疫情常態(tài)背景下溫室物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在蔬菜生產(chǎn)中的應(yīng)用

褚軍　張靜　劉萍　王奎萍　趙大球　佟思純

摘 要：新冠疫情的暴發(fā)對(duì)傳統(tǒng)蔬菜生產(chǎn)造成極大的沖擊。該文以溫室番茄生產(chǎn)為例，重點(diǎn)探討疫情常態(tài)化背景下利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)番茄的栽培生產(chǎn)管理，從番茄生長發(fā)育周期的確定、溫室環(huán)境條件的調(diào)控以及病蟲害防治3個(gè)方面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在番茄生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行探討，以期為疫情常態(tài)化背景下蔬菜生產(chǎn)發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);蔬菜生產(chǎn);番茄;新冠疫情

中圖分類號(hào) S127;S641.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2022）07-0108-03

2020年初突如其來的新冠肺炎（COVID-19）疫情對(duì)我國社會(huì)生產(chǎn)造成了不可忽視的負(fù)面影響[1-2]。中央及地方政府為了防止疫情蔓延，相繼出臺(tái)了嚴(yán)控人員流動(dòng)、停工停產(chǎn)等防疫措施，這些措施的實(shí)施在有效控制疫情擴(kuò)大傳播的同時(shí)，也嚴(yán)重影響了正常的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。農(nóng)業(yè)是我國第一產(chǎn)業(yè)，2020年1—3月，全國農(nóng)業(yè)增加值下降3.2%[3]。以蔬菜生產(chǎn)為例，由于蔬菜生長快、產(chǎn)量高，又要求產(chǎn)品鮮嫩，這就需要對(duì)蔬菜生產(chǎn)進(jìn)行精耕細(xì)作和較高的栽培管理水平[4]。而疫情的暴發(fā)使得農(nóng)業(yè)人員不能到達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場，對(duì)于生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，從而導(dǎo)致蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)得不到保證，嚴(yán)重影響了蔬菜生產(chǎn)和農(nóng)民的增收。

近年來，隨著信息化和現(xiàn)代化的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)[5-7]。信息采集系統(tǒng)利用傳感器對(duì)溫室中的各類環(huán)境信息，如空氣溫濕度、土壤溫濕度、土壤pH等進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程采集和監(jiān)控;智能控制系統(tǒng)對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境條件進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，保證植物的生長環(huán)境;攝像監(jiān)控系統(tǒng)能夠立體、鮮活、形象、直觀地反映植物的生長狀態(tài)、生產(chǎn)過程以及病蟲害的預(yù)防。對(duì)于超出系統(tǒng)設(shè)定閾值范圍的環(huán)境信息，預(yù)警系統(tǒng)會(huì)向用戶PC或手機(jī)終端發(fā)出預(yù)警信息，并給出相應(yīng)的解決措施。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將溫室內(nèi)智能裝備信息、作物信息、環(huán)境信息三要素通過數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)共享，從而使植物在無人狀態(tài)下保質(zhì)保量生產(chǎn)變成可能[8]。筆者以茄果類蔬菜番茄生產(chǎn)為例，就疫情常態(tài)化背景下如何利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)番茄的生產(chǎn)進(jìn)行探討，以期為疫情期間蔬菜的智能化生產(chǎn)提供參考。

1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架

該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)位于揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)園林園藝學(xué)院玻璃溫室蔬菜生產(chǎn)區(qū)，分為設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層及應(yīng)用層4部分，如圖1所示。設(shè)備層為智能主機(jī)、各類傳感器、高清攝像頭、智能控制器以及智能設(shè)備等，通過Zigbee網(wǎng)進(jìn)行通信;網(wǎng)絡(luò)層由4G通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)專線組成，為數(shù)據(jù)傳輸通道;平臺(tái)層作為系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)計(jì)算和交互，為遠(yuǎn)程控制提供決策;應(yīng)用層主要面向用戶，將接收到的數(shù)據(jù)信息通過圖表和曲線的方式展示給用戶，方便用戶實(shí)時(shí)查看和調(diào)控。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在番茄生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 生長發(fā)育周期的確定 番茄的生長發(fā)育周期主要分為發(fā)芽期、幼苗期、開花坐果期和結(jié)果期4個(gè)階段，各生長期番茄植株的形態(tài)特征存在差異。疫情期間生長發(fā)育周期的確定主要利用物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)，用戶在PC端或手機(jī)端App遠(yuǎn)程縮放溫室內(nèi)高清紅外球機(jī)（500萬像素，32倍變焦）焦距、調(diào)整攝像頭角度來全方位立體觀察植株的形態(tài)特征，確定番茄所處的生長發(fā)育期，從而對(duì)相應(yīng)階段的栽培管理措施進(jìn)行調(diào)整。如當(dāng)高清攝像頭遠(yuǎn)程觀測到番茄植株出現(xiàn)第1片真葉時(shí)，可以確定番茄已處于發(fā)芽期，在適宜條件下7～9d。發(fā)芽期能否完成發(fā)芽取決于溫度、濕度、通氣狀況等環(huán)境條件。當(dāng)攝像頭中番茄植株出現(xiàn)第1片真葉時(shí)，番茄幼株即進(jìn)入幼苗期，此階段的主要任務(wù)是保證幼苗的健壯生長及花芽的正常分化及發(fā)育，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測苗期病害的發(fā)生。當(dāng)植株第一花序出現(xiàn)大蕾時(shí)就進(jìn)入了開花坐果期，該階段對(duì)水肥要求較高，可通過智能控制器遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)水肥一體化系統(tǒng)，保證水肥的供應(yīng)。當(dāng)攝像頭觀測到植株第1花序果實(shí)坐穩(wěn)，即番茄進(jìn)入結(jié)果期，該階段需要實(shí)時(shí)監(jiān)測果實(shí)墜秧現(xiàn)象，保證結(jié)果與長秧的平衡[4]。

2.2 溫室環(huán)境條件的調(diào)控

2.2.1 溫度 番茄屬于喜溫作物，不同生育期對(duì)溫度的要求存在差異。種子發(fā)芽適溫為25～30℃;幼苗期白天20～25℃，夜間10～15℃;開花期對(duì)溫度要求比較嚴(yán)格，晝溫控制在20～30℃，夜溫15～20℃;結(jié)果期晝溫控制在25～28℃，夜溫15～20℃[4]。溫度的調(diào)控主要依靠空氣溫濕度傳感器，土壤溫濕度傳感器采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，用戶通過PC端或手機(jī)端App遠(yuǎn)程隨時(shí)查看相關(guān)數(shù)據(jù)圖及曲線圖。當(dāng)溫度超出相應(yīng)的閾值時(shí)，用戶通過移動(dòng)端遠(yuǎn)程開啟或關(guān)閉風(fēng)機(jī)、天窗、濕簾、外遮陽、內(nèi)遮蔭等智能控制設(shè)備，滿足溫室內(nèi)植株生長所需的溫度條件。

2.2.2 光照 番茄屬于喜光作物，番茄的光飽和點(diǎn)為70klx，最低光照強(qiáng)度需30～35klx，屬于中日性植物。番茄在13～16h光照條件下生長最好[4]。用戶可以通過移動(dòng)端遠(yuǎn)程開啟或關(guān)閉補(bǔ)光燈、外遮陽、內(nèi)遮蔭等光照調(diào)節(jié)設(shè)施，保證番茄的光照條件。

2.2.3 水分 番茄吸水能力較強(qiáng)，一般土壤濕度要求在土壤最大持水量的60%～80%，空氣濕度保證在45%～50%為宜[4]。通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，用戶可以遠(yuǎn)程查看溫室空氣、土壤中的濕度狀況。當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)偏低或偏高時(shí)，通過PC端或手機(jī)端App操作智能無線控制器開啟或關(guān)閉航噴系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)，及時(shí)補(bǔ)充或降低空氣和土壤中的濕度，保證番茄各生長階段的水分需求。

2.2.4 肥料 盛果期是番茄需肥的高峰期，需集中追肥2～3次。植株肥料的供給主要通過水肥一體化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[4]。用戶根據(jù)土壤pH值傳感器、土壤EC值傳感器采集到的營養(yǎng)土的pH值和EC值制定相應(yīng)的施肥策略，定時(shí)定量供給。

2.3 病蟲害防治 溫室中番茄病害主要包括灰霉病、早疫病、晚疫病、葉霉病、病毒病等，害蟲主要有蚜蟲、白粉虱、棉鈴蟲、紅蜘蛛等[9]。一方面通過高清監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測番茄植株的生長狀態(tài)及病蟲害信息，結(jié)合相關(guān)書籍或?qū)＜蚁到y(tǒng)，對(duì)病蟲害信息進(jìn)行診斷和預(yù)警;另一方面，病蟲害的發(fā)生與環(huán)境條件相關(guān)。物聯(lián)網(wǎng)各傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測番茄的生長環(huán)境，當(dāng)環(huán)境條件超出相應(yīng)的閾值時(shí)，就需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，堅(jiān)持預(yù)防為主、綜合防治的植保方針。物聯(lián)網(wǎng)信息的采集不僅在數(shù)量上實(shí)現(xiàn)了突破，在維度上亦實(shí)現(xiàn)了飛躍，提高了病蟲害預(yù)測的精準(zhǔn)度。

3 問題與展望

目前，我國農(nóng)村農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)仍以農(nóng)戶式小規(guī)模種植為主，農(nóng)民在安裝使用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備方面存在基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、資金不足、缺乏指導(dǎo)等問題，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的使用范圍受到很大程度的限制，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精細(xì)化、機(jī)械化以及自動(dòng)化水平不高。同時(shí)，農(nóng)民整體文化水平偏低，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能力不強(qiáng)，影響了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣及農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展?；A(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和應(yīng)用是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推廣的根本，通過系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新提升，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)控制、智能決策、精準(zhǔn)作業(yè)及科學(xué)管理于一體的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)化體系。

雖然近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控、動(dòng)植物生命信息監(jiān)控、智能農(nóng)機(jī)以及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與追溯等各個(gè)領(lǐng)域，但僅局限于對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)控及環(huán)境條件的控制，對(duì)于傳統(tǒng)的植株綁蔓、摘枝、采收等重要農(nóng)業(yè)活動(dòng)還需依賴人工作業(yè)，缺乏智能化精準(zhǔn)作業(yè)裝備。因此，需加強(qiáng)科技研發(fā)的投入，實(shí)現(xiàn)無人育苗、無人監(jiān)測、無人調(diào)控、無人分揀、無人收獲的高效生態(tài)農(nóng)業(yè)[10]。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)編：徐世紅）

Application of Greenhouse Internet of Things Technology in Vegetable Production under the Background of Epidemic Normality

——Taking Tomato Production as an Example

CHU Jun1? ?ZHANG Jing1? ?LIU Ping1? ?WANG Kuiping1? ?ZHAO Daqiu2? ?TONG Sichun3

（1Engineering Research Center for Agricultural Security and Environmental Protection of Jiangsu Province， Yangzhou Polytechnic College， Yangzhou 225009， China; 2College of Horticulture and Plant Protected， Yangzhou University， Yangzhou 225009， China; 3College of Biology and the Environment， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037，China）

Abstract： The outbreak of COVID-19 has a great impact on traditional vegetable production. Taking tomato production in greenhouse as an example， this paper focuses on the use of Internet of things technology to realize tomato cultivation and production management under the background of epidemic normalization. This paper discusses the application of Internet of things technology in tomato production from three aspects： the determination of tomato growth and development cycle， the regulation of greenhouse environmental conditions and pest control， in order to provide reference for the development of vegetable production under the background of epidemic normalization.

Key words： Internet of things technology; Vegetable production; Tomato; COVID-19

基金項(xiàng)目：江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究2019年度重點(diǎn)課題（課題編號(hào)：2019-R-69658）;揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)教改重點(diǎn)課題（課題編號(hào)：2018JGZD04）;揚(yáng)州大學(xué)教改課題（課題編號(hào)：YZUJX2018-41C）研究成果。

作者簡介：褚軍（1984—），男，江蘇江都人，博士，講師，研究方向：園藝栽培學(xué)。? 收稿日期：2021-12-23