基于大数据的“智慧”高效日光在温室蔬菜生产中的应用

郑慧敏 王丽辉

摘  要：当前，数字化技术正在引领农村农业走向现代化，吉林的家庭农场、小农户温室的蔬菜种植引入基于大数据的“智慧”高效日光。在日光温室中，采集了大量蔬菜环境数据及生长期间的数据。在相同条件下，通过监控蔬菜的生长过程以及对病虫害的精准预测，实现了可控的施肥与生物防治任务，降低了生产成本和劳动成本，推进了“数字吉林”的实现。

关键词：日光温室；高效日光；数字吉林

中图分类号：TP39    文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）08-0151-05

Abstract： At present， digital technology is leading rural agriculture to modernization. Jilin's family farms and small farmers' greenhouses introduce “smart” efficient sunlight based on big data. In the sunlight greenhouse， we collected a large number of vegetable environmental data and data during the growth period. Under the same conditions， through monitoring the growth process of vegetables and accurate prediction of diseases and insect pests， controllable fertilization and biological control tasks have been achieved， production costs and labor costs have been reduced， and the realization of “digital Jilin” has been promoted.

Keywords： sunlight greenhouse; efficient sunlight; digital Jilin

0  引  言

我国是农业大国，改革浪潮正大力推动并支持农业“走出去”战略。2020年，我国蔬菜产量达74 912.9万吨，吉林蔬菜种植面积在全国范围占较大比例，随着绿色农业经济发展，蔬菜种植成为现代城市新热点，发挥着越来越重要的作用[1]。吉林正在利用地理优势大力发展蔬菜等农产品出口，需要大力发展先进的温室大棚设计和科学化管理。吉林蔬菜大棚的种植历来以大水大肥的传统管理模式为主，这种管理模式造成种植成本高、劳动强度大、种植的产品存在品质良莠不齐等问题。另外以产量为本的种植理念，种植过程中水肥的施用效率低下，农药的施加量有增无减，不仅造成土壤负担，产品品质及安全也无法保障。因此，在未来蔬菜种植发展道路上，如何降低生产成本和劳动成本，提高蔬菜品质及产品安全显得尤为迫切。

由于吉林冬季温度较低，温室大棚也多由塑料大棚转为节能型日光温室。日光温室主要利用白天获得的太阳辐射能，通过日光温室墙体的材料在白天充分蓄热，夜间释放热量补充温室所需热能，从而可以维持室内温度。大数据技术对日光温室的蔬菜生长环境信息、蔬菜生长期间的自然信息进行分析处理，优化日光温室的管理，改进蔬菜的生产模式，为蔬菜生长期提供多元化和精准的技术指导，可提升蔬菜产量和质量，不仅可降低农民的体力成本，还可增加农民的经济收入。在日光温室种植蔬菜的过程中融入大数据、物联网技术，对振兴吉林农村经济建设打造新的思路。“数据吉林”是吉林省新的发展战略，“智慧温室”可实现吉林农业从农业大省发展成为农业强省的梦想。重点发展数字农业应用，大力推进农业物联网推广与应用[2]。本研究利用物联网技术采集大量日光温室的相关数据，针对日光温室蔬菜种植方式和技术进行研究分析，每种蔬菜在日光温室有不同的生长特殊性，我们对不同种类的蔬菜进行了有针对性的数据模型化建设，利用种植模型实现温湿度、需水量、日照时间、土壤营养和进行合理施肥和科学种植，实现人为种植和科技种植的统一[3]。可提升温室蔬菜的种植质量和产量，优化其种植效果，降低劳动成本，体现了新技术创新的日光温室蔬菜种植。

吉林农业科技学院农学院的日光温室，目前已配有卷簾电机、轴流风机、补光灯等机械化环境控制设备和各种类别的传感器，每一天的日光温室都有大量的数据产生，我们的研究围绕日光温室环境的大量数据实现数据监测、传输、管理及应用。通过使用大数据处理分析技术，从生长监控、科学有效的施肥控制、精准预测病虫害的发生等角度为管理者的决策提供准确的数据依据，有助于进一步提升蔬菜的产量，科学控制蔬菜的施肥并最大限度地减少农药残留，为农业绿色低碳发展奠定基础，这是我国今后农业发展的重要方向。实现高效精准的环境控制及规范、科学、高效的管理蔬菜生长过程是本项目解决的关键问题。

1  蔬菜生长监控

日光温室配备了一系列传感器，用于收集蔬菜种植过程中的环境数据和生长数据。环境数据有蔬菜生长过程中的日光温室每天可接收的太阳光照情况，温室内温湿度及CO2状态、蔬菜生长土壤的EC值和pH酸碱度等。收集作物生长的数据信息，如叶片温湿度、叶面积、茎秆和果实的微变参数，径流等[4]。通过传感器和对植株采集的数据，记录了植株生长过程中温室内白天和夜间温度、环境湿度、土壤情况等对蔬菜生长的影响。利用各种类别的传感器收集到蔬菜生长期间全程的环境数据和自然数据，这些数据记录了环境与蔬菜生长的关系，我们通过对这些数据进行分析，获得真实的蔬菜生长环境与蔬菜生长的数据变化规律，为后续的蔬菜种植管理提供更精准的理论依据。如表1所示。

通过表1蔬菜生长状况数据分析，根据植物的生长状况、日光温室内的环境情况采用多元回归分析、随机森林算法进行预测，在物联网的支持下，可以控制并预测植物生长的健康程度。图1、图2是团队收集蔬菜生长过程中白天温度以及空气相对湿度的数据分析图，图3、图4是植株生长期植株高度及叶片数的数据检测图。

2  蔬菜生长过程监控施肥

在蔬菜的生长过程中，日光温室的传感器在蔬菜的生长过程中采集土壤相对湿度变化值、土壤的EC变化值和PH变化值、土壤中微量元素等。图5、图6是蔬菜生长过程中，土壤的EC变化值和pH酸碱度变化值的数据分析图。采集蔬菜信息如植株高度、叶片数及果实的变化，依据植物的生长状况、日光温室内的环境情况，通过对大数据的筛选、用建立的模型公式进行运算，依据蒸散量、蔬菜生长过程中株高、叶片数、目标产量等多维度数据、蔬菜每天对水和肥量的需求等关键数据，判断需要施肥开始和终止的时间节点，预测植物生长的健康程度。采用时间序列、并通过线性回归预测出近一段时间蔬菜需水量、需各种肥量的数据，如需要施肥，根据土壤中所需要的营养元素，进行灵活的肥料配置，以有缺补缺为原则，补充土壤所需元素，基于智能化管理可以对作物进行极高频次灌溉和施肥，智能化环境管理和栽培管理，降低劳动成本并防止肥料的过度使用。为了保障蔬菜的质量，避免因化肥的使用不当对蔬菜造成不利的影响[5]，保证蔬菜的正常营养，针对土壤性质和湿度检测以及酸碱性控制的方式提升种植质量。表2是土壤EC和pH酸碱度随时间变化的线性回归预测。表中设计了蔬菜在生长过程中每天的需水量和需肥量，通过对获得的数据进行大数据分析，从而推测出近几天蔬菜的需水需肥量，对作物进行精准化水肥管理决策。

3  蔬菜生长过程的生物防治与精准预测病虫害

蔬菜的生长过程病虫害的发生和流行与种植环境参数关系密切，病虫害的出现需要一定的环境因素。通过采集大量蔬菜生长时期高密度的环境信息，经过我们的数据建模及数据分析，可以预测出不同种类蔬菜在生长的不同时期病虫害发生临界点，提示要采取适当的生物防治处理措施阻止病虫害的发生和流行，指导种植人员及时采取措施。如开启通风除湿系统、增加或减少光照，实现蔬菜生长过程中绿色防控的目标。参考这些因素，利用关联规则Apriori算法、决策树算法预测病虫情况，表3是预测病虫情况分析挖掘所需指标及预测目标，对蔬菜的病虫害及时做出预警；农民也能根据实时情况采取有效应对措施，最大限度地减少经济损失[6]。

以草莓易染病为例，数据建模基于草莓被病虫害侵染的过程，通过对草莓生长期的环境数据、植株的状态数据分析草莓被侵染、病虫害传播及大范围流行进行数据分析，可计算并预测出草莓病虫害发生的临界点，通过数据的筛选和分析，可以精准预测草莓病虫害的发生规律，如图7所示，工作人员可以依据预警信息，做到病虫害的及时预防并阻止病害发生和流行，实现草莓的绿色防控并提供精准决策。这样可以最大程度地避免草莓因病虫害的产生而造成减产。课题组创建了关于草莓病虫害的数据库，可以帮助并指导农户实现草莓的绿色防控。这样一来，农民能够及时发现农业生产与灾害之间存在的关系，达到减灾的最终目的[7]。更进一步，以草莓为例，在不影响作物生长的前提下进行环境干预，可以减少农药使用、减少农药残留、降低劳动成本，提高经济收益。

4  结  论

通过大数据对日光温室进行土壤、蔬菜自然数据、气象环境等进行数据监测，根据作物和环境实时情况，可以实现蔬菜生长过程的实时监控，在蔬菜生长期间通过土壤相对湿度变化值、土壤中微量元素等进行精准的水肥管理，通过建立不同蔬菜病虫害数字模型，帮助种植户了解蔬菜病虫害发生的环境条件，达到蔬菜生长期间的全程大数据管理，取代以往现场人工植保模式。日光温室在大数据和农业物联网技术等新技术的支撑下，可以实现吉林全年的大规模蔬菜种植，为吉林乡村振兴、“数字吉林”注入新动力。

参考文献：

[1] 华经情报网.2020年中国蔬菜行业发展现状分析行业转型升级将成为发展关键 [N].https：//www.huaon.com/channel/trend/798715.html，2022-04-19 11：34：59.

[2] 陈耀辉.推动吉林数字经济发展的五大着力点——加快推进“数字吉林”建设的思考[J].长春市委党校学报，2020（2）：5-8.

[3] 周春霞.浅述大数据时代下科学种植大棚蔬菜的特点 [J].农业工程技术，2020，40（21）：41-42.

[4] 曹耀鹏，刘厚诚.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 [J].农业工程技术，2021，41（4）：21-26.

[5] 王聪，裴莉，徐勇，等.大田农业信息监测管理系统设计开发 [J].农业与技术，2021，41（1）：58-60.

[6] 尚龙山，潘丽娟.大数据在智慧农业中的应用与研究 [J].农业工程技术，2021，41（3）：47-48.

[7] 朱允君.大數据在智慧农业中研究与应用展望 [J].中国新通信，2020，22（16）：108.

作者简介：郑慧敏（2002.12—），女，汉族，河南周口人，本科在读，研究方向：网络工程、网络安全；通讯作者：王丽辉（1972.04—），女，汉族，吉林九台人，讲师，硕士，研究方向：Web开发、大数据技术。