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S055】智森农业智慧大棚

图文展示3264(1)

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副标题

作品说明

      现如今,许多地区的农户都是以大棚种植为主,传统的大棚种植需要花费大量的人力、物力,而且在一些数据方面也会有误差,而由智慧农业衍生出来的智慧大棚,可以很好地解决这些问题,它可以节省大量的人力、时间成本,提高工作效率,达到精细管理大棚生产,增加产量,增加效益的目的。

      随着科学技术的不断进步我国农业正从传统型的耕作方式向精准农业和智慧农业方向快速发展。其中智慧农业运用信息感知、传输和处理技术有效地利用各种农业资源减少了农业能耗、成本和对生态环境的破坏为实现农业生产的精准化种植、可视化管理和智能化决策提供了技术途径成为我国“十三五”期间农业发展的主流趋势。为了保障农业的可持续发展,修复农业生态环境,实现绿色、循环和高效发展本项目将智慧农业的理念和模式应用到温室大棚的生产管理中。通过在温室大棚内布设传感器来探知土壤的温湿度、电导率、空气的温湿度以及二氧化碳等数据情况,并将相关数据传导到手机电脑等终端并且再由智慧大棚来分析数据并作出反应再在可控范围外智慧大棚也会向终端发出预警使得大棚内的作物得以健康成长。作物收成之后智慧大棚还会给作物自动生成一个溯源码,给消费者更多的保障,同时也可以是农业从业者得到更高的收入让更多的人从智慧大棚中获利。

作者:齐星宇 辛瑞莉 乔佳美 张亚蓉 高靖芸

单位:中北大学

指导老师:洪军

作品说明

智慧大棚效果图

智慧大棚系统框架图

1. 执行总结

      时代不断进步科技不断发展在农业领域信息技术的出现让生产过程变得智能化。智慧农业即农业环境智能监控逐渐进入我们视线。由于现在我国具有的温室监控系统大多数是以硬件为基础存在界面方面的直观性和灵活性及自动化水平较低等问题。顺应时代进步要求,智慧农业结合先进的物联网及软件技术很好的解决了现存的一些问题。在工控界数据的采集与控制中逐渐引入了虚拟技术解决了监控系统的一些交互性问题。采用虚拟仪器技术开发的监控系统在数据的处理和显示方面更直观更灵活得到各界工程师的肯定。

      在充分研究了我国现有大棚监控系统具有的技术后针对存在的一些不足本项目设计开发了一套用户界面友好操作性强的大棚监控系统。本系统可以让不同的软硬件商家在开发产品时不用考虑接口问题软件厂商不用针对每一个设备都开发对应的驱动大大的节约了成本。同时,此套设计还解决了再农作物丰收后农产品溯源问题,使得消费者消费的更加安心,也使得农业基层从业者得到更加丰厚的收益,还能使得智慧大棚这一项技术更加广泛的推广可谓是一举三得。

      本系统主要包括用户登录登录用户的管理对大棚环境中的影响因子作实时监控并用曲线显示。设置环境因子的数据范围,超范围实现数据的报警将报警的数据存到数据库供后期排查。将实时监测的数值存到数据库创建的表中。历史数据查询模块可以根据不同的时间范围选择不同的数据量进行查询显示在曲线上并且可以一键查询一天内和一周内的数据下位的泵或阀门的闭合状态可以通过手动或自动两种模式进行操作。各模块间相互协作运行良好已经完成了系统的初步测试设计前提出的功能需求基本已经实现对大棚可以进行完全监控。

2. 项目概述

2.1 项目背景

      随着城镇化进程的加快,越来越多的农村向着城镇化方向发展,导致农村的种植面积大幅减少。由此将土地种植进行集中化发展是一种必然趋势。在此背景下,很多农业种植选择了大棚种植的方式,采用长距离有线传输和短距离无线输送的方式对大棚进行监管与控制,这种方式在一定程度上减轻了人们的种植负担,也减少了人们的体力劳作。

      在技术方面,温室大棚智能控制方面的相关技术研究虽然已经有了大约50年历史很多控制方法被提出但是由于温室大棚系统是一个多输入、多输出、强耦合的复杂系统然而目前智能控制技术的结果都不尽人意。而具有超强学习表达能力的深度学习方法在温室大棚智能控制领域的相关研究才刚刚开始有望在温室大棚智能控制领域取得突破性进展。同时在其他技术方面也有不足之处,例如网络的限制、距离的限制等。随着国家科学技术的不断发展,各种新兴的技术应运而生,将这些技术运用于大棚种植,构建一种新型的智慧大棚,可以在一定程度上解决以往存在的问题。

在经营管理方面,在蔬菜大棚发展的低级阶段,人们都在运用传统经营管理模式,表现为一种粗放种植,始终难以提高农产品产量或品质,并不能提高产品性价比,形成农产品商品率较低。究其原因是经营管理者通过粗放管理,难以发现影响农作物健康生长因素。这样就不能很好掌握或调控农作物实现健康生长管理,致使蔬菜大棚种植一直处在落后种植的徘徊状态当中,成为蔬菜大棚种植业实现健康发展的主要制约因素。

      智慧大棚预警系统,这是指利用大棚中的各种传感器对温度、湿度、光照等信息进行实时监测,在预警系统的支持下对收集到的信息进行及时检测发现异常报告给用户从而控制大棚内的卷帘、灯光、灌溉等设备,使作物始终生长在适宜的环境中提高作物的质量和产量增加收益。在这个过程中预警系统对收集到的传感器数据进行异常检测是至关重要的问题。然而传统的面向静态数据的异常检测算法没有考虑数据流的无限性、互相关性、概念漂移等特点这给数据流异常检测带来许多挑战具体表现如下:

      数据流通常是快速持续到达的具有无限性。这导致传统的异常检测算法无法通过存储整个数据集或者多次扫描数据集来提高检测的准确性

      不同的数据流之间存在相关性这是传统的异常检测算法进行检测时很少考虑的因素。在这种情况下传统异常检测算法的检测准确性可能会下降

      数据流中数据的分布会随着时间的推移发生变化这意味着利用初始历史数据训练得到的模型不再符合当前的概念异常检测算法需要及时更新模型来适应概念漂移问题。因此传统的没有模型更新的异常检测算法将无法正确预测新的数据分布。

2.2 项目简介

      就新出现的智慧大棚而言,它主要通过智慧大棚系统控制相关操作,主要分为4个部分,分别是采集信息、传输数据、控制设备以及远程云端连接。数据传输主要通过无线技术进行。针对系统内部的相关硬件设施,如控制器、传感器、模块等进行了全新的设计,这种重新设计后的智慧大棚系统,使人们可以远程控制大棚内设备的所有操作。通过无线控制的方式,人们可以不用出门就能管理大棚内的相关设备,使农作物种植的相关管理更加科学化。而且这种新型的智慧大棚系统强化了自身的稳定性,还增加了一些其他的功能,解决了之前大棚种植中存在的问题,促进了种植业的发展,更能满足目前社会的需求。

      其中的亮点为我们再将必要的现代化监控技术应用到蔬菜大棚生产当中,能够对蔬菜大棚生长的农作物进行各种参数数据的实时监控,尤其能使蔬菜大棚经营管理者实时动态掌握蔬菜大棚内农作物生长所需温度和湿度,利于经营管理者进行及时调控,保证蔬菜大棚内农作物具有适宜它们健康生长的温度与湿度条件。同时还能实时动态监控蔬菜大棚内农作物所需成长养分情况和可能出现的生长问题,利于经营管理者根据农作物生长所需养分,进行有针对性补充,确保农作物获得茁壮成长,并能及时解决农作物在生长过程中出现的一些问题。应用现代监控技术,主要是能够保证农作物永远都能保持一种适宜的生长环境。

      除了在农作物生长时的监控功能以外,我们还做到了农产品溯源的功能。众所周知,由于目前农业生产产品污染严重,再加上有些蔬菜大棚种植户超标使用化肥、农药或各种化学性喷洒剂,形成蔬菜污染指标超标,致使蔬菜产品不能成为放心食用产品。伴随人们生活水平的提高,环保意识的增强,他们需要食用到放心蔬菜。因此他们需要明白蔬菜生产地,并配有产地标志,用以识别是否为优质蔬菜。通过应用现代智慧农业技术,蔬菜大棚经营管理者就可以运用一张条形码,将蔬菜各种信息传递给消费者。如果生产的确为优质合格蔬菜产品,则会被消费者认可,且在消费者久而久之的认可中,建立蔬菜市场品牌,形成良好市场口碑,扩大市场营销量,促进蔬菜大棚种植业经济效益,增加收入。

      在监控的基础上我们再次加入了智慧大棚预警系统,这无疑关乎到智慧大棚能否正常运行。就拿人体来比较智慧大棚预警系统相当于人体的神经反馈系统,只有在此系统正常的情况下才有可能在其他方面有所给出正确的调整。使得整个智慧大棚能够正常运行。

3. 产品与技术分析

3.1 产品体系

3.1.1 产品名称

      产品名称:全自动远程控制智慧大棚

      英文名称:Full Automatic Remote Control Intelligence Greenhouse

3.1.2 产品描述

      本系统依据传感器网络、无线通信技术与数据库存储技术实现。该系统在架构及功能上,实现了远程、多参数的信息采集、实时传输及智能调控,成功地实现了物联网技术在智能种植上的应用。数据通过无线通信存储于远程数据库,可实现数据的共享;硬件购置上成本较低应用方便;在设计上,各模块相对独立,易于扩展及后期维护。本系统提供了智能监控一体化,远程界面有效预警火灾引擎、外人闯入、植物生长状态,远程控制设备的开关操作,降低了农业种植投入成本并解放劳动力,应用前景十分广阔。本系统对有效提升温室蔬菜的科学管理水平,但是在智能化控制及功能应用创新性方面还存在一定不足。例如增加软件功能界面的多功能设计。后期将在系统自动化控制及软件实用性上作进一步的研究。通过程序的多次运行发现,该算法对多种图形的识别率接近100%,而对边数较多且像素较小的图形识别率相对较低。在相关数据中也可以看出后三种图形的周长明显小于前六种。为了克服这个问题,在识别前将像素较小的图形放大一倍,使得识别率有了显著的提高。

      在其系统方面我们将其分为四个部分相互关联但互不干扰,可以形成一个闭环管理系统。在功能设计上我们别出心裁具有自动环境采集、全自动控制系统、视屏监控系统、智慧大棚预警系统。旨在在传统大棚技术上更上一层楼让农业大棚技术真正由“手动挡”变为“自动挡”。在某种程度上可以成为一种新思路、新路径、新想法。

3.1.3 产品设计

      1)系统结构设计

      系统的结构主要分为4部分,分别是感知层、传输层、数据处理层以及应用层。感知层主要通过一些传感器收集信息,可以得到农作物在大棚生长的环境数据;传输层指的是传递感知层收集到的信息,通过网络的渠道,将信息数据传送至数据处理层;数据处理层主要是储存接收到的数据,存放至云端或大平台,并且针对接收到的信息数据进行分析处理;应用层指的是大棚内农作物的生长环境经过调整之后,工作人员可以通过一些设备详细地查看具体情况,针对存在问题的地方手动进行调整,而普通的种植户可以通过设备实时观察农作物的生长情况。

      2)系统功能的设计

      在环境数据采集系统方面:在大棚的内部设有很多小型监测设备,通过传感器收集大棚内部的温度变化、空气湿度变化、土壤湿度变化、风向变化、光照强度变化、气流压力变化等信息。相关的无线传输技术主要是通过无线传感技术传输收集到的信息,传输至协调器上,然后将这些信息传递给相关的控制单元,然后再经过系统内部的网络信号传输模块,将这些信息最终传送至云端服务器,然后以不同的方式展示在云端大屏上。人们可以通过自己的设备查看数据,不论是手机、平板还是电脑都可以。

      在自动控制系统方面:自动控制系统指的是通过收集、分析大棚内部环境的变化信息,结合农作物适宜的生长环境,通过系统的计算和规划,自动地调整大棚内的环境,带动相应的控制系统进行系统调节。在调节温度时,主要通过大棚内部的电机、加热设备以及通风制冷设备进行,控制大棚内部温度的升高或降低;在调整灌溉模式时,主要通过大棚内部的电磁阀以及大棚顶部的管道控制喷雾,控制农作物的浇水量,可以直接设定大棚内部的灌溉次数,既能保证土壤的湿度,又保证水泵的使用寿命;针对排水的调整主要是通过电机与地面上预留的排水口进行控制;对水肥一体化与灌溉模式的双重控制,主要是通过电磁阀与管道进行综合分析,通过水流充分稀释肥料,保证肥料的浓度有助于农作物的生长。

在视频监控系统方面:视频监控系统主要指的是对大棚进行监控,保证大棚在无人看守状态下的安保情况,实时监控大棚内农作物的生长状态,观察农作物是否发生病虫害,在发现问题后可以及时予以解决;随时监控一些重点关注的设备,例如设备的运行状态、报警系统的安全运行情况等;通过这些视频监控系统,人们可以远程观察大棚内农作物的生长情况和生长环境,专业的工作人员可以针对大棚中出现的问题进行远程指导,以保障农作物的健康成长。

      在智慧大棚预警方面:

      普通用户如果是新用户,要想登录系统,必须在预警系统中先进行注册,包括用户的账号、密码、姓名、手机号等隐私信息。对于已注册的旧用户来说,输入账号、密码可直接登录智慧大棚预警系统。成功进入系统后,用户可以看到呈现的实时传感器数据以及实时传感器数据图像,用户可以查看历史传感器数据以及查看历史异常数据,用户可以查看当前的异常信息以及以短信形式收到异常信息,用户还可以根据显示的阈值,进行手动阈值设置。此外,用户还可以进行个人信息的查看、修改。普通用户的用例图如下图所示

普通用户的用例图

      ② 系统管理员智慧大棚预警系统内一个非常关键的角色就是系统管理员。系统管理员使用账号、密码登录预警系统后,进入预警系统后台管理界面,其可以对用户、大棚、传感器进行相应的管理。对于用户管理,系统管理员可以增加新用户、删除系统内已有的用户、改变用户的个人信息、依据用户姓名查询相应的用户信息。对于大棚管理,系统管理员可以增加新的大棚、删除系统内已有的大棚、改变大棚编号和作物信息、依据大棚编号查询作物信息。对于传感器管理,管理员可以增加新的传感器、删除预警系统内已有的传感器、修改传感器信息、依据大棚编号查询某个大棚内的传感器信息。如下图所示是管理员的用例图

管理员的用例图

3.2 产品技术

      传感技术:在温室大棚等农业种植中,传感器网络作为感知层,负责监测植物生长环境因素信息。此外系统感知层可进行视频采集、人体电红外感知,当监测数据超出植物生长参数阈值时,可驱动布设的调控设备改善环境参数。ZigBee无线通信技术,具有速率低、损耗低的特点,非常适合近距离通信。感知层是整个物联网网络的基础,负责信息采集,将感知信息反馈至上层并接受上层发来的控制指令,能按照指令完成相应的操作。传感器采集数据后,通过无线传输与监测终端及远程计算机进行数据通信。CO2传感器用于采集CO2浓度;高清摄像头模块用于采集植物生长视频图片;防火传感模块用于监测大棚温度,防范火灾,降低损失。常见的二氧化碳浓度传感器及光照传感器如下图所示

常见的二氧化碳浓度传感器及光照传感器

      控制模块技术:监测终端根据种植环境信息可智能驱动调控设备。嵌入式网关依据ZigBee协调器送的数据信息进行处理并通过局域网传送至手机客户端,并可对手机客户端反馈的数据信息予以处理,系统控制相应传感器执行开启操作。生长灯、灌溉装置是常用到的协调植物生长设备。

      视频采集监控技术,图像传感设备采集图像并通过H.264编码压缩处理为HDMI视频流,在网络条件下将数据发送给处理装置,处理装置对视频数据进行解码,并通过Internet传送至远程数据库。在网络覆盖区域,用户可通过PC或手持终端登录服务器进行远程访问,有效监测植物生长状态,避免外人闯入及火灾引擎等。同时为用户提供植物生长环境参数及开花病虫害等信息。视频监控如下图所示

      智慧大棚预警系统是前后端分离的:

前端技术

      Vue是渐进式地搭建用户界面的框架。所谓渐进式就是指阶梯式向前,Vue是轻量级的,功能或库都是独立的,可以根据所开发系统的需要来选用Vue的一些功能。如果开发系统时只用到Vue的声明式渲染,就只选用Vue的声明渲染。如果要用Vue的组件系统,就引用Vue的组件系统。开发者可以从下而上逐层应用Vue,这是Vue与其他大型框架的最明显的区别。由于视图层是Vue核心库的唯一关注点,所以其不仅容易理解学习,而且与第三方库或现有的项目融合也是极易操作的。Vue的特性有:框架是轻量级的;数据绑定是双向的;视图组件是可自由组合的。其优点有:与其他框架比,简单易学;采用异步批处理方法更新DOM,速度快;紧凑且无依赖;无需声明依赖;对模块友好,使用场景灵活。但其是新生儿,影响度不是很大,不支持IE8,无成名库。

      Element-UI是一个UI库,在实现项目时,与Vue的配合使用效果较好,但其独立于Vue。常用的组件有:Layout布局,Element-UI基于bootstrap框架的思想,采用栅格布局。

后端技术

      Spring是一个开源的应用程序框架,是处理bean的生命周期的轻量级容器,提供了强大的IOC(控制反转)、AOP(面向切面)等功能。它可以在搭建应用程序时独自使用,也可以结合Webwork、Tapestry等许多Web框架使用。它有以下特点:方便解耦,简化开发;提供AOP编程;支持声明式事务;程序测试是简单方便的;支持各种优秀框架的集成等。SpringMVC是Spring的一个子框架,是一种基于Spring的MVC模式的实现。MVC是一种分层工作的方法,通过把模型(Model)、视图(View)、控制器(Controller)分离,把繁杂的web应用分为逻辑清晰的许多部分。

      Hibernate是一个操作数据库的框架,对JDBC(JavaDataBaseConnectivity,Java数据库连接)执行了十分轻量级的对象封装,将对象与数据库表构造了映射关联,SQL语句可以自动生成,自动执行,因此,编程人员操作数据库时,可以依照自己想法使用面向对象的编程思想。使用Hibernate的基本流程是:对实现类与数据库表的映射关系进行配置,生成SessionFactory,开启Session通道拿到Session对象,开启事务,完成操作,关闭Session。

      MySQL是一种开源的关系型数据库,在一般的中小型网站实现中得到了广泛应用。MySQL数据库的特点有:它是用C语言和C++语言编写的,并且在多种编译器下都通过了测试,这使得MySQL源代码具有可移植性;支持多种操作系统,例如:Windows、Linux、MacOS;支持多线程,可以对CPU资源充分利用;提供多种编程语言的API,例如C语言、Java、PHP;MySQL优化了SQL算法,提高了查询速度;MySQL内有管理工具,该工具可管理、检查以及优化数据库操作;它可以以独立的应用程序的形式应用在客户端服务器网络环境中,也可以以一个库的形式置于其他的软件中。

3.3 产品功能板块

      功能总体框架:智能农业监控系统总体设计方案如下图所示。该系统主要包括:信息采集设备、控制装置、调控设备、远程计算机。信息采集端通过传感器网络组采集大棚内的环境参数温度、湿度、二氧化碳浓度、光照等信息;数据采集端通过串口与监测终端连接,实现数据传输,在无线WiFi下接入Internet传送至远程服务器,智能分析及服务器响应;调控设备包括浇灌设备、光照设备LED灯、通风装置、温度调控设备、加湿器、加热器,可根据监测终端的指令控制进行相应驱动操作。当监测到火情、外人闯入等紧急情况时,报警提醒,经监测终端将信息发送至Android手持终端设备。系统监控对象主要是农业蔬菜大棚,方便管理员对蔬菜大棚作物生长的实时远程精准管理与控制下图所示

系统总体结构

      远程传输功能:系统体系结构由传感器、服务器、调控设备等组成。本系统遵循了安全、可靠、稳定、可用性和可扩展等设计原则,从实际需求出发,具备以下基本功能:实时感知土壤温湿度、空气温湿度、土壤PH值、二氧化碳浓度、光照强度等植物生长环境参数信息,采集、传输、存储和处理植物环境数据,并支持历史数据查询问、报表生成和绘制分析曲线、远程调控、远程界面管理功能ZigBee无线技术实现数据至嵌入式网关的传输,根据TCP协议将数据传输至Web服务器,最后完成处理后的数据在移动终端与Web服务器的显示。基于物联网与计算机技术相结合设计研究,采用浏览器/服务器模式,用户通过web浏览器、手持终端APP即可实时获取植物生长数据及生长视频图像下图所示

系统设计

     远程管理功能:由接入设备与计算机组成,完成对采集数据的处理与显示,环境参数信息的动态分析,亦可实现对植物生长视频的远程控制查看。系统远程界面要实现静态网页和动态CGI的相互配合。编写相对应的CGI程序实现与HTML静态网页的交互。PC浏览器可以实时访问查看系统监测到的数据信息,并实现对驱动设备的远程操作。系统远程登录访问及查询如下图所示:

系统远程登录

      监控系统的主页面可实现的功能:其中包括实时展示环境参数信息,调控设备的开关,视频信息访问等。访问智能种植监控系统,截取温室大棚中黄瓜作物的部分生长环境数据及相应曲线如下图所示

生长环境数据及相应曲线

      智慧大棚预警功能实行“多表并行”详细介绍如下:

      ① 用户信息表,表名为t_user,储存用户的基本信息,包括用户ID,用户账号,用户密码,用户姓名,用户手机号五个字段。其中,用户信息表的主键是用户ID。

      管理员信息表,表名为t_admin,保存管理员的基本信息,包括管理员ID,管理员账号,管理员密码三个字段。其中,ID是管理员信息表的主键。

      传感器信息表,表名为t_sensor,存储传感器的基本信息,包括传感器ID,名称,大棚ID三个字段。其中,传感器ID是传感器信息表的主键。

      大棚信息表,表名为t_grhouse,存储大棚的基本信息,包括大棚ID,大棚名称两个字段。其中ID是大棚信息表的主键。传感器数据表,表名为t_sendata,存储传感器测量的数据信息,包括传感器数据ID,室内温度,室内湿度,室内光照,室内CO2,土壤温度,土壤湿度,采集时间,大棚ID九个字段。其中,ID是传感器数据表的主键。

      异常数据表,表名为t_abdata,存储传感器的异常数据,包括异常数据ID,室内温度,室内湿度,室内光照,室内CO2,土壤温度,土壤湿度,采集时间,大棚ID九个字段。其中,异常数据ID是异常数据表的主键。

      阈值数据表,表名为tthredata,存储用户设置的阈值数据,包括阈值数据ID,室内温度上限,室内温度下限,室内湿度上限,室内湿度下限,室内光照上限,室内光照下限,室内CO2上限,室内CO2下限,土壤温度上限,土壤温度下限,土壤湿度上限,土壤湿度下限,大棚ID十四个字段。其中,阈值数据ID是阈值数据表的主键。


3.4 产品优势

      本文所设计的系统主要是由网关系统、ZigBee无线传感网络、传感器、执行器以及手机APP等部分组成。虽然较好地实现了本系统的基本预期目标并且解决了一些本系统功能缺陷,比如:ZigBee通信距离比较有限,不适合大区域的智能农业区域覆盖;ZigBee节点数量有限;等。手机终端APP的功能已近逐渐接近多元化,具有了一定的统计分析能力。结合物联网和5G技术的发展,本系统还可以进行必要的功能扩展,可以与人工智能、大数据、云计算等技术相结合,打造真正的智能农业体系智慧化。

      在后端设计中我们做到了“多优合一”MySQL数据库的优点有:运行速度快;体积小;使用成本低;操作简单;易于维护等;Hibernate它的优点是:简化了程序的编写,原来的JDBC要用很多代码来完成数据库的操作过程,而使用Hibernate只要用很少的代码就可以完成;不考虑数据库的差别,换个数据库只需要在配置文件中变化配置,加强了可移植性;支持透明持久化等。此外,SpringMVC特点有:灵活性较强,容易集成其他框架;提供了前端的DispatcherServlet控制器;内置了常见的校验器,用于校验用户的输入;支持多种视图技术;支持国际化;使用基于基础的XML文件等。

4. 市场分析

4.1 PEST分析

4.1.1 政治

      中央一号文件对2022年全面推进乡村振兴重点工作进行了部署。当前,百年变局和世纪疫情交织叠加,外部环境更趋复杂和不确定,必须坚持稳字当头、稳中求进,稳住农业基本盘、做好“三农”工作,确保农业稳产增产、农民稳步增收、农村稳定安宁,为保持平稳健康的经济环境、国泰民安的社会环境提供坚实有力的支撑。在中国耕地资源紧缺的情况下,农业发展对科技的依赖程度越来越高,科学技术被中国政府和广大农民视为促进农业发展的根本出路。正因如此,在刚刚结束的中国全国科技工作会议上,发展现代农业被列为科技部门本年度最重要的工作之一。中国科学技术部部长万钢先生说:“加快发展现代农业,推进农村、农业的科技创新,农业发展的根本出路还是在科技进步。中央一号文件特别提出扩大内需最大潜力在农村,实现经济平稳较快发展的基础支撑在农业。因此,一是要推进农业科技的创新,二是要加快农业科技成果的转化。”

2012-2018年中国支持智慧农业发展政策要点与发展目标

4.1.2 经济

      2021上半年,中国经济同比增长12.7%继续领跑全球,虽然三季度经济增速有所回落,但仍稳定在合理区间,且近期投资、消费等部分指标增速不断回升,经济延续稳健恢复态势。下半年以来,国内外风险挑战增多,疫情形势复杂,经济转型升级中的结构性矛盾凸显。全年粮食产量再创新高;提前完成全国城镇新增就业全年目标任务;产业结构持续优化,结构调整扎实推进,新动能快速成长。

      数据显示,在2022年1-2月份,全国规模以上工业增加值同比增长7.5%;社会消费品零售总额74426亿元,同比增长6.7%;货物进出口总额62044亿元,同比增长13.3%。多重风险挑战下,开年中国经济恢复好于预期,为实现全年经济社会发展目标打下基础。

      1-2月份,全国城镇新增就业163万人。2月份,全国城镇调查失业率为5.5%,比上月上升0.2个百分点,与上年同期持平。本地户籍人口调查失业率为5.5%;外来户籍人口调查失业率为5.6%,其中外来农业户籍人口调查失业率为5.6%;16-24岁、25-59岁人口调查失业率分别为15.3%、4.8%;31个大城市城镇调查失业率为5.4%。全国企业就业人员周平均工作时间为46.7小时。2022年央行最新发布四月贷款市场报价利率一年期和五年期贷款市场报价利率维持不变。

4.1.3 社会

      新中国成立后,党和政府十分重视农业科技工作,制定了农业科技相关计划规划,初步建立起农业科技研究、教育和推广体系。改革开放以来,农业蓬勃发展,农业科技投入持续增长,农业科技体制和运行机制不断完善,良种良法广泛应用,技术装备水平显著提高。农业科技的全面进步使我国总体上摆脱了“靠天吃饭”的被动局面,确保“谷物基本自给、口粮绝对安全”,实现了由“吃不饱”到“吃得饱”进而“吃得好”的历史性转变。中国是一个农业大国,农民占总人口的一半还要多,农业创新应用的空间有无限大,农业装备行业从幕后走到台前。纵观国内温室大棚行业,大中小企业参差不齐,落地的温室项目质量自然也大相径庭。大棚补贴国家主要针对规模化建设项目做较大的投资,每个项目补贴大概在50-100万元之间,要求相关设施达到200亩以上,这是普通老百姓做不到的。对于种植户来说,新建的日光温室大棚每栋补贴1万元左右,普通大棚2千元左右,智能化联动大棚每亩补助2万元。以园区或村为单位,给予基础设施配套补助。连片建设日光温室50栋以上的,每栋日光温室按0.5万元;建设春秋普通大棚100栋以上的,每栋春秋大棚补助0.1万元;日光温室和春秋大棚混合建设总栋数100栋以上的,每栋日光温室按0.5万元的标准、每栋春秋大棚按0.1万元的标准进行补助。一般大棚设施类可以向农业部申请园艺作物标准园建设项目,每个项目补贴50-100万元,要求设施达200亩以上,对于规模要求,补贴比较多。

政策内容

4.1.4 技术

      70年来,从几个农业试验场,发展成全球最完整的农业科技创新体系。目前我国农业科技创新体系从中央到地方层级架构完整,机构数量、人员规模、产业和学科覆盖面均为全球之最。在科研体系建设方面,在新中国成立前的北京、淮安、保定、济南等几个农业试验场的基础上,迅速建立了中央、省、地三级农业科研机构系统。改革开放迎来了科学技术事业发展的春天,政策环境、制度环境和投入支持环境得到了较大改善。目前,我国地市级以上农业科研机构的数量达到了1035个。在技术推广体系建设方面,农业技术推广体系先后经历了艰难的创建期、市场和体制改革双重冲击下“线断人散网破”阵痛期和新时代“一主多元”的融合发展期。各级农技推广机构认真履行先进实用技术推广、动植物疫病及农业灾害的监测预报和防控等职责,为农业农村持续稳定发展作出了重大贡献。在教育培训体系建设上,我国农民教育培训体系先后经历了农民业余学校、识字运动委员会、干部学校、“五七大学”、各级农业广播电视学校和“一主多元”的现代新型职业农民教育培训体系,在提高农民科学生产、文明生活和创新经营的科学文化素质方面,起到了积极的促进作用。我国温室设施装备技术起步较晚,从20世纪80年代引进国外连栋温室及相关技术后,从引进走向自主研发逐步形成了具有自主知识产权的装备技术。近年在现代化连栋温室、日光温室及其配套工程技术、温室配套生产设施等方面发展日趋成熟。根据国内外的数据显示,物联网从1999年至今得到了极大的发展,渗透到每一个行业领域。农业物联网多应用在大棚等相对封闭可控的设施农业系统中,大量的传感器节点构成监控网络,采集信息,通过各种仪器仪表实时显示或作为自动控制的参数参与到自动控制中,保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。尤其是在以规模化、标准化为特点的合作社、家庭农场生产经营中,物联网技术应用广泛,它使农业逐渐从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式。

4.2 行业分析

      根据观研报告网发布的《2021年中国温室大棚行业分析报告产业运营现状与发展潜力评估》显示,温室大棚又称暖房,是用来栽培植物的设施。温室大鹏的类型包括种植温室、养殖温室、展览温室、实验温室、餐饮温室、娱乐温室等。

      从供给端来看,近几年我国温室大棚面积有所下降。数据显示,2019年我国温室大棚面积为189.7万公顷,较上年同比下降3.4%;2020年我国温室大棚面积为187.3万公顷,较上年同比下降1.3%。变化趋势如下图所示:

变化趋势

      种类方面,我国温室大棚以塑料大棚为主。数据显示,2019年,塑料大棚面积占温室大棚总面积的比重为65.4%。其次是日光温室,占比为30.4%。

      地区分布方面,我国温室大棚集中分布在江苏、山东、辽宁、河北,分别为333246.1万平方米、310039.2万平方米、186313.8万平方米、148531.8万平方米,总占比达51.5%。

      从需求端来看,温室大棚主要用于蔬菜种植。随着人们对健康的重视程度不断提高,蔬菜消费量增长,带动蔬菜种植面积增长。在此背景下,我国温室大棚市场需求较为稳定。从行业发展趋势来看,调控温度是使用温室大棚的重要环节,但现阶段的规模化的温室设施需要借助人工来调控温室内的环境条件,需要大量人手和时间,而且存在难以避免的人工误差,而温室大棚与物联网技术结合形成的控制系统,便可以解决这一难题。“温室大棚+物联网”可达到改善产品品质、调节生长周期、提高经济效益的目的,尤其是可实现温室管理的高效和精准。未来,随着物联网技术在温室大棚中的应用不断加深,我国温室大棚行业将朝着智能化方向发展。温室大棚可以增强农业抗风险能力,提高种植效率,进而增加农户的收入。在农业农村部提出绿色设施农业后,绿色温室大棚成为未来农业发展的一个方向,高效的立体种植与绿色温室大棚的结合成为大势所趋,目前我国对绿色温室大棚的研究刚起步。

      为了能让有意发展设施农业的组织单位,能够更好的选择温室项目服务商,对温室大棚行业做了系统调研,将温室大棚项目质量控制主要分为材料控制、技术控制、施工控制、售后控制四大方面。

      目前国内进行棚膜生产和销售的企业很多,专业化和规模化生产场企业主要集中在北京、上海和山东等地。市场上走高端路线的进口膜主要来自日本、以色列、希腊等国家。虽然近几年温室大棚行业对进口膜的需求量有所增长,但仍然在小规模试用阶段。

      随着科学技术的飞速发展,温室控制系统的自动化水平不断提高,由原来单一的数据采集和控制,向着以专家系统为代表的智能化系统发展。由于温室环境的控制过程极其复杂,它是具有变量多、耦合强、干扰大、非线性以大时滞的复杂系统,其数学模型难以建立,因此常规的工业控制方法很难实现。美国、荷兰、日本等一些温室技术比较先进的发达国家,开始将模糊控制、神经网络控制、遗传算法等先进的控制算法应用到温室控制系统中,温室生产基本实现了自动化及智能化。


4.3 市场选择与定位

      根据新思界产业研究中心发布的《2021-2026年中国温室大棚行业应用市场需求及开拓机会研究报告》显示,在2020年疫情防控期间,较多国家面临蔬菜短缺的问题,拉动着我国蔬菜出口。同时随着居民安全意识和健康观念的增强,消费者对于蔬菜的品质要求提升。未来在冷链运输,生鲜电商等产业的不断发展,也将带动我国蔬菜需求攀升,预计我国蔬菜产量在2024年达到6万吨。在以上三大因素的共同推动下,我国温室大棚在蔬菜种植中应用需求攀升。温室大棚在蔬菜种植领域的价值较高,吸引众多资本加入,促使我国温室大棚规模不断增长。当前中粮、宝钢、京东等企业正在积极布局建设植物工厂园区,同时飞利浦、三菱等外企也在我国开展植物工厂项目。我国植物工厂数量呈现快速增长趋势,在2020年达到210家左右,预计未来将超越发达国家。随着植物工厂数量的增长,温室大棚市场需求也将持续攀升。智能温室物联网系统可以实时远程获取温室大棚内部的空气温湿度、土壤水分温度、二氧化碳浓度、光照强度及视频图像,通过系统分析,可以自动控制温室湿帘、风机、喷淋滴灌、内外遮阳、顶窗侧窗、加温补光等设备。同时,系统还可以通过手机、PDA、计算机等信息终端向管理者推送实时监测信息、报警信息,实现温室大棚信息化、智能化远程管理,充分发挥物联网技术在设施农业生产中的作用保证温室大棚内环境最适宜作物生长实现精细化的管理,为作物的高产、优质、高效、生态、安全创造条件,帮助客户提高效率、降低成本、增加收益并且减少人力劳动。


4.4 市场需求分析

      根据我国各地气候和地质条件,适宜建设的蔬菜温室大棚可分为9类(包括8种温室和1种拱棚):山东棚型、华北棚型、高寒棚型、高原棚型、极寒棚型、中原棚型、江淮棚型、江南棚型、华南棚型。

各种棚型分布图

       2019年仅有江苏省、山东省两地区温室面积超300000万平方米,其中江苏省温室面积为333246.1万平方米,占全国的17.6%;山东省温室面积为310039.2万平方米,占全国的16.3%;辽宁省、河北省温室面积超100000万平方米,占比分别为9.8%、7.8%。从行业下游来看,温室广泛运用于种植业,主要包括蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。近年来,中国蔬菜、果园、花卉种植面积整体呈增加的态势,根据国家统计局数据:2019年中国蔬菜播种面积为2086.27万公顷,果园面积为1227.67万公顷,花卉种植面积为165.65万公顷。传统温室大棚,虽简易且成本低,但是保温能力、抗压能力、温控管理、生产效率等方面也非常的差。像土墙大棚墙体占地面积较大,影响大棚净种植面积,对土质有要求,墙体如不做好保护措施,易被雨雪冲刷而影响使用寿命。而竹木类大棚由于骨架结构较为简单,抗风雪能力较弱,室内带有立柱,影响了内部操作空间。这些低端的大棚在育苗、授粉、温控、采摘等日常管理上需要耗费大量人力、物力,生产效率非常差,停留在落后阶段,完全不能满足现代农业产业化发展的实际需要。而物联网,作为农业农村新经济的新形态,正逐渐成为助力农村经济发展的有效手段。它借助于完善的供应链管理模式,通过信息网络以电子商务平台的形式,将农民合作社的产品与生产、加工、检测、流通、消费等环节有机结合,为发展高效农业搭建信息化平台。随着物联网等先进技术在农业生产领域中的应用,我们可能会看到越来越多的小农从土地中解放出来,投入三产或其他领域中去。田里的人少了,一场线上的“智慧农业”与“体验农业”正在创造越来越多的现代农业新玩法。

5. 竞争分析

5.1 SWOT分析

5.1.1 优势

       对于目前大棚管理设备现状,我们提出分布式控制的思路,以低成本低功耗远距离为目标接入更多的设备,结合云端技术,实现自动监控,服务器采用目前主流linux+apache+mysql+php框架,实现web服务,同时可对微信小程序提供服务,web数据可视化,大数据存储及分析。同时开放对接端口,建立一个生态平台。采用分布式控制的方式,以大棚为节点,大棚内分布有各个设备,单个节点最大可容纳上百个设备,几十个节点组成整个大棚管理系统。可对各个大棚内的信息实时进行监控,数据存储以及可视化,同时接入微信小程序平台,实现信息监控报警功能。

       比较人工的控制来说,智能控制最大的好处就是能够相对恒定的控制大棚内部的环境,对于环境要求比较高的植物来说,更能避免因为人为因素而造成生产损失。相对生产来说,将智能化控制系统应用到大棚生产以后,产量与质量比人工控制的大棚都有极大的提高,对于不同的种植品种而言,提高产量与质量相对不同,对于档次较高的经济作物来说,生产效率可以提高30%以上。相对运行成本来的核算,对于有一定规模的种植企业来说,极大的降低了劳动力成本,设备的投入与运行,可以完全由节约下来的劳动力成本中核算出来,使用时间越长,光节约的劳动力成本就是一笔巨大的利润。

5.1.2 劣势

       目前公司尚处于初级阶段,刚刚形成意向订单,产品项目没有完全成型,没有完备的经销商网络和成熟的供应链体系,且尚未建立品牌形象和商业信用。

5.1.3 机会

       中国自古就是农业大国,中国政府对农业的发展也十分关注。国务院40号文关于“大力发展农业生产、稳定农副产品供应”的精神,各地纷纷采取措施,加大蔬菜生产扶持力度。《国务院办公厅关于推进农业高新技术产业示范区建设发展的指导意见》,精神当中第五方面指出扩大开放创新合作。重点在支持国际研发机构建设、推动重大科技活动组织方面提出2项政策举措。

       但是中国作为一个农业大国,我国智能大棚的覆盖率不足30%,我国大棚总量的60%以上的中小型大棚结构简单、设备简陋,难以实现环境的综合调控,生产管理和运行水平比较低下。从长远发展看,我国温室市场发展潜力巨大,智能温室大棚用户也趋于理智和成熟,普遍要求温室趋于布局合理化和对当地气候条件适应性的科学化以及温室应用技术的普及化,智能温室大棚近年来的发展趋势。利用物联网技术对农业进行智慧种植已经成为热点,智能温室大棚监控系统等智能化信息管理技术是发展现代农业的主流。

5.1.4 威胁

       初创品牌缺乏知名度和影响力,行业竞争激烈,易受同行业竞争者打压,并且在市场上存在一定的潜在竞争者和跟随模仿者,可能易产生同质化倾向,同时存在潜在竞争对手在短期内突破技术与成本“瓶颈”的可能性。

SWOT分析图

基于对SWOT的全面分析和评价,公司的发展采用“SO+WO+ST+WT”组合的发展战略。

“SO+WO+ST+WT”组合

      利用公司的技术优势和创新能力,对现有产品不断升级优化,满足客户需求。

      主动开发客户,与客户建立良好合作关系,培养客户的忠诚度和信任度。

      加强市场营销,做好品牌建设。

5.2 具体竞品分析

5.2.1类似竞品

      托普云农智能温室控制系统

      托普物联网智能温室控制系统采集温室内的空气温湿度、土壤水分、土壤温度、二氧化碳、光照强度等实时环境数据,通过中继节点传输到控制中心,由中心平台系统将最新监测数据与预先设定适合农作物生长的环境参数与进行比较,如发现传感器监测到的数据与预设数值有了偏差,计算机会自动发出指令,智能启动与系统相连接的通风机、遮阳、卷被、加湿、浇灌等设备进行工作,直到大棚内环境数据达到系统预设的数据范围之内,相关设备才会停止工作。

      托普物联网技术应用,真正实现了农业生产自动化、管理智能化,使温室大棚种植管理智能化调温、精细化施肥,可达到提高产量、改善品质、节省人力、降低人工误差、提高经济效益的目的,实现温室种植的高效和精准化管理。

      北京博伦经纬科技云智能温室大棚环境自动监测系统

      北京博伦经纬科技发展有限公司提供的云智能温室大棚环境自动监测系统,型号为Caipos的凯普斯行业专用仪器,产地为奥地利,属于进口品牌,参考价格为2万-5万,公司还可为用户供应高品质的davis Vantage Pro2 06163EU 农业气象站、ORP土壤氧化还原电位传感器等仪器。

      每一台主机可以同时连接16组无线节点,一台监测站主机可以无线监测半径1km范围内的16个温室的空气温湿度、土壤水分、土壤温度及叶片湿度。每一栋温室配置一套无线综合采集器,各类传感器通过无线传感网组成一个智能无线网络,多个温室群将各自环境参数实时上传给监测站主机,监测站主机再通过GPRS将数据信息发送至凯普斯中央数据平台。系统利用环境数据与用户设置的作物信息,指导用户进行正确的栽培管理。该系统可广泛应用于农业、园艺、畜牧业等领域,在需要特殊环境要求的场所实施监控和管理,为实现对生态作物的健康成长和及时调整栽培、管理等措施提供及时的科学的依据。

      达普大棚智能控温器

      温控机可按照植物最佳生长温度范围进行设定,温差控制在±1℃范围内,使植物营养生长和生殖生长更合理,积温和养分同化达到最佳效果。温控机可根据天气设定电机延时工作时间,较人工可大大减小忽然骤降或骤升植物要求的高温和低温对果菜的生长影响,进而减少生理病害,降低农药、化肥的投入从而降低生产成本。解放生产劳动力,提高农业生产效率。

      据粗略估计,大棚温室看温度的劳动力投入占总劳动力投入的60%-70%, 使得农民学习、交流、外出都受到很大的限制,温控机的使用可使农民从繁重劳动中解放出来,促使农业向更高层次发展。

5.2.2 与本产品异同点对比

产品名

价格

可监测数据

数据采集处理方式

检测范围

系统设计

智慧大棚



空气温湿度、土壤水分、土壤温度、二氧化碳


信息实时进行监控,数据存储以及可视化,同时接入微信小程序平台,实现信息监控报警功能。

3000米

linux+apache+mysql+php框架,实现web服务,同时可对微信小程序提供服务,web数据可视化。

托普云农



空气温湿度、土壤水分、土壤温度、二氧化碳、光照强度等

通过中继节点传输到控制中心

800-1200米


能启动与系统相连接的通风机、遮阳、卷被、加湿、浇灌等设备。

博伦经纬科技


2-5万元


空气温湿度、土壤水分、土壤温度及叶片湿度

监测站主机通过GPRS将数据信息发送至凯普斯中央数据平台。

1000米


系统利用环境数据与用户设置的作物信息,指导用户进行正确的栽培管理。

达普


2300元


温度


温控器直接把温度传输到控制台

500米


单一


5.2.3 项目竞争优势总结

     技术优势

      两种通信方式结合采用nrf24l01+lora组合通信的方式,在大棚内使用nrf24101进行通信,多个大棚的连接我们选用Lora组网,距离可达3公里,充分满足较大面积的连接传输。

      服务多样化服务器采用目前主linux+apache+mysql+php框架,实现web服务,同时可对微信小程序提供服务。

      分布式控制开放对接端口,建立一个生态平台。采用分布式控制的方式,以大棚为节点,大棚内分布有各个设备,单个节点最大可容纳上百个设备,几十个节点组成整个大棚管理系统。可对各个大棚内的信息实时进行监控,数据存储以及可视化,同时接入微信小程序平台,实现信息监控报警功能。

      市场优势

      国家政策扶持2021年是“十四五”开局之年,是巩固拓展脱贫攻坚成果、实现与乡村振兴有效衔接的起步之年。国家大力实施乡村振兴战略,一大批田园综合体、现代农业产业园拔地而起,通过项目建设促进了乡村产业的融合,带动农业农村发展,促进农民增收,同时丰富百姓的精神文明生活,并实现乡村振兴。田园综合体、现代农业产业园等项目在打造产业链时,以高科技智能温室为代表的设施农业得到广泛应用,对助力脱贫攻坚和实现乡村振兴起到了至关重要的作用。国务院40号文关于“大力发展农业生产、稳定农副产品供应”的精神,各地纷纷采取措施,加大蔬菜生产扶持力度。《国务院办公厅关于推进农业高新技术产业示范区建设发展的指导意见》,精神当中第五方面指出扩大开放创新合作。重点在支持国际研发机构建设、推动重大科技活动组织方面提出2项政策举措。

      市场空间大在智能大棚的建设以及智能大棚环境监控的方面,国外的技术研究水平一直在我国之上。目前全世界的科学技术水平发展快速,许多发达国家在农业智能温室监控方面的技术发展更为快速,已经在智能大棚的建设上使用自动化管理系统并向全智能化的方向发展了。虽然早期的国外温室监测技术只对温室内的空气温度和湿度,土壤湿度、CO2浓度和光照强度等环境因素进行单一的监测。我国作为农业大国,急需相关设备。

需求量大中国作为一个农业大国,我国智能大棚的覆盖率不足30%,我国大棚总量的60%以上的中小型大棚结构简单、设备简陋,难以实现环境的综合调控,生产管理和运行水平比较低下我们的产品十分适用当前环境。

      价格较低我们选用nrf24l01+lora组合通信的方式,在大棚内使用价格较为低廉的nrf24l01进行通信,传输距离最远可达上百米,其价格大约在3-10元左右,可以极大的降低成本。

5.2.4 项目创新点

      本项目精准农业多功能智能大棚管理系统运用云计算、大数据库融合分析、远程数据采集、视频等技术,实现农业生产精准化管理,农业园区信息化管理,区别于传统农业物联网设施,本系统为传统的物联网设施装备安装上了“会思考、会分析、会控制”的“大脑”,即系统通过引入云计算技术与大数据融合分析技术,对物联网设备设施所采集的远端数据,统一归口汇聚。

* 本项目未获得作者开源授权,无法提供资料下载。

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