Умное решение для теплиц

1. Предыстория решения

С ростом населения мира и сокращением пахотных земель традиционное земледелие сталкивается с такими проблемами, как низкая эффективность производства, серьезная трата ресурсов и слабая устойчивость к рискам. Умные теплицы, интегрируя передовые технологии, такие как IoT, большие данные и ИИ, создают точную и интеллектуальную систему сельскохозяйственного производства. Эта система обеспечивает полномерный мониторинг и регулирование среды роста сельскохозяйственных культур, значительно повышая урожайность и качество, одновременно направляя сельское хозяйство к ресурсосберегающим и экологически чистым методам.

2. Обзор решения  

Умное решение для теплиц использует сеть различных датчиков для сбора данных в реальном времени о воздухе, почве и посевах. В сочетании с интеллектуальными системами управления и алгоритмами ИИ оно автоматически регулирует параметры окружающей среды, такие как температура, влажность, свет и CO₂, чтобы точно соответствовать потребностям роста урожая. Система охватывает мониторинг окружающей среды, управление водой и удобрениями, раннее предупреждение о вредителях и болезнях и принятие решений на основе данных. Оно может снизить зависимость от рабочей силы на 30–50%, повысить урожайность на 20–40% и сэкономить 20–35% водных и удобрений. 

3. Основные характеристики и ценность решения «Умная теплица» 

3.1 Точный контроль окружающей среды  

- Функция: мониторинг в режиме реального времени и автоматическая регулировка температуры, влажности, освещенности, концентрации CO₂ и т. д. для поддержания оптимальной среды выращивания.  

- Ценность: сокращает цикл роста урожая на 10–15 %, улучшает постоянство качества (например, содержание сахара, стандарты формы плодов). 

3.2 Интеллектуальное управление водными ресурсами и удобрениями  

- Функция: на основе данных о температуре почвы, влажности, электропроводности (ЕС), значении pH и содержании NPK запускает точный полив и внесение удобрений.  

- Ценность: Снижает потери воды и удобрений на 30–50 %, снижает риск засоления почвы. 

3.3 Интеллектуальный контроль вредителей и болезней  

- Функция: Используя влажность поверхности листьев, данные об окружающей среде и технологию распознавания изображений, прогнозирует вероятность возникновения заболеваний (точность >85%).  

- Ценность: снижает использование пестицидов на 25%, снижает потери от вредителей и болезней более чем на 50%. 

3.4 Принятие решений на основе данных  

- Функция: создает модели роста сельскохозяйственных культур и дает рекомендации по оптимизации цикла посадки и селекции сортов.  

- Ценность: увеличивает урожайность с гектара на 15–25 %, поддерживает крупномасштабное управление возделыванием. 

Датчик атмосферной температуры, влажности, давления	датчик освещенности	Датчик CO2	Датчик влажности листьев
Датчик PAR.	Датчик температуры и влажности почвы 3 в 1	Датчик влажности и температуры почвы	Датчик pH почвы

4. Проектирование и развертывание системы интеллектуальных датчиков для теплиц 

4.1 Мониторинг воздушной среды  

1. Датчики температуры, влажности и давления  

 - Параметры: температура (-40~80℃), влажность (0~100% относительной влажности), давление (10~1100 гПа).  

 - Размещение: один датчик на каждые 200 м2, подвешивается на высоте 50 см над растительным покровом.  

 - Контроль: при температуре >30℃ активируйте охлаждающую завесу; при влажности >85% откройте верхние окна для проветривания.

2. Датчик CO₂  

 - Диапазон: 0~5000 частей на миллион, точность ±50 частей на миллион.  

 - Стратегия: поддерживать концентрацию CO₂ в пределах 800–1200 ppm в дневное время, снижать до естественного уровня ночью. 

3. Датчик освещенности и фотосинтетически активной радиации (PAR)  

 - Технические характеристики: освещенность 0~200 000 люкс, PAR 400~700 нм, длина волны излучения (мкмоль/м²/с).  

 - Применение: при освещенности <15 000 люкс активируйте дополнительное светодиодное освещение (красный свет 660 нм + синий свет 450 нм); отрегулируйте раскрытие затеняющей сетки, когда значение ФАР ниже порогового значения потребности культуры. 

4.2 Мониторинг почвы и корней  

1. Датчик температуры, влажности и электропроводности почвы «три в одном»  

 - Параметры: Температура (-40~80℃), Влажность (0~100%), EC (0~10 мСм/см).  

 - Глубина: устанавливается в соответствии с глубиной корневой системы культуры (15 см для листовых овощей, 30 см для плодовых овощей).  

 - Логика управления: если ЕС > 3 мСм/см, активировать промывочное орошение; если влажность < 60%, активировать капельное орошение. 

2. Датчик pH почвы  

 - Диапазон: pH 0~14, точность ±0,1.  

 - Управление: Если pH отклоняется от оптимального диапазона для сельскохозяйственных культур (например, pH томатов 6,0~6,8), отрегулируйте pH путем впрыскивания кислой/щелочной воды и удобрений. 

3. Датчик азота, фосфора и калия в почве  

 - Диапазон: 0-2000 мг/кг, точность 1 мг/кг. 

4.3 Мониторинг урожая  

1. Датчик влажности поверхности листьев  

 - Установка: крепится на тыльной стороне верхних листьев растения.  

 - Механизм предупреждения: если влажность >90% и температура >25℃, включите вентилятор для осушения воздуха, чтобы предотвратить появление мучнистой росы.

5. Архитектура и рабочий процесс интеллектуальной тепличной системы 

5.1 Аппаратный уровень  

- Воспринимающая сторона: датчики + интеллектуальные камеры, поддерживающие беспроводную передачу данных LoRaWAN/сотовую сеть/Wi-Fi.  

- Исполнительные устройства: устройства контроля состояния окружающей среды (вентиляторы, охлаждающие завесы, дополнительное освещение), машины для внесения воды и удобрений, роботы для внесения пестицидов. 

5.2 Уровень передачи  

- Протокол связи: магистральная сеть 4G/5G + локальная сеть LoRaWAN, низкая задержка передачи данных.  

- Периферийные вычисления: шлюзы имеют встроенные алгоритмы предварительной обработки для фильтрации недействительных данных (например, кратковременных колебаний света). 

5.3 Уровень платформы  

- Цифровой двойник: 3D-моделирование для воспроизведения теплицы в реальном времени, отображение параметров окружающей среды и состояния устройства.  

- Механизм искусственного интеллекта: нейронная сеть LSTM прогнозирует тенденции окружающей среды на следующие 72 часа с точностью >92%. 

5.4 Уровень приложений  

- Мобильный терминал: приложение Farmer отправляет оповещения (например, «Значение ЕС превышено в зоне A3»), поддерживает удаленное управление.  

- Экспертная система: содержит базу знаний по культурам (охватывающую модели роста более 50 распространенных сельскохозяйственных культур).

6. Примеры внедрения и результаты 

Случай 1: Умная теплица для выращивания томатов на плато (Цинхай)  

- Проблема: большой перепад суточных температур (ΔT>25℃), сильное УФ-излучение и плохая почва.  

- Решение:  

- Установите морозостойкие датчики (нормальная работа при -30℃), добавьте УФ-фильтрующую пленку.  

- Разработать пошаговую стратегию регулирования температуры: 28℃ днем / 16℃ ночью, обогащение CO₂ ночью.  

- Исход:  

- Годовая урожайность увеличилась до 45 кг/м2 (традиционная теплица 25 кг/м2), содержание сахара достигло 8,2 Брикса.  

- Расход воды снижен на 40%, частота проверок снижена до одного раза в неделю. 

Случай 2: База выращивания рассады тканевой культуры орхидеи-бабочки (Юньнань)  

- Спрос: Точный контроль времени цветения, уровень загрязнения культуры тканей <0,5%.  

- Решение:  

- Установите датчики градиента давления в стерильных зонах для поддержания положительного давления.  

- Регулируемый спектр светодиодов для управления периодом светового дня (16 часов света/8 часов темноты).  

- Исход:  

- Отклонение времени цветения <3 дней, уровень загрязнения культуры тканей снижен до 0,2%.  

- Снижение затрат на электроэнергию на 35%, годовое производство высококачественных саженцев достигло 5 миллионов. 

7. Направления развития технологий  

- Улучшение цифровых двойников: интеграция данных метеорологических спутников для совместного регионального управления парниками.  

- Интеграция робототехники: интеграция роботов для прививки и сбора урожая с производительностью 200 растений/час и уровнем повреждений <1%.  

- Прослеживаемость блокчейна: привязка данных о росте к блокчейну, что позволяет потребителям сканировать и проверять экологические записи на протяжении всего жизненного цикла. 

Заключение  

Решение для умной теплицы создает замкнутую систему «восприятие-анализ-исполнение», модернизируя сельскохозяйственное производство с управляемого опытом до управляемого данными. Его ценность заключается не только в повышении урожайности и эффективности, но и в содействии сельскохозяйственной углеродной нейтральности за счет точного управления ресурсами. С постоянным проникновением технологий AIoT умные теплицы станут основным носителем цифрового сельского хозяйства, помогая решать двойные проблемы глобальной продовольственной безопасности и экологической устойчивости.