基于AIoT的智慧农业无土栽培系统设计与应用.pdf

农学学报 2025 15 7 57 64 JournalofAgriculture 基于 AIoT 的智慧农业无土栽培系统设计与应用 林 海 黄杜辉 李景国 湛江幼儿师范专科学校信息科学系人工智能大师工作室 广东湛江524084 摘 要 针 对 土 地 资 源 匮 乏 气 候 变 化 和 环 境 污 染 等 严 峻 现 实 本 研 究 通 过 设 计 一 种 基 于AIoT 技 术 的 无 土 栽 培 智 慧 系 统 将 无 土 栽 培 与 现 代 信 息 技 术 相 融 合 旨 在 突 破 传 统 农 业 的 瓶 颈 推 动 农 业 自 动 化 智 能 化 和 精 细 化 管 理 的 发 展 该 系 统 融 合 了 物 联 网 感 知 视 觉 识 别 大 数 据 分 析 和 机 器 学 习 等 技 术 采 用 多 源 异 构 数 据 融 合 分 析 作 物 生 长 状 况 利 用 人 工 智 能 算 法 对 温 室 环 境 智 能 调 控 并 通 过Web 移 动 端 实 现 远 程 可 视 化 监 控 整 个 系 统 在Jetsonnano 平 台 上 实 现 软 硬 件 高 度 集 成 具 备 优 良 的 并 行 计 算 能 力 和 扩 展 性 实 验 结 果 表 明 相 较 于 人 工 管 理 组 该 系 统 智 能 调 控 下 的 蔬 菜 生 长 周 期 缩 短 了15 4 植 株 高 度 增 加 了17 0 叶 片 数 量 增 加 了26 7 株 重 提 高 了27 4 且 远 程 操 控 界 面 便 利 高 效 验 证 了 系 统 在 促 进 无 土 栽 培 农 业 现 代 化 方 面 的 卓 越 性 能 该 系 统 为 精 准 农 业 发 展 提 供 有 力 技 术 支 撑 有 望 推 动 现 代 农业实现可持续高效绿色发展 关键词 无土栽培 智慧农业 物联网 人工智能 大数据分析 AIoT 中图分类号 TP391 7 文献标识码 A 论文编号 cjas2024 0095 Design and Application of Soilless Cultivation System in Smart Agriculture Based on AIoT LIN Hai HUANG Duhui LI Jingguo AI Master Studio of Department of Information Science Zhanjiang Preschool Education College Zhanjiang Guangdong 524084 Abstract In response to the pressing challe nges of land resource scarcity climate change and environmental pollution this study designs an AIoT based smart soilless cultivation system that integrates soilless cultivation with modern information technology The system aims to overcome the limitations of traditional agriculture and promote the development of agricultural automation intelligence and precision management This system incorporates Internet of Things IoT sensing computer vision big data analytics and machine learning technologies It employs multi source heterogeneous data fusion to analyze crop growth conditions utilizes artificial intelligence algorithms for intelligent greenhouse environment regulation and enables remote visual monitoring through web and mobile interfaces The entire system is highly integrated in terms of hardware and software on the Jetson nano platform offering excellent parallel computing capabilities and scalability Experimental results demonstrate that compared to the manually managed control group vegetables under the intelligent regulation exhibited a 15 4 shorter growth cycle a 17 0 increase in plant height a 26 7 increase in leaf count and a 27 4 improvement in plant weight Additionally the remote control interface proved to be convenient and efficient validating the system s outstanding performance in promoting the modernization of soilless agricultural cultivation This system provides robust technical support for the development of precision agriculture and has the potential to drive modern agriculture towards sustainable efficient and environmentally friendly development Keywords soilless cultivation smart agriculture Internet of Things artificial intelligence big data analysis AIoT 基 金 项 目 广 东 省 科 技 创 新 战 略 专 项 资 金 重 点 项 目 基 于 边 缘 计 算 的 智 慧 公 路 管 理 系 统 设 计 pdjh2023a1047 湛 江 幼 儿 师 范 专 科 学 校 大 学 生 创 新 创 业训练计划项目 智创生活 做Al 水培蔬菜领班者 2023ZYDC01 第 一 作 者 简 介 林 海 男 1976 年 出 生 广 东 湛 江 人 副 教 授 本 科 研 究 方 向 人 工 智 能 物 联 网 方 向 通 信 地 址 524300 广 东 省 湛 江 市 遂 溪 县 遂 城 镇 运 河东路5 横一巷10 号 E mail linhai 收稿日期 2024 05 08 修回日期 2024 09 05 0 引 言 随 着 人 口 的 不 断 增 长 和 城 市 化 进 程 的 加 快 农 业 生产面临着诸多挑战 如土地资源日益紧缺 气候变化 加剧 环境污染加重等 为了实现农业可持续发展 亟 需 创 新 农 业 生 产 模 式 发 展 智 慧 农 业 1 成 为 必 然 趋 势 智 慧 农 业 是 指 充 分 利 用 现 代 信 息 技 术 将 互 联 网 2 物 联 网 3 云 计 算 4 大 数 据 5 人 工 智 能 6 等 融 入 农 业生产全过程 实现农业生产的自动化 智能化和精准 化 管 理 智 慧 农 业 可 以 精 确 感 知 和 控 制 农 业 生 产 环 境 提 高 农 产 品 单 位 面 积 产 量 和 品 质 降 低 生 产 成 本 促进农业可持续发展 无 土 栽 培 7 是 智 慧 农 业 的 一 种 重 要 形 式 它 是 在 无土质或无固体人工培养基中进行植物生长的一种特 殊栽培方式 无土栽培通过控制营养液的理化性质及 环境因素 为植物提供生长所需的水分 养分和环境条 件 与 传 统 土 壤 栽 培 相 比 无 土 栽 培 具 有 土 地 利 用 率 高 生产周期短 植株管理便利 产品卫生安全等优势 是 未 来 城 市 现 代 农 业 的 重 要 发 展 方 向 随 着 物 联 网 大数据 人工智能等新兴技术的不断发展 智慧农业大 棚 8 在国内外受到了广泛关注和研究 在 欧 美 等 发 达 国 家 智 慧 农 业 大 棚 研 究 起 步 较 早 荷 兰 是 无 土 栽 培 和 智 能 温 室 大 棚 应 用 的 领 先 国 家 其 温 室 大 棚 面 积 占 全 球 近 20 荷 兰 的 FlexiVision 公 司 研 发 了 基 于 计 算 机 视 觉 的 作 物 生 长 监 测 系 统 9 可 自 动 监 测 作 物 生 长 状 况 并 优 化 环 境 因 素 美国等国家的一些企业也在积极布局智慧农业大 棚 领 域 谷 歌 旗 下 的Mineral 公 司 致 力 于 利 用 人 工 智 能 和 机 器 学 习 优 化 农 业 生 产 微 软 推 出 了FarmBeats 农 业 物 联 网 平 台 10 用 于 监 测 农 场 数 据 并 为 农 户 提 供 决策支持 近 年 来 中 国 在 智 慧 农 业 大 棚 领 域 的 研 究 也 取 得 了 长 足 进 步 张 开 生 等 11 研 究 了 温 室 大 数 据 采 集 与 处 理技术 为构建温室生产全过程数据平台奠定基础 可 为 精 准 农 业 决 策 提 供 支 持 何 勉 12 基 于 物 联 网 技 术 开 发 了 温 室 环 境 监 控 系 统 可 实 时 采 集 温 室 内 的 环 境 数 据 为 智 能 控 制 提 供 依 据 曹 耀 鹏 等 13 提 出 了 基 于 大 数 据 的 现 代 化 温 室 环 境 控 制 系 统 融 合 多 源 异 构 数 据 实现对温室环境参数如光照 温湿度的智能控制和 优 化 胡 天 让 等 14 设 计 了 基 于 物 联 网 的 智 能 温 室 控 制 系统 可根据实时数据自动调节温室温湿度 水流速度 等 实现温室自动化管理 此外 一些高科技公司如华 为 阿 里 巴 巴 等 也 在 智 慧 农 业 领 域 开 展 了 积 极 探 索 华 为 推 出 的 农 业 沃 土 平 台 15 集 成 物 联 网 大 数 据 AI 等 技 术 实 现 智 能 环 境 控 制 和 远 程 运 维 阿 里 巴 巴 的 ET 农 业 大 脑 16 通 过 视 觉 识 别 和 数 据 建 模 对 农 场 运 营提供决策支持 虽然国内外在智慧农业大棚领域已经开展了大量 研究 但仍存在一些亟待解决的问题 如不同农作物的 精细化种植模型缺失 多源异构数据融合难度较大 决 策支持系统智能化水平不高等 本研究设计了一种基 于AIoT 17 物 联 网 和 人 工 智 能 技 术 的 智 慧 农 业 无 土 栽培系统 将无土栽培与现代信息技术相结合 旨在突 破传统农业的多种限制 实现农业生产的自动化 智能 化 和 精 细 化 管 理 该 系 统 融 合 了 物 联 网 感 知 18 大 数 据 分 析 19 和 机 器 学 习 20 等 多 种 前 沿 技 术 可 远 程 实 时 监 测 农 作 物 生 长 环 境 并 根 据 大 数 据 分 析 结 果 自 动 调 节温湿度 光照等环境参数 为农作物创造最佳生长条 件 同时 该系统还具备运维和管理的可视化界面 农 户 可 通 过PC 或 手 机APP 端 远 程 监 控 和 操 控 整 个 无 土 栽培过程 极大提高了生产效率和管理水平 此外 系 统采集的大量种植数据也为未来的农业决策和政策制 定提供了数据支撑 总 之 本 研 究 所 设 计 的 智 慧 农 业 无 土 栽 培 系 统 有 望 应 对 未 来 城 市 农 业 发 展 的 诸 多 挑 战 推 动 农 业 生 产 向 自 动 化 智 能 化 和 精 细 化 转 型 促 进 农 业 的 可 持 续 发 展 1 系 统 构 成 1 1 硬 件 系 统 硬 件 系 统 是 整 个 种 植 环 境 的 物 理 基 础 主 要 由 图 1 所示模块组成 主要由控制模块 执行模块 感知模块和通信模块 四 大 部 分 组 成 控 制 模 块 以Jetsonnano 21 为 核 心 控 制 器 集 成GPU 加 速 计 算 能 力 22 用 于 处 理 视 觉 和 控 制 算 法 感 知 模 块 包 括 高 清 云 台 摄 像 头 温 湿 度 传 感 器 光强度传感器 水位传感器和水质传感器等 负责采集 大棚环境和作物生长数据 执行模块包括舵机 水泵和 光源控制等 用于调节大棚环境参数 如通风 浇水 照 明 和 加 注 营 养 液 等 通 信 模 块 利 用ZigBee 23 和WiFi 组 网 实现本地控制和云端数据交互 硬件各模块通过规 范的接口集成 形成一个可扩展 高度集成的物联网系 统 为整个种植环境提供坚实的物理基础 这种模块化 的硬件设计 不仅提高了系统的灵活性和可扩展性 还 确 保 了 各 功 能 模 块 之 间 的 高 度 协 调 配 合 为 智 能 种 植 系统的实现奠定了坚实的基础 1 2 终端系统架构及算法实现 该终端系统的整体架构如图2 所示 1 2 1 Jetson 边 缘 计 算 平 台 Jetson 边 缘 计 算 平 台 作 为 系 统 的 核 心 承 担 着 关 键 的 功 能 角 色 它 通 过 集 成 各 类传感器 能够实时采集大棚内部的环境数据 包括温 林 海等 基于AIoT 的智慧农业无土栽培系统设计与应用 58度 湿 度 营 养 液 成 分 等 信 息 同 时 Jetson 平 台 还 内 置 了 强 大 的 图 像 处 理 和 目 标 检 测 算 法 能 够 对 采 集 的 图 像数据进行分析处理 识别出大棚内部的目标物体 为 后续的自动控制提供依据 此 外 Jetson 边 缘 计 算 平 台 还 担 负 着 与 云 端 进 行 通 讯 的 任 务 它 能 够 将 采 集 的 环 境 数 据 通 过MQTT 协 议 上 传 至 云 端 服 务 器 为 远 程 监 控 和 数 据 分 析 提 供 支 持 同 时 云 端 也 可 以 下 发 相 应 的 控 制 指 令 由 Jetson 平台执行 实现对大棚环境的远程调控 1 2 2 图 像 处 理 模 块 该 模 块 包 括 图 像 超 分 辨 率 处 理 和 目 标 检 测 两 个 子 模 块 图 像 超 分 辨 率 处 理 采 用 ADBNET 模 型 24 将 低 分 辨 率 图 像 x H W 3 转 换 为 高 分 辨 率 图 像 y s H s W 3 其 中 s 为 放 大 比 例 该 模 型 由 多 个 残差 模块 组成 每个 残差 模块 包含 两个 卷积 层 两 个 批 归 一 化 层 和 两 个ReLU 激 活 层 最 后 一 层 使 用 大 kernel size 的 卷 积 层 完 成 图 像 的 放 大 模 型 的 损 失 函 数见式 1 1 其 中 x 为 输 入 低 分 辨 率 图 像 为 目 标 高 分 辨 率 图 像 为模型参数 目 标 检 测 模 块 采 用YOLOv5 网 络 25 输 入 高 分 辨 率 图 像 y 输 出 检 测 到 的 目 标 边 界 框 b x 1 y 1 x 2 y 2 c l 其 中 x 1 y 1 x 2 y 2 为 边 界 框 坐 标 c 为置信度 l 为类别标签 目 标 检 测 采 用YOLOv5 网 络 其 网 络 结 构 如 图3 所 示 该 模 型 由 多 个 卷 积 层 和 池 化 层 组 成 最 后 输 出 边 界 框 坐 标 置 信 度 和 类 别 标 签 模 型 的 损 失 函 数 见 式 2 其 中 I o b j i j 和 I n o o b j i j 分 别 表 示 第 i 个 网 格 包 含 目 标 和 不 包 图 1 硬件系统 图 2 终端系统的整体架构 59含 目 标 的 指 示 函 数 x i y i w i h i 为 真 实 边 界 框 参 数 x i y i w i h i 为 预 测 边 界 框 参 数 ci 为 置 信 度 pi c 为 类 别 概率 1 2 3 环境监测模块 该模块包括营养液检测和植物生 长监测两个子模块 营养液检测通过电导率和酸碱度 传感器获取营养液的电导率 和酸碱度pH 电导率和 酸碱度传感器获取的原始数据分别为 s 和 s p H 电导 率和酸碱度计算分别见式 3 4 q s 3 p H q p H s p H 4 其 中 q 和 q p H 分 别 是 电 导 率 和 酸 碱 度 的 转 换 函 数 这 些 函 数 可 能 是 一 个 简 单 的 线 性 函 数 也 可 能 是 一 个 更 复 杂 的 多 项 式 或 其 他 非 线 性 函 数 具 体 取 决 于 传 感 器的特性 植 物 生 长 监 测 通 过 温 湿 度 传 感 器 获 取 温 度T 和 湿 度H 温 度 和 湿 度 传 感 器 获 取 的 原 始 数 据 分 别 为ST 和 SH 温度和湿度的计算分别见式 5 6 T h T s T 5 H h H s H 6 其 中 hT 和hH 分 别 是 温 度 和 湿 度 的 转 换 函 数 这 些 函 数 可 能 是 一 个 简 单 的 线 性 函 数 也 可 能 是 一 个 更 复 杂 的 多 项 式 或 其 他 非 线 性 函 数 具 体 取 决 于 传 感 器 的 特 性 1 2 4 自动控制 模块 该模块包括营养液配比调整 水 泵控制和光照控制三个子模块 营养液配比调整根据 营养液检测结果 和pH 通过舵机转动来调整营养液 的成分 以保证植 物生长所需的营养均衡 水泵控制根 据植物生长监测结果T 和H 控制水泵的转速 以维持 最佳的生长环境 光照控制根据植物生长监测结果T 和H 控制补光灯的开关 以满足植物生长所需的光照 条件 1 2 5 云边通讯模块 云边通讯模块是云边协同架构中 的关键组件 负责实现 边 缘 设 备 与 云 端 之 间 的 数 据 交 互 和 控 制 指 令 执 行 该 模 块 通 过MQTT 协 议 将 采 集 的 环 境 数 据 D p H T H b 上 传 至 云 端 其 中 包 括 电 导 率 酸 碱 度pH 温 度T 湿 度H 以 及 其 他 环 境 参 数b 当 云 端 监 测 到 环 境 数 据 异 常 时 会 下 发 相 应 的 控 制 指 令 c 至 边 缘 设 备 云 边 通 讯 模 块 接 收 到 这 些 指 令 后 会 执 行 相 应 的 操 作 f c 以 调 整 环 境 参 数 使 环 境 数据D 达到预期状态 这个过程可以表示为式 7 D D f c 7 其 中D 表 示 调 整 后 的 环 境 数 据 MQTT 协 议 具 有 低 带宽占用 低功耗和高可靠性等特点 非常适合边缘设 备 与 云 端 之 间 的 数 据 传 输 云 边 通 讯 模 块 利 用MQTT 协议 高效地将边缘设备采集的环境数据上传至云端 同 时 快 速 响 应 云 端 下 发 的 控 制 指 令 实 现 了 环 境 监 测 和控制 的智能化 2 种植实验和分析 为 了 验 证 所 设 计 基 于AIoT 的 无 土 栽 培 系 统 的 有 效 性 和 可 行 性 我 们 于2022 年11 月 2022 年12 月 在 湛江幼儿师范专科学校人工智能大师工作室搭建了一 个 微 型 无 土 栽 培 大 棚 并 进 行 了 为 期1 个 月 的 蔬 菜 种 植实验 2 1 实验环境 采 用 亚 克 力 透 明 结 构 内 部 安 装 了LED 植 物 生 长 灯 营 养 液 补 充 器 水 培 循 环 系 统 等 硬 件 设 施 为 无 土 栽培芥菜提供基本生长环境 我们的硬件系统和软件 系统均部署在大棚内 硬件感知终端包括温湿度传感 器 光 强 度 传 感 器 水 质 检 测 仪 高 清 云 台 摄 像 头 等 执 行 终 端 包 括 水 泵 灯 光 舵 机 控 制 模 块 风 扇 等 Jetsonnano 作 为 核 心 控 制 器 连 接 各 个 模 块 种 植 对 象 为芥菜 分为对照组 人工管理 和实验组 智能控制 2 批 各40 株 2 2 实验过程 在AIoT 的 无 土 栽 培 系 统 中 环 境 数 据 采 集 是 第 一 步 我 们 持 续 采 集 大 棚 内 的 温 湿 度 光 照 强 度 水 质 情 况及作物生长图像 并将数据传输至云端存储 然后 通 过 视 觉 识 别 算 法 对 作 物 图 像 进 行 分 析 实 时 监 测 生 长状态 并结合历史数据进行大数据分析 决策控制系 统自主调节大棚温湿度 光照强度 营养液浓度等环境 参数 为作物创造适宜生长环境 同时 用户可以通过 Web 或 移 动 端 远 程 查 看 大 棚 内 实 时 视 频 监 视 芥 菜 生 长情况 并能远 程控制 环境设定参数 最后 系统同步 记 录 对 照 组 和 实 验 组 的 生 长 状 态 和 环 境 参 数 以 评 估 2 林 海等 基于AIoT 的智慧农业无土栽培系统设计与应用 60智 能 控 制 的 效 果 实 现AIoT 的 无 土 栽 培 的 闭 环 管 理 图3 记 录 了 对 照 组 和 实 验 组 芥 菜 生 长 周 期 内 的 环 境 数 据 包 括 温 度 湿 度 光 照 强 度 和 营 养 液EC 值 等 关 键 参数 图 3 对照组和实验组环境参数变化趋势 从 图3 的 温 度 曲 线 图 可 以 看 出 实 验 组 温 室 内 的 温度较对照组室 外温度更加稳定 维持在23 左右 符 合芥菜生长的最佳温度范围 而对照组室外温度波动 较大 不利于芥菜生长 湿度曲线图显示 实验组温室 内 的 湿 度 保 持 在78 左 右 相 对 稳 定 而 对 照 组 室 外 湿 度 变 化 较 大 这 将 影 响 芥 菜 的 正 常 生 长 光 照 强 度 曲 线 则 表 明 实 验 组 温 室 内 的 光 照 强 度 维 持 在1200lx 左 右 满足芥菜生长所需 而对照组室外光照强度变化较 大 不 利 于 芥 菜 光 合 作 用 的 进 行 EC 值 曲 线 显 示 实 验 组 温 室 内 的EC 值 保 持 在2 4 mS cm 左 右 较 为 稳 定 而 对 照 组 室 外EC 值 波 动 较 大 这 将 影 响 养 分 的 吸 收 和 芥 菜 的 生 长 因 此 基 于AIoT 的 智 慧 农 业 无 土 栽 培 系 统 能 够 精 确 控 制 温 度 湿 度 光 照 和 养 分 为 芥 菜 创造最佳的 生长环境 大大提高芥菜的产量和品质 证 明了该系统在无土栽培芥菜种植中的优越性 2 3 生长指标数据对比 实 验 组 芥 菜 在 整 个 生 长 周 期 中 表 现 出 全 面 的 优 势 如 表1 所 示 从 植 株 高 度 来 看 实 验 组 在 第3 周 达 到15 8cm 比 对 照 组 高 出2 3cm 叶 片 数 量 方 面 实 验 组 到 第3 周 时 平 均 为19 片 较 对 照 组 多4 片 最 为 显 著 的 是 株 重 差 异 3 周 生 长 期 结 束 时 实 验 组 平 均 株 重 达 121g 比 对 照 组 高 出26g 增 幅 达27 4 这 些 数 据 充 分 证 明 了 基 于AIoT 的 智 慧 农 业 无 土 栽 培 系 统 能 够 为 芥 菜 创 造 更 为 理 想 的 生 长 环 境 不 仅 促 进 了 植 株 的 纵 向 生 长 和 叶 片 发 育 还 显 著 提 高 了 生 物 量 积 累 实 验 结 果 体 现 了AIoT 智 慧 农 业 系 统 在 无 土 栽 培 中 的 应 用 价值 展示了 其在提高作物生长速度 促进植株发育和 增加产量方面的显著效果 2 4 生长数据分析 本 系 统 的 云 平 台 不 仅 是 数 据 存 储 中 心 更 是 一 个 强大的分析和 决策支持工具 基于先进的大数据分析 技 术 云 平 台 每 日 对 植 物 生 长 情 况 进 行 全 面 分 析 系 统 通 过 高 清 摄 像 头 定 时 拍 摄 植 物 图 像 并 智 能 拼 接 生 表 1 芥菜主要生长指标 植株 植株高度 cm 叶片数量 片 株重 g 生长周期 1 周 2 周 3 周 1 周 2 周 3 周 3 周 实验组平均值 4 2 11 6 15 8 4 12 19 121 对照组平均值 3 8 9 7 13 5 3 9 15 95 61成 植 物 生 长 的 时 间 序 列 可 视 化 展 示 同 时 云 平 台 持 续 记 录 和 分 析 温 室 内 的 温 度 湿 度 光 照 强 度 水 位 等 关键环境参数 通过将植物每日生 长图像数据与环境 参 数 数 据 进 行 对 比 为 植 物 生 长 提 供 精 准 的 决 策 支 持 如图4 所示 为 量 化 评 估 基 于AIoT 的 智 慧 农 业 无 土 栽 培 系 统 图 4 环境控制决策支持系统 的 效 果 我 们 对 实 验 组 和 对 照 组 的 主 要 生 长 指 标 及 环 境 参 数 进 行 了 统 计 分 析 通 过 独 立 样 本t 检 验 单 因 素 方 差 分 析 ANOVA 和 卡 方 检 验 等 统 计 方 法 比 较 了 2 组 在 植 株 高 度 叶 片 数 量 株 重 等 生 长 指 标 以 及 温 度 湿 度 光 照 强 度 和EC 值 等 环 境 参 数 上 的 差 异 具 体的统计分析结果如表2 所示 表 2 实验组和对照组植株高度 叶片数量 株高和存活率分析 指标类别 生长指标 环境参数 指标名称 植株高度 叶片数量 株重 存活率 温度 湿度 光照强度 EC 值 实验组 M 15 8cm SD 1 2cm M 19 片 SD 2 片 M 121g SD 8g 97 5 39 40 M 23 2 C SD 0 5 C M 78 5 SD 2 1 M 1210lx SD 50lx M 2 4mS cm SD 0 1mS cm 对照组 M 13 5cm SD 1 0cm M 15 片 SD 2 片 M 95g SD 7g 90 36 40 M 21 5 C SD 1 8 C M 72 3 SD 5 7 M 980lx SD 180lx M 2 0mS cm SD 0 3mS cm 统计检验结果 t 78 9 32 p 0 001 Cohen sd 2 08 t 78 9 49 p 0 001 Cohen sd 2 12 t 78 15 68 p 0 001 Cohen sd 3 51 1 N 80 1 92 p 0 166 F 1 58 156 3 p 0 001 0 73 F 1 58 89 7 p 0 001 0 61 F 1 58 203 5 p 0 001 0 78 F 1 58 112 4 p 0 001 0 66 根 据 表2 的 数 据 分 析 结 果 我 们 可 以 得 出 以 下 结 论 在 生 长 指 标 方 面 实 验 组 的 植 株 高 度 叶 片 数 量 和 株 重 均 显 著 高 于 对 照 组 p2 0 表 明 智 能 系 统 对 植 物 生 长 有 显 著 促 进 作用 存活率方面 虽然实验组略高于对照组 但差异 未 达 到 统 计 学 显 著 水 平 p 0 166 在 环 境 参 数 控 制 方 面 实 验 组 的 温 度 湿 度 光 照 强 度 和EC 值 均 显 著 优 于 对 照 组 p0 60 说 明 智 能 林 海等 基于AIoT 的智慧农业无土栽培系统设计与应用 62系统能有效调控并维持稳定的生长环境 这些数据充 分 证 明 了 基 于AIoT 的 智 慧 农 业 无 土 栽 培 系 统 在 改 善 植物生长条件和提高作物产量方面的显著优势 2 5 远程操控界面 本系统的一大亮点是其强大而便捷的远程操控功 能 用 户 无 需 亲 临 现 场 即 可 通 过 移 动 端 应 用 或Web 浏 览 器 远 程 监 控 和 管 理 整 个AIoT 的 无 土 栽 培 系 统 实 现真正的 指尖农业 Web 端控制界面如图5 所示 Web 端 控 制 界 面 设 计 直 观 功 能 丰 富 集 成 了 高 清 实 时 视 频 监 控 AI 目 标 检 测 自 动 识 别 蔬 菜 类 型 环 境 参 数 实 时 曲 线 自 动 控 制 及 人 工 干 预 控 制 等 多 种 功 能 用 户 可 以 随 时 查 看 大 棚 内 的 实 时 情 况 掌 握 作 物 生长状态 环境参数的实时变化趋势直观呈现 用户还 可 进 行 远 程 手 动 调 控 如 调 节 光 照 强 度 加 营 养 液 等 此 外 系 统 还 提 供 历 史 数 据 查 询 大 数 据 分 析 等 功 能 确保及时处理潜在问题并支持长期分析优化 这种全 面 的 远 程 操 控 界 面 不 仅 大 大 提 高 了 管 理 效 率 还 为 用 户 提 供 了 灵 活 的 控 制 选 择 使 得 无 论 是 专 业 农 户 还 是 业 余 爱 好 者 都 能 轻 松 掌 控 整 个AIoT 的 无 土 栽 培 系 统 的运作 实现精准化 个性化 的植物种植管理 图 5 Web 端控制界面 3 讨论和结论 3 1 讨论 尽 管 该 系 统 取 得 了 令 人 满 意 的 实 验 结 果 但 我 们 也 客 观 分 析 了 目 前 系 统 的 一 些 不 足 之 处 例 如 智 能 决 策 算 法 的 自 主 性 有 待 进 一 步 提 高 能 源 成 本 控 制 有 待 优 化 不 同 作 物 适 应 性 有 待 扩 展 大 规 模 种 植 环 境 的 挑 战 等 为 了 解 决 这 些 问 题 我 们 将 在 未 来 的 工 作 中 从 多 个 方 面 着 手 改 进 和 完 善 首 先 我 们 将 提 高 决 策 控 制 算 法 的 智 能 化 水 平 探 索 强 化 学 习 等 技 术 实 现 温 室 全 自 主 闭 环 控 制 其 次 我 们 将 优 化 硬 件 设 计 和 运 行 策 略 降 低 系 统 运 营 的 能 源 消 耗 和 成 本 支 出 此 外 我 们 还 将 构 建 更 多 作 物 品 种 的 生 长 模 型 使 系 统 能 够 精 细 化 控 制 各 类 农 作 物 的 生 长 环 境 同 时 通 过 增 加 感 知 节 点 分 布 式 控 制 等 措 施 实 现 系 统 向 商 业 化 大 规 模 种 植 环 境 的 平 滑 扩 展 最 后 我 们 将 整 合 气 象 数 据 作 物 专 家 知 识 等 提 升 环 境 调 节 决 策 的 科 学 性 和 前 瞻 性 通 过 不 断 创 新 和 优 化 该 系 统 必 将 为 推 动 现 代 农 业 的 可 持 续 高 效 绿 色 发 展 做 出 重 要 贡 献 3 2 结论 随着城市 化进程的加快和传统农业模式的局限性 日益凸显 发展 智慧农业 实现农业现代化已经成为必 然 趋 势 本 研 究 设 计 了 一 种 基 于AIoT 技 术 的 智 慧 农 业无土栽培系统 将无土栽培与现代信息技术相结合 突 破 了 传 统 农 业 生 产 的 多 种 瓶 颈 实 现 了 农 业 种 植 的 自 动 化 智 能 化 和 精 细 化 管 理 该 系 统 的 核 心 创 新 之 处 在 于 融 合 图 像 环 境 感 知 和 历 史 大 数 据 进 行 多 源 异 构数据分析 基于机器学习算法的智能决策 远程监控 和 精 细 化 控 制 以 及 软 硬 件 高 度 集 成 的 实 现 实 验 结 果表明 该系统在促进无土栽 培农业自动化 智能化方 面 具 有 优 越 性 可 为 现 代 精 准 农 业 的 发 展 提 供 有 力 技 术支撑 参 考 文 献 1 赵 春 江 李 瑾 冯 献 面 向2035 年 智 慧 农 业 发 展 战 略 研 究 J 中 国 工程科学 2021 23 4 1 9 2 ZHANG X CAO Z DONGW Overview of edge computing in the agricultural internet of things Key technologies applications 63challenges J IeeeAccess 2020 8 141748 141761 3 吴 吉 义 李 文 娟 曹 健 等 智 能 物 联 网AIoT 研 究 综 述 J 电 信 科 学 2021 37 8 1 17 4 HORI M KAWASHIMA E YAMAZAKI T Application of cloud computing to agriculture and prospects in other fields J Fujitsu scientific technicaljournal 2010 46 4 446 454 5 HUANG Y CHEN Z X TAO Y et al Agricultural remote sensing big data Management and applications J Journal of integrative agriculture 2018 17 9 1915 1931 6 BANNERJEE G SARKAR U DAS S et al Artificial intelligence in agriculture A literature survey J International journal of scientific research in computer science applications and managementstudies 2018 7 3 1 6 7 孙 锦 李 谦 盛 岳 冬 等 国 内 外 无 土 栽 培 技 术 研 究 现 状 与 应 用 前 景 J 南京农业大学学报 2022 45 5 898 915 8 张 新 陈 兰 生 赵 俊 基 于 物 联 网 技 术 的 智 慧 农 业 大 棚 设 计 与 应 用 J 中国农机化学报 2015 36 5 90 95 9 TIAN H WANG T LIU Y et al Computer vision technology in agricultural automation A review J Information processing in agriculture 2020 7 1 1 19 10 OJHA T MISRA S RAGHUWANSHI N S Internet of things for agricultural applic