图1白克智慧农业产业园大空间智能日光温室
济南白克智慧农业产业园位于山东省济南市莱芜区。白克KB-CPS作物精准栽培管理质押融合操作系统用于园区大空间智能日光温室作物(图1)的全面数字化控制。在充分利用自然条件、设施条件和物联网精准调控的基础上，暖温带地区可常年向市场供应莲雾、木瓜、荔枝等优质热带水果，取得了良好的效果。产业园莲雾年产量达4500公斤/667米(图2a)，可溶性固形物14%，比产地高50%以上，商品果率80%。番木瓜年均产量5000 kg/667 m(图2b)，可溶性固形物含量13%以上，比原产地高25%。热带作物年产值10多万元/6.67亿。
图2白克智慧农业产业园智能温室南方水果北方品种
这项技术很难实现，尤其是在温室环境控制方面。采用传统方式和普通大棚栽培，控制效果有限，管理成本高。白克智慧农业产业园的高效管理得益于大数据和农业物联网系统在栽培管理中的成熟应用。
数据监测
白克智慧农业产业园内的每一个智能日光温室都配备了一系列传感器来采集数据。空气温湿度、土壤温湿度、太阳辐照度、CO浓度、土壤pH和EC是影响温室作物生长的基本因素，是温室环境控制需要收集的基础数据。此外，还采集了作物生长的数据信息，如叶温、叶面积、茎果微变量参数、径流等。从这些数据中，我们可以解读环境与作物生长之间更深层次的关系，为中长期环境控制提供更准确、更智能的决策。在白克智能温室中，利用各种传感器可以采集到实时、密集、准确的作物生长环境全维大数据，构成物联网系统智能控制的基础。
数据传输和数据存储
图3校园中不同类型的无线传感器和中央基站
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图4 园区使用的果实直径微变传感器及可视化的大数据实时监控界面
园区内的物联网无线农业环境自动监测和预警系统微基站基于互联网功能， 通过GPRS/GSM 网络和物联网专用频段将各类传感器和节点的数据信息发送到中央数据平台。值得指出的是，相对于有线传感器和数据传输设备，科百使用的无线传感器和数据传输技术在农业物联网应用领取表现出了更加明显的优势。一个中央微基站可覆盖1~3 km 距离， 意味着至少在4500 亩（300.15 hm）的区域范围内，只需要1 座中央基站即可实现布置在园区中所有的传感器和数据节点通讯。不仅节约空间，可模块化安装，还不受使用场景限制，低功耗，低成本，可根据园区管理者需求进行定制化配置。数据的云存储技术更是为园区管理者节约了硬件和空间成本，使数据成为一种可随时取用的无形资产。
图5 智能日光温室中的光照传感器和无线数据传输节点
数据计算和应用
数据采集和存储的最终目的是数据应用，大量的数据需要通过物联网平台和一系列的算法来计算控制逻辑，因此一个完整的、可靠的物联网系统还必须具备强大的数据计算能力。根据不同应用场景和需求，物联网系统已经可以完全实现六大农业环境大数据生产力（图6）。
图6 农业环境大数据生产力
大数据和物联网系统在智能温室环境控制中的基础应用
图7 信物融合系统大空间智能温室环境控制APP 界面
科百物联网系统通过云平台或手机APP（图7~8）可实现对温室环境的远程实时控制。所有接入平台的环控设备如通风口、保温被、轴流风机、湿帘系统、遮阳网、补光灯、电磁阀、加湿器等设备，都可在指令下发后实现远程和实时管理。这些应用可节约大量的人力成本，实现设备控制的统一和标准化管理，尤其是在多温室管理中，一个园区管理员通过云平台可对十多个温室进行远程实时环境管理，远程一键操作某个或多个设备设施的启停。系统还可根据园区管理员需求，针对某一类设备设置定时任务或条件任务。
图8 CaipoWeb 数据云平台的智能控制模块界面
大数据和物联网系统在智能温室环境控制中的高级应用
农业数学模型的研究一直是农科领域的热点之一，但数学模型在农业物联网中很难被实质性应用。在农业物联网系统中，高效的数据采集传输运用等问题迎刃而解，这给农业数学模型的高效应用创造了必要条件。
以计算果树需冷量的犹他模型为例，该模型如果以传统手段来运行十分困难，仅数据采集就是一项庞大而复杂的工程。但在智能温室中，以秒级为采集时间颗粒度的温度大数据，结合物联网系统后台算法，即可精准实现数据实时采集、传输和存储，便捷地运行模型，同时物联网设备设施可在系统支持下智能运行，来进行需冷量的精准监测和环境调控，为精准生产提供有效的支撑。在科百智慧农业产业园温室荔枝栽培中，使用了基于犹他模型理论的需冷量控制模型进行低温积温预测和智能环境控制， 实现了荔枝在该园区的早成花、早坐果、早成熟， 同时提高了产品质量。
图9 科百云平台的保温被开关智能决策模型界面
保温被是智能日光温室进行温度管理的重要设备， 何时开启和关闭影响光热资源的有效利用， 如何实现无人值守式的多温室同步管理需涉及人力资源和高效管理；如何应对不良天气因素对设备造成的损失， 涉及管理中的安全性问题。针对这一系列问题，在济南科百智慧农业产业园， 基于长期采集的大量保温被控制数据和环境数据，经过数据筛选和深度分析，在其物联网云平台上开发了保温被开关智能决策模型，模型上线后可指导保温被在合适的时间自动开启和关闭（图9），实现了温度光照控制高效和便捷化管理。该模型数据分析原理见公式（1）、公式（2）， 具体因素与权重详见表1。
表1 影响保温被开启和关闭的因素及权重
根据系统平台的大数据分析，保温被打开关闭预测函数为：
一些病虫害的发生和流行与种植环境参数关系密切。例如有效积温影响蚜虫的发生世代和虫态，温湿度和持续时间影响炭疽病等真菌性病害在作物生长某一时期的发生风险。基于这些基本原理，通过温室环境监测和计算，可以精准预测病虫害的发生规律，为植保管理提供决策，更进一步，可以在不影响作物生长的前提下进行环境干预，来预防病虫害的发生和流行。在科百智慧农业产业园，植保管理依靠物联网平台提供的数十个病虫害模型进行病虫害预警和提前预防。以莲雾炭疽病为例，该模型基于真菌性病害发生的侵染机理，分析炭疽病侵染、传播、流行所需的必要条件，通过采集大量高密度的环境温湿度数据、莲雾生长状况数据，通过系统的数据筛选和算法，计算和预测病害发生临界点，通过系统给管理者发送植保预警信息，同时指导物联网系统主动开启通风除湿系统等设备采取干预措施，阻止病害发生和流行，有效促进了植保管理中的绿色防控（图10）。
图10 科百云平台的病虫害预警模型界面
图11 基于智能水肥管理决策模型的高频灌溉数据界面
物联网系统和水肥管理数字模型（图11）基于物联网系统采集的土壤数据（田持、相对湿度变化值、土壤EC 和pH 变化值）、大气环境数据（气温、风速）、作物生长数据（物候期、目标产量）等多维度数据，通过系统平台的数据筛选、模型公式的运算，计算蒸腾蒸散量、每天作物的需水和需肥量等关键数据，并通过数据预测未来多天的需水需肥值，主动开启电磁阀和施肥机通道开关，对作物进行精准化水肥管理决策。作物在生长过程中对水肥的吸收是持续不断的，只是基于传统的方式不可能实现“一日三餐”式的水肥补给。基于自动化和智能化的物联网系统就可在无人操控水利设施对作物进行极高频次灌溉和施肥，科百智慧产业园的莲雾栽培中，根据莲雾需水规律，利用水肥管理模型，将灌水周期缩短至数个小时的级别（3~4 次/ 天），这种智能化的管理模式可极大地节约用水和提高肥料利用率，经园区实践验证，相对于传统方式物联网智能水肥管理模型可节约用水70%，肥料利用率提高50% 以上。
数字农场
图12 KB-CPS 信物融合系统数字农场界面
科百智慧农业产业园利用大数据和农业物联网，以数字孪生技术可在云平台构建一个与现实物理农场相对应的数字农场（图12~13）。数字农场可精准地反馈物理农场环境数据、设备设施状态等全维度的实时数据，配合一系列控制逻辑和数字模型，实现全程无人值守式的智能化环境管理和栽培管理。
图13 KB-CPS 信物融合系统智能温室环境控制界面
总结
科百智慧农业产业园通过农业物联网无线传感网络对园区智能温室土壤、作物生理、气象小环境等环境因素的进行全纬度、高密度、高粒度的大数据在线监测。根据作物和环境实时情况， 通过物联网无线控制网络实现作物栽培的精准控制和农业生产环境控制设备的智能管理。通过病虫害数字模型准确预测农作物病虫害发生的时间和程度，制定精准预测、精准预防和精准控制的植保方案， 取代现场人工植保模式。通过水肥管理模型进行作物全生长周期的水肥智能化管理， 通过光资源高效利用、保温被开关智能决策等模型最大限度利用光热资源。这一系列科技手段的应用在一定程度上代表了智慧农业的发展现状与方向，科百智慧农业产业园优秀的管理成效也是其大数据和物联网系统可靠性和科技水平的证明。
当然，农业生产的影响因素繁多、环境复杂，智能温室环境控制更是个多学科融合的庞大工程， 还有广阔的发展空间， 但发展方向必然是基于大数据和农业物联网系统的数字化解决模式。可以预见在不远的将来，大数据和农业物联网技术支撑下的智能温室环境控制会在现代设施农业中得以更广泛的应用，为农业生产注入强劲的“数据力”，带来一场彻底的农业生产关系变革。
大数据和农业物联网技术在智能温室环境控制中的应用——以济南科百智慧农业产业园为例
