林寧++張亮

摘要：隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，無土栽培技術(shù)正改變著土壤、空間、氣候等條件的對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的限制。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過對栽培中溫度、濕度、pH、養(yǎng)分狀況等環(huán)境條件的實時監(jiān)控和管理，實現(xiàn)了無土栽培集約化、智能化和高效化發(fā)展。本研究總結(jié)了物聯(lián)網(wǎng)在無土栽培中的應(yīng)用狀況、出現(xiàn)的問題及發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)；無土栽培；應(yīng)用

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）25-0153-03

Application of the Internet of Things Technology in Soilless Culture

LIN Ning1， ZHANG Liang2

（1.School of Chemistry and Bioengineering， Taizhou College， Nanjing Normal University， Taizhou 225300， China； 2.Taizhou Higher Vocational School of Mechanical & Electrical Technology， Taizhou 225300， China）

Abstract： With the development of modern agricultural technology， the soil， space， climate and other conditions of the traditional agriculture was changed by soilless culture. By means of the real-time monitoring and management of environmental conditions such as temperature， humidity， pH， nutrient status and so on， the development of soilless culture， intelligence and high efficiency is realized. In this paper， the application of the Internet of things in soilless culture， the problems and the development prospects are summarized.

Key words： the Internet of things； soilless culture； application

目前，信息技術(shù)的快速發(fā)展和推廣，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運而生。物聯(lián)網(wǎng)是通過感知、識別外部用戶信息，并對信息進行分析和傳送，同時結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)對用戶智能化認知、傳輸、管理和調(diào)控的一項新技術(shù)。在國家的“十二五”規(guī)劃中，重點提出優(yōu)先發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，快速實現(xiàn)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)耕種方式向精準化和智能化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)過渡。設(shè)施農(nóng)業(yè)作是集種植、農(nóng)業(yè)設(shè)備、智能管理等多領(lǐng)域為一體的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植方式，而無土栽培技術(shù)作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的一部分發(fā)揮著重要作用。無土栽培是采用營養(yǎng)液或者固體基質(zhì)作為根際環(huán)境來替代傳統(tǒng)的土壤的一種種植方式。目前，世界上很多國家在研究和利用無土栽培技術(shù)來進行名貴花卉和植物的種植，發(fā)展迅速。我國無土栽培方面起步較晚，雖然取得一定成績，但技術(shù)落后，缺乏智能化、一體化、信息化管理。因此，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與無土栽培相結(jié)合，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)技術(shù)向精準、智能和高效的方向發(fā)展。

1 什么是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1.1物聯(lián)網(wǎng)定義

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為現(xiàn)代信息技術(shù)的一個組成部分，也是信息化發(fā)展的下一個重要階段。其英文名稱是：“Internet of things（IoT）”。物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了物與物的快速、精準連接。下面，我們從兩個角度來解釋和認識物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。首先，物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)，仍然是以網(wǎng)絡(luò)作為核心環(huán)節(jié)，通過網(wǎng)絡(luò)進行用戶信息的延伸和擴展。其二，物聯(lián)網(wǎng)通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)物品之間信息的傳遞、通信和交換。物聯(lián)網(wǎng)通過感知技術(shù)、識別設(shè)備與普通計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，沖擊著傳統(tǒng)的操作模式。以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)為例，通過人工進行種植、管理和收獲，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用傳感器、互聯(lián)網(wǎng)和應(yīng)用層，實現(xiàn)用戶智能化、信息化管理和應(yīng)用。

1.2結(jié)構(gòu)框架

物聯(lián)網(wǎng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)組成。感知層由溫度傳感器、pH感應(yīng)器、條形碼標簽、攝像頭、識讀器、GPS、M2M終端、傳感器網(wǎng)關(guān)等識別信息和物理信號的終端。感知層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個重要的組成部分，是對外界物理信息進行識別、采集的重要載體和途徑，因此將感知層稱為物聯(lián)網(wǎng)的眼睛，是對外部信息感知的主要環(huán)節(jié)；網(wǎng)絡(luò)層是負責將感知層獲取的信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綉?yīng)用層，包括互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)等各種網(wǎng)絡(luò)，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心部分，類似于高等動物的大腦和中樞系統(tǒng)，負責信息的分析和處理，并將信息傳輸?shù)綉?yīng)用層；然后由應(yīng)用層做出反應(yīng)，應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)與用戶控制終端相連，負責信息調(diào)控和管理。

1.3物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分類

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)一般分為射頻識別技術(shù)、傳感器與傳感網(wǎng)、無線通信網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)等幾類。射頻識別（Radio Frequency Identification）技術(shù)是通過無線電信號進行對象識別并讀寫數(shù)據(jù)的一種通信技術(shù)。這種特別的通信技術(shù)不必建立機械或者光學接觸就可以進行系統(tǒng)和目標對象的識別。其中，常用的技術(shù)主要有低頻、高頻、超高頻，微波等。射頻識別讀寫器一般還分為移動式的和固定式兩種。目前射頻識別技術(shù)已經(jīng)在各單位機構(gòu)得以應(yīng)用，如：圖書館的進出，門禁系統(tǒng)，食品安全溯源等等。相比而言，傳感器則是一種檢測系統(tǒng)，它可以滿足傳輸、存儲、處理、顯示、記錄和控制等需求，它通過檢測信息對象，并將此對象按照一定的電信號或其他信息信號輸出。無線通信主要包括微波通信和衛(wèi)星通信。微波是一種無線電波信號，它的傳送距離約有幾十千米，但是它有很寬的頻帶和較大的通信容量。由于微波的傳輸距離較短，所以一般每隔幾十千米就要建一個微波信號中繼站。衛(wèi)星通信則是以通信衛(wèi)星為中繼站在地球上的多個移動體之間建立微波通信。嵌入式系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物與物相連的智能化終端系統(tǒng)。它是一個存儲在存儲器中的嵌入式處理器控制板。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在無土栽培中的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1無土栽培概況

目前，無土栽培技術(shù)采用營養(yǎng)液或者固體基質(zhì)作為植物根際環(huán)境，代替?zhèn)鹘y(tǒng)土壤，實現(xiàn)精量化育苗和種植。主要種植方式由水培、霧培和基質(zhì)栽培三種。水培是將苗木的根系直接浸入營養(yǎng)液中的一種種植技術(shù)；霧培又稱氣培，是將提前配好的營養(yǎng)液噴霧到植物的根表現(xiàn)，供給其所需的營養(yǎng)；固體基質(zhì)栽培技術(shù)主要采用珍珠巖、泥沙、蛭石、草炭、泥炭等材料，進行栽培植物。

2.2國內(nèi)外無土栽培的現(xiàn)狀

研究發(fā)現(xiàn)無土栽培作為設(shè)施農(nóng)業(yè)最重要的一部分，正改變著傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的種植方式，成為信息化農(nóng)業(yè)的新典范，為農(nóng)業(yè)技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展指明了道路。在20世紀30年代，西方發(fā)達國家首先開始無土栽培技術(shù)，并獲得成功。到了20世紀70年代，營養(yǎng)液膜技術(shù)以其較低投入的特點得到快速的發(fā)展和推廣。

目前，美國、荷蘭、法國、加拿大和日本等國家在無土栽培商業(yè)化種植方面，發(fā)展迅速，應(yīng)用面積廣，在設(shè)施農(nóng)業(yè)種植中占有非常大的一塊比例。無土栽培技術(shù)優(yōu)勢非常明顯，能夠節(jié)省種植空間，同時為人們提供無污染的產(chǎn)品，避免土壤連作帶來的問題，在生產(chǎn)名貴花卉、反季節(jié)農(nóng)產(chǎn)品等方面被快速應(yīng)用。為此，發(fā)達國家將采用現(xiàn)代化信息技術(shù)與無土栽培技術(shù)相結(jié)合，達到自動控制和測定相關(guān)指標，使無土栽培方式可以快速產(chǎn)出、且無污染、產(chǎn)品綠色化。因此，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來感知和調(diào)控栽培基質(zhì)或營養(yǎng)液溫度、營養(yǎng)配比、pH、水分含量、植物長勢等相關(guān)指標，實現(xiàn)無土栽培的工廠化生產(chǎn)、產(chǎn)品的周期性生產(chǎn)以及效益的最大化。

近些年，無土種植在我國有了長足的發(fā)展。早在20世紀中后期，我國開始無土種植研究，成果顯著。隨著改革開放，人們生活品質(zhì)的改善，無土栽培技術(shù)在全國各地快速興起，為人們提供了綠色無污染的農(nóng)產(chǎn)品。但是無土栽培在我國起步較晚，還存在很多問題，比如技術(shù)的缺乏，設(shè)備的不完善，資金不到位，人才培養(yǎng)制度不明確，尤其缺乏與現(xiàn)代信息技術(shù)的聯(lián)系。因此，導致無土栽培技術(shù)很難在我國大面積推廣， 同時，阻礙了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在無土栽培中的應(yīng)用

2.3.1 無土栽培環(huán)境條件的感知

物聯(lián)網(wǎng)的感知層由各種信息和數(shù)據(jù)采集層以及傳感器設(shè)備組成，其中信息采集層通過溫濕度傳感器、pH感應(yīng)器、營養(yǎng)濃度感應(yīng)器、攝像頭、紅外線等傳感器來感知、采集無土栽培設(shè)備中的環(huán)境溫度、濕度、pH值以及營養(yǎng)濃度，并將采集到數(shù)據(jù)、視頻或者物理量轉(zhuǎn)化為物理世界的信息。自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)字鏈路的編碼、調(diào)制和解調(diào)技術(shù)來實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)傳感器及傳感器節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸，基于網(wǎng)絡(luò)、流量管理、路由等技術(shù)，實現(xiàn)各節(jié)點間的自組織與協(xié)調(diào)互通。

通過安裝的各類傳感器對無土栽培設(shè)施中相關(guān)指標的變化進行感知、采集，經(jīng)過3G、4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線網(wǎng)、藍牙等進行信息的傳輸。

2.3.2 無土栽培環(huán)境信息的處理

由感知層采集到的相關(guān)指標信息，通過自組織傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層是傳遞感知層發(fā)出或接收的數(shù)據(jù)，通過獲得物理量自身攜帶的電子信息，進行識別和信息格式的轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中間層將感知層采集到信息傳入過應(yīng)用層，實現(xiàn)整個物聯(lián)網(wǎng)三個結(jié)構(gòu)層次的連接。

2.3.3 無土栽培環(huán)境的調(diào)控

根據(jù)無土栽培設(shè)施植物對環(huán)境條件的要求，提前設(shè)定栽培環(huán)境指標，如無土栽培設(shè)施中溫度、濕度、pH值、二氧化碳濃度、養(yǎng)分濃度、光照，以及栽培室外氣候條件等相關(guān)指標進行監(jiān)測、記錄。通過感知層多種傳感器和信息采集終端及時獲取指標參數(shù)，然后經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層傳遞和處理，輸出到相應(yīng)的操作接口，實現(xiàn)對無土栽培環(huán)境中相關(guān)指標的實時監(jiān)控和調(diào)節(jié)。另外，用戶根據(jù)栽培植物對生長過程中，在不同時期對環(huán)境指標的要求，設(shè)定相應(yīng)的警告閾值，網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以根據(jù)植物對相關(guān)指標的不同需要進行智能化調(diào)節(jié)。

3基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無土栽培發(fā)展前景

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，同時也改變著傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的種植，使其向著智能化、集約化、高效化的方向發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)無土栽培技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)與無土栽培技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，同時又是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。無土種植技術(shù)的智能化發(fā)展，將快速提高種植過程的智能化管理，為人們提供無污染、環(huán)保的農(nóng)產(chǎn)品。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在無土栽培中主要應(yīng)用在對栽培環(huán)境中相關(guān)參數(shù)的智能化監(jiān)控和調(diào)節(jié)，以及輔助人工進行智能化管理，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)精準化種植。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在無土栽培等設(shè)施農(nóng)業(yè)種植和管理方面有廣闊的發(fā)展空間。

由于我國在發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)技術(shù)的過程中起步較晚，技術(shù)、資源配備、財力等各方面均不夠完善。如現(xiàn)階段傳感器產(chǎn)品雖然品種較多，但是功能不完整，擴展性和升級能力相對較差，僅能形成簡單的系統(tǒng)，并且性價比不高，推廣效果不明顯；網(wǎng)絡(luò)傳輸管理系統(tǒng)建設(shè)滯后，管理系統(tǒng)不穩(wěn)定；缺乏物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的相關(guān)人才。因此，我們應(yīng)該加強物聯(lián)網(wǎng)軟件的開發(fā)和技術(shù)的研究，盡快實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在無土栽培領(lǐng)域的大面積推廣，實現(xiàn)植物的工廠化、精準化種植。

參考文獻：

[1] 劉志輝，朱旭東. 物聯(lián)網(wǎng)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學，2014，42（33）.

[2] 李婭娜. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在中國設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 南方農(nóng)業(yè)，2014，8（33）.

[3] 賈寶紅，錢春陽，宋治文，等. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用及其研究方向[J]. 天津農(nóng)業(yè)科學，2015，21（4）.

[4] 余錫壽，劉躍萍. 植物工廠栽培技術(shù)的發(fā)展及其展望[J]. 農(nóng)業(yè)科技展望，2013（7）.

[5] 戴起偉，曹靜，凡燕，等.面向現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)模式設(shè)計[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學報，2012，28（5）.

[6] 閆敏杰，夏寧，萬忠，等. 物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J]. 中國農(nóng)學通，2011，27（8）.

[7] 姚世鳳，馮春貴，賀園園，等. 物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 農(nóng)機化研究，2011（7）.

[8] 何龍，聞?wù)湎迹瑮詈Ｇ? 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)機化研究，2010（12）.