Интеллектуальное решение для теплиц

1. Фон решения

В условиях роста мирового населения и сокращения пахотных земель традиционное сельское хозяйство сталкивается с проблемами низкой эффективности производства, серьёзного расточительства ресурсов и слабой устойчивости к рискам. Умные теплицы, интегрируя передовые технологии, такие как IoT, большие данные и ИИ, создают точную и интеллектуальную систему сельскохозяйственного производства. Эта система обеспечивает всесторонний мониторинг и регулирование среды роста культур, значительно повышая урожайность и качество, а также способствуя переходу сельского хозяйства к ресурсосберегающим и экологически безопасным практикам.

2. Обзор решения 

Решение умной теплицы использует сеть различных датчиков для сбора данных в реальном времени о воздухе, почве и растениях. В сочетании с интеллектуальными системами управления и алгоритмами ИИ автоматически регулируются параметры окружающей среды, такие как температура, влажность, освещённость и CO₂, чтобы точно соответствовать потребностям роста культур. Система охватывает мониторинг окружающей среды, управление водой и удобрениями, раннее предупреждение о вредителях и болезнях, а также принятие решений на основе данных. Она позволяет сократить зависимость от ручного труда на 30%-50%, повысить урожайность на 20%-40% и сэкономить 20%-35% ресурсов воды и удобрений. 

3. Основные функции и ценность решения умной теплицы 

3.1 Точное управление окружающей средой 

- Функция: мониторинг в реальном времени и автоматическая регулировка температуры, влажности, освещённости, концентрации CO₂ и т.д. для поддержания оптимальной среды роста. 

- Ценность: сокращение цикла роста культур на 10%-15%, повышение однородности качества (например, содержание сахара, стандарты формы плодов). 

3.2 Интеллектуальное управление водой и удобрениями 

- Функция: на основе температуры почвы, влажности, EC (электропроводности), значения pH и содержания NPK запускается точный полив и внесение удобрений. 

- Ценность: сокращение потерь воды и удобрений на 30%-50%, снижение риска засоления почвы. 

3.3 Интеллектуальный контроль вредителей и болезней 

- Функция: с использованием влажности поверхности листьев, данных окружающей среды и технологии распознавания изображений прогнозируется вероятность возникновения болезней (точность >85%). 

- Ценность: сокращение использования пестицидов на 25%, снижение потерь от вредителей и болезней более чем на 50%. 

3.4 Принятие решений на основе данных 

- Функция: построение моделей роста культур и предоставление рекомендаций по оптимизации циклов посадки и селекции сортов. 

- Ценность: повышение урожайности с гектара на 15%-25%, поддержка управления крупномасштабным выращиванием. 

Датчик атмосферной температуры, влажности и давления	Датчик освещённости	Датчик CO₂	Датчик влажности листьев
Датчик PAR	Трёхвходовой датчик температуры, влажности и EC почвы	Датчик влажности и температуры почвы	Датчик pH почвы

4. Проектирование и развёртывание системы датчиков умной теплицы 

4.1 Мониторинг воздушной среды 

1. Датчики температуры, влажности и давления 

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

 - Развёртывание: один датчик каждые 200 м², подвешивается на 50 см выше кроны растений. 

 - Управление: при температуре >30℃ активируется охлаждающая штора; при влажности >85% открываются верхние окна для вентиляции.

2. Датчик CO₂ 

 - Диапазон: 0~5000 ppm, точность ±50 ppm. 

 - Стратегия: поддержание концентрации CO₂ в дневное время 800~1200 ppm, ночью снижение до естественного уровня. 

3. Датчики освещённости и фотосинтетически активной радиации (PAR) 

 - Технические характеристики: освещённость 0~200 000 люкс, PAR — излучение в диапазоне 400~700 нм (мкмоль/м²/с). 

 - Применение: при освещённости<15 000 люкс активируется дополнительное LED-освещение (красный свет 660 нм + синий свет 450 нм); регулировка степени открытия затеняющей сетки при значении PAR ниже порога потребности культуры. 

4.2 Мониторинг почвы и корневой зоны 

1. Трёхвходовой датчик температуры, влажности и EC почвы 

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

 - Глубина: устанавливается в зависимости от глубины корней культуры (15 см для листовых овощей, 30 см для плодоносящих овощей). 

 - Логика управления: при EC >3 мСм/см запускается промывной полив; при влажности<60% активируется капельный полив. 

2. Датчик pH почвы 

 - Диапазон: pH 0~14, точность ±0.1. 

 - Управление: при отклонении pH от оптимального диапазона для культуры (например, томаты pH 6.0~6.8) производится корректировка путём внесения 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 растений 

1. Датчик влажности поверхности листьев 

 - Установка: фиксируется на обратной стороне верхних листьев культуры. 

 - Механизм предупреждения: если влажность >90% и температура >25℃, запускается вентилятор для осушения воздуха с целью предотвращения мучнистой росы.

5. Архитектура и рабочий процесс системы умной теплицы 

5.1 Аппаратный уровень 

- Уровень восприятия: датчики + интеллектуальные камеры, поддержка беспроводной передачи по LoRaWAN / сотовой сети / Wi-Fi. 

- Исполнительные устройства: блоки управления окружающей средой (вентиляторы, охлаждающие шторы, досветка), машины для интегрированного 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. 

- Краевая обработка: шлюзы имеют встроенные алгоритмы предварительной обработки для фильтрации недействительных данных (например, кратковременные колебания освещённости). 

5.3 Уровень платформы 

- Цифровой двойник: 3D-моделирование для воспроизведения теплицы в реальном времени с отображением параметров окружающей среды и состояния оборудования. 

- Движок ИИ: нейронная сеть LSTM прогнозирует тенденции окружающей среды на следующие 72 часа с точностью >92%. 

5.4 Уровень приложений 

- Мобильный терминал: приложение для фермера отправляет оповещения (например, «Превышено значение EC в зоне A3»), поддерживает удалённое управление. 

- Экспертная система: содержит базу знаний по культурам (модели роста более чем для 50 распространённых экономических культур).

6. Примеры внедрения и результаты 

Кейс 1: Умная теплица для томатов на плато (Цинхай) 

- Вызов: большая суточная амплитуда температуры (ΔT>25℃), сильное УФ-излучение, бедная почва. 

- Решение: 

- Развёртывание морозостойких датчиков (нормальная работа при -30℃), добавление УФ-фильтрующей плёнки. 

- Построение ступенчатой стратегии температурного контроля: 28℃ днём / 16℃ ночью, обогащение CO₂ ночью. 

- Результат: 

- Годовая урожайность увеличилась до 45 кг/м² (традиционная теплица 25 кг/м²), содержание сахара достигло 8.2 Brix. 

- Потребление воды сократилось на 40%, частота проверок снижена до одного раза в неделю. 

Кейс 2: База тканевой культуры саженцев фаленопсиса (Юньнань) 

- Требование: точный контроль времени цветения, уровень загрязнения тканевой культуры<0.5%. 

- Решение: 

- Развёртывание датчиков градиента давления в стерильных зонах для поддержания положительного давления. 

- Регулируемый спектр LED для контроля фотопериода (16 часов света / 8 часов темноты). 

- Результат: 

- Отклонение времени цветения<3 дней, уровень загрязнения тканевой культуры снижен до 0.2%. 

- Энергозатраты сокращены на 35%, годовой выпуск высококачественных саженцев достиг 5 миллионов. 

7. Направления технологического развития 

- Усовершенствование цифрового двойника: интеграция данных метеоспутников для совместного регионального управления теплицами. 

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

- Прослеживаемость на блокчейне: привязка данных роста к блокчейну, позволяющая потребителям сканировать и проверять полный жизненный цикл экологических записей. 

Заключение 

Решение умной теплицы создаёт замкнутую систему «восприятие — анализ — исполнение», переводя сельскохозяйственное производство с опыта на данные. Его ценность заключается не только в повышении урожайности и эффективности, но и в содействии углеродной нейтральности сельского хозяйства через точное управление ресурсами. С непрерывным проникновением технологий AIoT умные теплицы станут основным носителем цифрового сельского хозяйства, помогая решать двойные вызовы глобальной продовольственной безопасности и экологической устойчивости.