智能大棚研究现状与发展趋势

** 随着全球人口增长、资源环境约束加剧以及消费者对高品质农产品需求的日益增长，传统农业正面临前所未有的挑战，智能大棚作为设施农业的高级形态，通过集成物联网、大数据、人工智能、自动控制等新一代信息技术，实现了对作物生长环境的精准调控、资源的高效利用和生产过程的智能化管理，是保障“菜篮子”供给、推动农业现代化和可持续发展的关键路径，本文系统梳理了智能大棚的核心技术体系，包括环境感知、智能决策、精准执行和云平台管理；深入分析了其在国内外的研究与应用现状；探讨了当前发展中面临的技术成本、数据孤岛、模型普适性及标准缺失等挑战；并对未来与5G、数字孪生、机器人技术深度融合，以及实现更高层次的自主化和无人化的发展趋势进行了展望，以期为智能大棚的进一步研究与应用提供参考。

智能大棚；物联网；精准农业；人工智能；研究现状

农业是人类社会生存与发展的基石,传统农业“靠天吃饭”的模式，面临着水资源短缺、耕地减少、劳动力成本上升、病虫害频发以及环境污染等诸多问题，设施农业通过人工创造适宜作物生长的环境，在一定程度上摆脱了自然条件的束缚，但传统大棚的管理仍高度依赖经验，存在环境调控滞后、水肥浪费、劳动强度大、产品质量不稳定等弊端。

在此背景下,智能大棚应运而生，它将信息技术与农业生产深度融合，构建了一个“感知-决策-执行-反馈”的闭环智能系统，通过对大棚内光照、温度、湿度、CO₂浓度、土壤墒情等多维度环境参数的实时监测，结合作物生长模型和人工智能算法，实现对水、肥、光、气、热等生产要素的按需、精准供给，从而达到高产、优质、高效、生态、安全的生产目标，本文旨在全面剖析智能大棚的研究现状，并展望其未来发展方向。

智能大棚的核心技术体系

智能大棚是一个复杂的技术集成系统,其核心在于构建一个全面感知、智能决策、精准执行、智慧管理的现代化农业生产体系。

环境感知与数据采集技术 这是智能大棚的“五官”，负责全面、准确地获取作物生长环境信息。

• 传感器技术： 采用各类高精度、低功耗的传感器，实时采集环境参数，主要包括：
  • 气象传感器： 测量空气温度、湿度、光照强度、CO₂浓度、风速风向等。
  • 土壤传感器： 测量土壤温度、湿度（含水量）、EC值（电导率，反映肥力）、pH值等。
  • 图像传感器： 通过高清摄像头、多光谱/高光谱相机，获取作物长势、叶面积指数、叶色等信息，用于病虫害早期识别和营养状况诊断。
• 无线传感网络技术： 利用Zigbee、LoRa、NB-IoT等低功耗广域网技术，将采集到的海量数据稳定、低延迟地传输至数据中心，解决了传统有线布线复杂、成本高、维护困难的问题。

智能决策与控制技术 这是智能大棚的“大脑”，负责分析数据并做出最优的调控指令。

• 作物生长模型： 建立不同作物在不同生长阶段与环境因子之间的数学模型，该模型是精准调控的理论基础，可以预测特定环境下的作物生长状况和产量。
• 人工智能与机器学习：
  • 机器学习： 利用历史数据训练模型，实现对未来环境趋势的预测，或根据作物目标状态反向推算所需的环境参数组合。
  • 深度学习： 在病虫害识别、果实成熟度判断、作物生长状态评估等图像识别任务中表现出色，其识别精度已接近甚至超越人类专家。
  • 专家系统与控制算法： 结合农学专家知识，开发模糊控制、PID控制、神经网络控制等算法，实现从“经验控制”到“数据驱动控制”的跨越，确保环境调控的平稳性和高效性。

精准执行与自动化技术 这是智能大棚的“双手”，负责精确执行决策指令。

• 环境调控设备： 包括卷帘机、风机、湿帘、补光灯、CO₂发生器、加热/制冷设备等，可根据指令自动调节大棚内的微气候。
• 水肥一体化系统： 由智能阀门、施肥机、灌溉管网组成，系统根据土壤墒情和作物需肥模型，自动按比例调配养分和水分，通过滴灌、喷灌等方式精准输送至作物根部，实现节水节肥。
• 自动化作业设备： 包括自动播种机、移栽机器人、授粉机器人、采摘机器人等，正在逐步替代繁重的体力劳动，实现生产过程的自动化。

云平台与大数据管理技术 这是智能大棚的“神经中枢”，负责数据的存储、分析、展示和管理。

• 云平台架构： 采用云计算技术，构建了“端-边-云”三层架构，终端（传感器、控制器）负责数据采集和本地执行；边缘计算网关负责实时数据处理和快速响应；云端则负责海量数据的存储、长期分析、模型训练和全局优化。
• 大数据分析： 对积累多年的生产数据、环境数据、市场数据进行深度挖掘，分析不同管理措施对作物产量和品质的影响，形成可复制的“数字农艺”方案，为生产者提供决策支持。
• 可视化与人机交互： 通过Web端和移动端APP，用户可以实时查看大棚内的各项数据、设备状态和作物生长视频，并能远程手动控制设备或设置自动化策略，实现了“指尖上的农业管理”。

国内外研究与应用现状

国际研究现状 发达国家在智能大棚领域起步早，技术成熟度高，应用广泛。

• 荷兰： 作为“设施农业王国”，其智能大棚技术全球领先，通过高度集中的数据处理和精细化的环境控制，实现了番茄、黄瓜等作物的超高产（番茄年产量可达60-80公斤/平方米），其核心在于将作物生理模型与环境控制系统完美结合。
• 以色列： 以其先进的节水灌溉技术闻名世界，其智能大棚将滴灌技术与传感器网络紧密结合，根据作物实时需水情况进行“按需滴灌”，水资源利用效率极高，在温室自动化控制和新品种培育方面也处于世界前沿。
• 日本： 针对国内劳动力短缺和老龄化问题，大力发展农业机器人和自动化技术，其智能大棚广泛应用了移栽、授粉、采摘等机器人，并利用物联网技术实现了高度无人化的管理。
• 美国： 在农业大数据、人工智能算法和精准农业装备方面实力雄厚，大型农业企业通过部署无人机、卫星遥感与地面传感器网络，构建了空天地一体化的农业监测体系，为智能大棚提供宏观数据支持。

国内研究现状 中国作为农业大国，近年来在智能大棚领域发展迅速，政府大力推动，市场应用广泛。

• 政策驱动： 国家“十四五”规划、“数字乡村”发展战略等均将智慧农业作为重点发展方向，为智能大棚的研发和推广提供了强有力的政策支持。
• 技术集成与应用： 中国的智能大棚研究已从单一技术的应用转向多技术融合的系统性研究，在山东寿光、宁夏、新疆等农业主产区，已经建成了大量集成了物联网、大数据、水肥一体化的现代化智能温室大棚，在蔬菜、花卉、中草药等种植中取得了显著成效，有效提高了产量和品质，降低了生产成本。
• 产学研结合： 中国农业大学、浙江大学、中国科学院等科研院所与企业紧密合作，在作物模型构建、病虫害智能识别、小型化国产传感器研发等方面取得了诸多突破，并逐步实现技术成果的产业化转化。
• 应用模式多样化： 从大型连栋温室到家庭农场式的小型智能棚，应用场景不断丰富。“大棚+电商”、“大棚+旅游”等新业态也不断涌现，拓展了智能大棚的经济价值。

面临的挑战与问题

尽管智能大棚发展迅速,但在大规模推广和深度应用中仍面临诸多挑战：

• 初始投资成本高： 传感器、控制器、自动化设备、云平台软硬件等前期投入巨大，对于普通农户和小型合作社而言，是一笔不小的负担，制约了技术的普及。
• 技术集成度与兼容性差： 不同厂商的设备和系统往往采用各自的标准和协议，形成“数据孤岛”，难以实现互联互通和统一管理，增加了用户的操作复杂性和维护成本。
• 智能决策模型的普适性不足： 现有的作物生长模型多在特定品种、特定地域下开发，其泛化能力有限，如何建立适应性强、精度高的通用模型，仍是研究的难点。
• 专业人才匮乏： 智能大棚的运营需要既懂农业又懂信息技术的复合型人才，这类人才目前市场上非常稀缺，导致先进技术难以发挥其最大效能。
• 数据安全与标准体系缺失： 农业数据涉及生产隐私和商业机密，其安全性和所有权界定尚不明确，智能大棚的建设、数据采集、接口协议等方面的国家标准和行业标准体系尚不完善，影响了产业的规范化发展。

未来发展趋势

展望未来,智能大棚将朝着更加自主、智能、高效和绿色的方向发展。

• 与新一代信息技术深度融合：
  • 5G技术： 5G的低延迟、高带宽特性将支持高清视频实时回传、大量传感器数据的即时交互以及远程精准操控，使“云端大脑”对“田间双手”的控制达到前所未有的实时性和精确度。
  • 数字孪生： 构建与物理大棚完全对应的虚拟数字模型，通过在数字孪生体中进行模拟、预测和优化，再将最优方案应用到物理大棚中，实现生产过程的全局最优控制和风险预警。
  • 区块链技术： 用于记录农产品从种植、管理到销售的全过程数据，确保信息的不可篡改和可追溯，提升农产品的品牌价值和消费者信任度。
• 向全流程无人化和自主化演进： 从环境调控的自动化，向播种、管理、采收、包装等全流程的无人化作业发展，农业机器人将成为智能大棚的标准配置，实现“无人农场”或“植物工厂”。
• 更加注重绿色低碳与可持续性： 未来智能大棚将更加注重能源的绿色利用，如集成光伏发电、地源热泵等技术，通过循环水系统、废弃物资源化利用等，实现资源的高效循环和零污染排放，打造可持续的生态农业模式。
• 发展个性化与定制化生产： 基于对消费者需求数据的精准分析，智能大棚可以实现“订单式农业”，根据不同消费者的口味、营养需求，定制化生产具有特定风味、营养成分的农产品。

智能大棚代表了未来农业的发展方向,是解决全球粮食安全、资源环境问题和实现农业现代化的关键技术，当前，其研究与应用已取得长足进步，核心技术体系日趋完善，并在全球范围内展现出巨大的应用潜力，成本、标准、人才和数据安全等问题仍是其规模化发展的主要障碍，随着5G、AI、数字孪生等技术的不断成熟与深度融合，智能大棚将迈向一个全新的发展阶段，实现从“辅助决策”到“自主决策”、从“部分自动化”到“全流程无人化”的跨越，为保障全球食物供给、推动农业绿色转型和实现乡村全面振兴贡献关键力量。