抽象的な近代的な施設農業のスマート化は、主に運営維持管理システムに依存している。運営維持管理システムのスマート化は、温室運営の総合効率に直接関係するだけでなく、施設農業の近代化を体現し、普及と深化の価値がある。本稿では、青島の施設農業拠点におけるスマート運営維持管理システムの適用事例を紹介し、その適用効果を分析し、システムの普及価値を評価することで、関係者への参考情報を提供し、関連システムの更なる深化研究を推進し、施設農業の技術レベルとスマート化レベルの向上に寄与する。

キーワード: インテリジェント運用保守システム; 施設農業; アプリケーション

中国の急速な発展に伴い、伝統的な農業生産方式では、農産物の品質と量に対する社会の需要を満たすことができなくなっています。高収量、高効率、優れた品質を特徴とする近代的な施設農業は近年急速に発展し、巨大な市場ポテンシャルを有しています。しかしながら、世界の先進農業国・地域と比較すると、中国の施設農業の技術レベルは依然として大きく遅れており、特に農業センサーや機械クラウドブレインといった農業IoTに基づくインテリジェントな運用・保守システムの応用においては、デジタル化の急務となっています。

1. 農業向けインテリジェント運用・保守システム

1.1 システム定義

農業インテリジェント運営・保守システムは、IoT技術、インテリジェント管理技術、そして植え付け、保管、加工、輸送、トレーサビリティ、消費といった様々な農業プロセスを深く融合させた新興システム技術です。「システム＋ハードウェア」の融合を通して、農業インテリジェント運営・保守システムは、センシング技術、伝送技術、処理技術、共通技術といったIoTの主要技術を活用し、農業個体識別、状況認識、異種機器ネットワーク、マルチソース異種データ処理、知識発見、意思決定支援といったマルチインタラクティブな問題を総合的に解決します。

1.2 テクニカルルート

通常、農業管理システムの構造は、主に知覚、ネットワーク、プラットフォームで構成されています。企業はこの基盤に基づいて、農業の種類やビジネスニーズに応じて、より多くの論理レイヤーを拡張することができます。農業インテリジェント運用・保守システムのアーキテクチャを図1に示します。

施設農業のインテリジェントな運用とメンテナンスのニーズを満たすために、温度湿度センサー、二酸化炭素センサー、照度センサー、電流センサー、水流センサー、二酸化炭素流量センサー、天然ガス流量センサー、重量圧力センサー、ECセンサー、pHセンサーなどのセンサーをカスタマイズすることができ、需要の大きい企業はセンサーを研究開発し、基礎となるデータ伝送プロトコルを介して、データの安定した伝送とキャプチャを確保することができます。

1.3 開発の意義

インテリジェント運営・保守システムは、農業IoT（モノのインターネット）を通じて、インテリジェントセンシング技術、情報伝送技術、インテリジェント処理技術を活用し、農業活動におけるあらゆるリンクをリアルタイムで監視・遠隔制御し、農業生産、管理、戦略決定のインテリジェント情報化を推進し、農業生産の高効率化、集約化、大規模化、標準化を実現します。最終的には、作物生産におけるあらゆるリンクの垂直連携と、農業産業チェーン全体のあらゆるリンクの水平連携を実現します。植栽技術システム、農業頭脳プラットフォーム、農業食品安全、農産物取引プラットフォーム、新型農業サプライチェーン金融システム、特色ある農業観光、補完的な植栽育種などにより、循環型経済生態を構築します（図2）。

 

2.水と肥料の統合に関する情報監視

2.1 システム原理

このシステムは、ココナッツふすまマトリックスの水分含有量、EC、pHなどの値を検出することで、水・肥料システムにネガティブフィードバックを行い、灌漑を正確に誘導する上で重要な役割を果たします。異なる栽培シーンの特性に応じて、マトリックスの特性と構造を分析・研究し、経験的なタイミング灌漑モデル、マトリックス水分設定の上限・下限灌漑モデルを開発しました。水・肥料統合情報取得システムは灌漑モデルを制御し、生産運用・保守プロセスにおいて継続的に最適化と反復処理を実施できます。

2.2 システム構成

このシステムは、液体入口収集装置、液体戻り収集装置、基質リアルタイム監視装置、および通信部品で構成され、液体入口収集装置はpHセンサー、ECセンサー、送水ポンプ、流量計などから構成され、液体戻り収集装置は圧力センサー、pHセンサー、ECセンサーなどから構成され、基質リアルタイム監視装置は液体戻り収集トレイ、液体戻りフィルタースクリーン、圧力センサー、pHセンサー、ECセンサー、温湿度センサーなどから構成される。通信モジュールは、中央制御室と温室にそれぞれ1つずつ設置された2つのLoRaモジュールを含む（図3）。コンピュータと中央制御室に設置された通信部品との間には有線接続があり、中央制御室に設置された通信部品と温室に設置された通信部品との間には無線接続があり、温室に設置された通信部品とリレー、基質検出部品、液体戻り検出部品との間には有線接続がある（図4）。

2.3 アプリケーションの効果

この監視システムによってフィードバックされた水と肥料の灌漑システムによる灌漑効果を、サプライヤーによってのみ提供される灌漑システムによる灌漑効果と比較しました。後者と比較して、この監視システムを使用したトマトの植物あたりの平均灌漑量は1日あたり8.7％削減され、戻り液量は18％削減されましたが、戻り液のEC値はほぼ同じでした。これは、作物による養液吸収の法則に従ってこの監視システムを使用して灌漑を行うと、より多くの養液が作物によって使用されることを示しています。このインテリジェント灌漑システムを使用すると、経験的な時間灌漑と比較して、平均で灌漑量を29％、液体戻りを53％削減できます（図5〜6）。

 

3. IoTベースの環境制御システム

植物工場における大規模動的スペクトルノードの正確な制御の需要に直面し、融合IoT技術を導入し、大規模かつ異種のノード取得と植物の光環境の正確な制御の問題を解決します。植物工場のインテリジェント照明制御システムは、インテリジェントLED照明器具をキャリアとして、WF-IOTビッグデータ融合IoT技術を採用し、データの取得、伝送、制御をサポートする大規模な分散型端末ネットワークを構築します。システムは、生産要件に応じて自由にグループ化でき、異なる照明条件と植物の成長ニーズに応じて植物照明器具の光度をリアルタイムで連続的に調整し、補助光強度と補助光量の正確な制御を実現します（図7）。周辺ネットワークを通じて、環境や照度などのセンシングデータの動的な収集と伝送を実現すると同時に、エネルギー消費のオンラインモニタリングを実現し、各生育エリアの補助光のエネルギー消費をリアルタイムで把握できます。

このシステムは、温室の内部および外部制御データを収集することで植物のきめ細かな管理を実現し、「植物管理モデル」の製品開発を完了しました。電流、CO2、天然ガス、水のセンサーを通じて、「エネルギーシステム」のモニタリングデータ収集を実現しています。ロボットビジョン技術を活用し、果実の色、果実数、果茎の大きさ、葉、茎などのデータを通じて、作物の生育データ全体のプロセスを監視・認識します（図8）。

4.プロモーション価値

農業インテリジェント運営・保守システムは、産業インターネットプラットフォームの利点を活用し、一度の投資で何度もサービス利用が可能で、産業インターネットの共有理念を応用することで、低コスト・高効率で施設農業におけるIoT構築を推進し、施設農業のインテリジェント化とグリーン化のレベルを向上させます。青島莱西市でこのシステムを適用したプロジェクトを例にとると、肥料の総合利用率は90%を超え、従来の土壌耕作の3倍に達します。全工程で生産汚水の排出がなく、畑耕作に比べて95%の節水となり、肥料による土壌汚染を軽減します。このシステムは温室内のCO2を検知することで、温室内外の温度や照度などの環境要因を総合的に分析し、CO2供給をリアルタイムで制御します。これにより、植物の需要を満たすだけでなく、無駄を省き、作物の光合成を効果的に促進し、炭水化物の蓄積を促進し、単位面積あたりの収量を増加させ、野菜の品質を向上させます。一連の運営・保守管理システムにより、温室環境制御設備の自動操作、全天候型設備の自動かつ正確な操作が実現され、エネルギーコストが10％、手動操作コストが60％削減され、同時に、強風、雨、雪などの悪天候に対して最初に窓を閉めるなどの保護対応を行うことができ、突然の悪天候に直面しても温室自体と温室内の作物の損失を効果的に回避できます。

5.結論

施設農業の近代化は、農業インテリジェント管理システムの恩恵と切り離すことはできません。より強力な認識力、分析力、そして意思決定能力を備えた管理システムのみが、近代化の道を歩み続けることができます。農業インテリジェント管理システムは、人工管理の欠点を大幅に改善し、農業生産、管理、そして戦略決定のインテリジェント情報化を促進します。システムの入力量の増加と利用シーンの継続的な充実に伴い、データモデルはより多くのデータに基づいて継続的に更新・反復され、よりインテリジェント化され、近代施設農業のインテリジェント度を全面的に向上させる必要があります。

終わり

[引用情報]

原著者 Sha Bifeng、Zhang Zheng、etl. 温室園芸 農業工学技術 2024年4月19日 10:47 北京