜系統(tǒng)一般由電動卷膜器、卷膜桿、壓膜卡和卷膜搖柄、繩子、軸承座等組成，卷膜器工作時帶動卷膜軸轉(zhuǎn)動，將塑料膜卷在軸上，由此形成溫室大棚的通風(fēng)。
卷膜器系統(tǒng)一般有側(cè)窗通風(fēng)、天窗通風(fēng)兩類?？梢酝ㄟ^手動和自動兩種模式來控制卷膜器的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)塑料卷膜的打開和關(guān)閉。自動模式下可以通過棚內(nèi)溫度上下限和設(shè)置時間節(jié)點(diǎn)來控制卷膜器的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)自動化控制。
（2）強(qiáng)制降溫通風(fēng)系統(tǒng)（風(fēng)機(jī)、濕簾系統(tǒng)）
濕簾安裝在溫室的北端面，風(fēng)機(jī)安裝在溫室的南端面，當(dāng)需要降溫時，啟動風(fēng)扇，將溫室內(nèi)的空氣強(qiáng)制抽出，造成負(fù)壓，同時，水泵將水打在對面的濕簾墻上，室外空氣被負(fù)壓吸入室內(nèi)時，以一定的速度從濕簾的縫隙穿過，導(dǎo)致水分蒸發(fā)、降溫，吸收室內(nèi)熱量后，經(jīng)風(fēng)扇排出，從而達(dá)到降溫的目的。
濕簾外側(cè)配備電動外開窗，安裝防蟲網(wǎng)，防止飛蟲、飛絮等堵塞濕簾。
（3）大棚卷簾控制系統(tǒng)
智能溫室大棚卷簾控制系統(tǒng)，可以通過手動和自動兩種模式來控制卷簾機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)棉被的打開和關(guān)閉。自動模式下可以通過設(shè)置時間節(jié)點(diǎn)來控制卷簾機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)自動化控制。棉被上限位，實(shí)行三重保護(hù)防止過卷，棉被下限位帶有延時功能，防止反卷。大大減少了大棚種植戶人工成本的投入。
（4）大棚補(bǔ)光系統(tǒng)
植物補(bǔ)光燈是依照植物生長的自然規(guī)律，根據(jù)植物利用太陽光進(jìn)行光合作用的原理，使用燈光代替太陽光來提供植物生長發(fā)育所需光源的一種燈具。植物生長燈的主要用途是在自然光照不充足的情況下進(jìn)行光照的補(bǔ)充，合理使用植物生長燈，可有效的提高大棚蔬菜產(chǎn)量和縮短生長周期，提高經(jīng)濟(jì)效益。
溫室大棚補(bǔ)光系統(tǒng)同樣也可以通過手動和自動兩種模式來控制補(bǔ)光燈的打開和關(guān)閉。自動模式下可以通過棚內(nèi)光照度的上下限和設(shè)置時間節(jié)點(diǎn)兩種模式來達(dá)到自動化控制。
4、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)
視頻監(jiān)控子系統(tǒng)主要用于監(jiān)視棚內(nèi)的實(shí)時環(huán)境以及植物的生長狀態(tài)。系統(tǒng)通過視頻監(jiān)控管理云平臺實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、視頻采集、錄像回放和智能運(yùn)維，并為智能硬件數(shù)據(jù)傳輸提供服務(wù)。
5、數(shù)據(jù)分析和管理子系統(tǒng)
數(shù)據(jù)分析和管理子系統(tǒng)主要用于對溫室大棚的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。通過將中央控制系統(tǒng)與云計(jì)算平臺相連，可以對溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)、土壤墑情數(shù)據(jù)、灌溉和施肥數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，提供生產(chǎn)效率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和趨勢分析，以幫助農(nóng)民制定最佳的生產(chǎn)計(jì)劃和決策。
系統(tǒng)主要功能：
溫室大棚環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時查看：通過電腦或手機(jī)遠(yuǎn)程查看溫室的實(shí)時環(huán)境數(shù)據(jù)，包括空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照度、CO2濃度等；用戶可以直觀查看溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時曲線圖，及時掌握溫室農(nóng)作物生長環(huán)境。
遠(yuǎn)程自動控制：遠(yuǎn)程、自動化控制溫室內(nèi)環(huán)境設(shè)備，提高工作效率，如自動灌溉系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、卷簾、側(cè)窗等；可以自定義規(guī)則，讓整個溫室設(shè)備隨環(huán)境參數(shù)變化 自動控制，比如當(dāng)土壤濕度過低時，溫室灌溉系統(tǒng)自動開始澆水；提供PC端和移動端，客戶可以在任意地點(diǎn)遠(yuǎn)程控制溫室的所有設(shè)備。
智能報(bào)警：系統(tǒng)可以靈活的設(shè)置各個溫室不同環(huán)境參數(shù)的上下閥值。一旦超出閥值，系統(tǒng)可以根據(jù)配置，通過手機(jī)短信、系統(tǒng)消息等方式提醒相應(yīng)管理者；報(bào)警提醒內(nèi)容可根據(jù)模板靈活設(shè)置，根據(jù)不同客戶需求可以設(shè)置不同的提醒內(nèi)容，滿足客戶個性化需求；可以根據(jù)報(bào)警記錄查看關(guān)聯(lián)的溫室設(shè)備，更加及時、快速遠(yuǎn)程控制溫室設(shè)備，高效處理溫室環(huán)境問題；可及時發(fā)現(xiàn)不正常狀態(tài)設(shè)備，通過短信或系統(tǒng)消息及時提醒管理者，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行
歷史數(shù)據(jù)分析：系統(tǒng)可以通過不同條件組合查詢和對比歷史環(huán)境數(shù)據(jù)；支持列表和圖表兩種不同方式查看，用戶可以更直觀看到歷史數(shù)據(jù)曲線；與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)可以分析更適合農(nóng)作物生長、能提高農(nóng)作物產(chǎn)量的環(huán)境參數(shù)，輔助決策。
視頻監(jiān)控：遠(yuǎn)程實(shí)時查看溫室大棚監(jiān)控視頻，并可以保存錄像文件，防止農(nóng)作物被盜等狀況出現(xiàn)。
6、擴(kuò)展系統(tǒng)
（1）農(nóng)作物生長監(jiān)測子系統(tǒng)
農(nóng)作物生長監(jiān)測子系統(tǒng)主要用于監(jiān)測植物的生長狀態(tài)，例如生長速度、葉片顏色、葉面積等。通過將傳感器放置在植物周圍，可以實(shí)時監(jiān)測植物的生長狀態(tài)，并根據(jù)結(jié)果調(diào)整生產(chǎn)環(huán)境和肥料施用，以提高植物的生長速度和質(zhì)量。
（2）水肥一體化控制系統(tǒng)
水肥一體化系統(tǒng)通過土壤濕度傳感器來監(jiān)測土壤中的水分，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到土壤水分低于標(biāo)準(zhǔn)值的時候，系統(tǒng)可以自動打開灌溉系統(tǒng)，為農(nóng)作物進(jìn)行灌溉，當(dāng)土壤水分達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)以后，系統(tǒng)又可以自動關(guān)閉灌溉系統(tǒng)，用戶只需要提前設(shè)定好土壤水分的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，就能實(shí)現(xiàn)自動化灌溉。另外水肥一體化系統(tǒng)對于施肥的控制也是根據(jù)傳感器監(jiān)測的，通過土壤養(yǎng)分傳感器，監(jiān)測土壤中的氮磷鉀含量，當(dāng)檢測到土壤中的養(yǎng)分低于標(biāo)準(zhǔn)值，系統(tǒng)可以自動打開施肥系統(tǒng)，為土壤施肥，從而實(shí)現(xiàn)自動化施肥。
（3）大棚補(bǔ)溫系統(tǒng)
為了保持溫室大棚內(nèi)完美的保溫效果，采取的措施一般都是在溫室室內(nèi)頂部和四周安裝保溫被，或者在室內(nèi)安裝加熱風(fēng)機(jī)，或者還可以在室內(nèi)安裝加熱管道（暖氣），通過供熱系統(tǒng)的熱水進(jìn)出來達(dá)到保溫的作用。
（4）大棚補(bǔ)氣系統(tǒng)
寒冷的冬季，由于大棚內(nèi)空間相對封閉，CO2變化很大，白天室內(nèi)可降至150ppm，夜間則高達(dá)450-500ppm（植物正常光合作用的CO2濃度為300ppm）。將CO2的濃度增加到400-1000ppm或更高，能促進(jìn)作物生長，有效提高作物的產(chǎn)量和改善作物品質(zhì)。
燃?xì)馐蕉趸及l(fā)生器，可以應(yīng)用于溫室、大棚，有效提高農(nóng)作物品質(zhì)、促進(jìn)早熟、抵御病害、減少農(nóng)藥使用量等功效。
三、案例展示
1、運(yùn)城市臨猗縣國家級有機(jī)旱作產(chǎn)業(yè)園智慧農(nóng)業(yè)項(xiàng)目
2、山西農(nóng)業(yè)大學(xué)霍州市馮南垣村特色產(chǎn)業(yè)提檔升級示范園區(qū)項(xiàng)目
