电子在农业的应用 种菜不下田，丰收不问天？农业上的AI应用正在铺开

种菜不下田、丰收不问天？农业上的AI应用正在铺开

原标题：种菜“上网”

浇水不湿手，种菜不下田，丰收不问天——这些充满“不可能”和“混搭感”的场景，如何变得“合情合理”？

答案是：用AI（人工智能）种菜！

在温光水气肥高度可控的植物工厂内，草莓、番茄、生菜晒着最适宜生长的人工光、喝着最“对胃口”的营养液，种菜人不必亲临现场，通过深度相机、电子传感系统等便能与植物“在线相见”，再根据植物实际长势和算法模型，像“炒股”一样，在操作系统中调控温度、湿度、光照、二氧化碳浓度及营养液等，让植物哪怕外界严寒酷暑、刮风下雨，都能获得适宜的生长环境。

“随着农业传感器、机器视觉、知识图谱、决策模型等技术的快速发展，AI在农业上的应用正在铺开。”全国人大代表、中国工程院院士、中国科学院亚热带农业生态研究所首席研究员印遇龙说，“智能技术手段可以改善农民的工作条件，彻底颠覆传统的农作方式，代表了未来农业的发展方向。”

未来已来。

郑建锋是一名“90后”，在中国农业大学度过了本科、硕士、博士时光，如今在该校农业农村部设施农业工程重点实验室从事博士后研究。

你猜，他的专业课有哪些？

“我们要学农业建筑学，类似于土建专业，因为涉及盖温室；要学植物学、作物栽培学与耕作学，植物生理、无土栽培都会涉及；农作物生长所需的温光水气肥，每一个环境因子都是一个学科方向，比如传热学、光生物学、水利科学、流体力学、营养液管理，等等。”郑建锋介绍，“随着农业科技的发展，我们专业也在与时俱进，加入了大数据、云计算、编程、单片机等课程。”

为什么研究种菜，也需要学习编程？

靠天吃饭，一句话道出农业生产对环境的依赖。而农业发展的方向，就在于通过调控和改善生物生长环境，使动植物、微生物的生长向着对人类有利、满足人类需求的方向发展，使农业产量、品质更加稳定可控。而当我们能通过AI调节温光水气肥，通过算法模型辅助种植养殖策略，就相当于给了动植物适宜不同生长阶段的“智能太阳”“贴心食粮”“及时雨”……

智能装备和技术，也将成为“新农具”。

眼下，郑建锋正带着实验室另外5位师弟师妹，参加拼多多和光明母港携手举办的第三届“多多农研科技大赛”。比赛规则颇为新颖：4支入围决赛的队伍，在同一规格的集装箱植物工厂内，“远程”种植同一品种的生菜，90天后，产量高、能耗低、品质好、算法优者便告获胜。

由于生长在集装箱内，这些生菜“不见天日”，但参赛者通过调节红黄蓝光光谱、形成“光配方”，可以让生菜“吃饱喝足”、茁壮成长。“这是国内首次举办完全人工光型植物工厂种植比赛，甚至在国际上也尚属少见。”多多农研项目负责人说。

操作方式也很新奇，不湿手也不沾泥，参赛者只需在远程控制系统中调整各项设置，便能遥控集装箱内部环境。

研究视觉模型的、负责营养液调配的、主管生长和生理信息检测的、设计植物巡检机器人的……“大师兄”郑建锋组的这支队伍，人人独当一面，合起来便很“全面”。

“我们的参赛策略，就是‘与植物对话’，它之所需，我之所予。”郑建锋说。

通过立体成像的深度相机，逐日采集生菜的生长和生理数据，除了能更精确地测量个头变化，还能通过每天吸收的二氧化碳量，测算它的光合速度。

“‘与植物对话’本质上是一套智能环控系统，通过采集分析植物的生长和生理信息，我们就了解了植物；再通过模型比对和预测，就知道了它的长势快慢、生理需求，从而判断下一步要给它什么样的环境条件，看营养液该怎么配比、光配方该怎么调整、该多给点水还是少升点温，辅助种植决策。”队员杨浩说。

由上海市农业科学院园艺所及信息所的青年专家何立中、王虹、钱婷婷等6人组成的另一支参赛队伍，有一个亮眼标签——曾指导我国科考队员在南极种植蔬菜。

南极极端恶劣的环境，以及极昼极夜过渡的特殊情况，让“吃上新鲜蔬菜”长期以来成为科考队员们遥不可及的梦。而这个梦，几年前成真了。

2014年、2015年，南极长城站、中山站相继建成温室。由于驻站人员多为科学家、医生等，鲜有种植经验，国家设施农业工程技术研究中心在上海崇明基地1：1建造了模拟温室，何立中等蔬菜学或园艺学博士在南极仿真条件下，教科考队员如何在极地种菜。

“种什么菜、怎么能种得好，都要根据极地不断变化的情况，动态调整种植策略、种植方案。我们会选好种子，分门别类配好肥料，让科考队员带着出发。”何立中说。

在南极温室，驻站人员遇到种植难题，也会将蔬菜图像及生长数据传回崇明温室内，由何立中等人诊断分析，提供“保姆式”指导。

得益于这种不受外界影响、环境因子可控的植物工厂种植模式，身处“生命禁区”的科研工作者，也吃上了番茄、黄瓜、茄子、青菜，成功收获过西瓜、草莓，还“点过菜”，请专家们指导种植营养丰富、采收周期短的西蓝花芽苗菜。

集装箱也好，南极温室也好，都属于立体植物工厂，像超市货架般一层层、“肩并肩”地种植植物。把农业“竖”起来，可以增加单位面积的种植收益，也折射出植物工厂的“天生追求”——降本增效。

植物工厂的成本，主要在能耗、人工和设备折旧三方面，其中，为植物生长提供光照、温度的电能成本占大头，这也就成了降成本的重点。

“比如一个叶片，它截获了多少微摩尔的光，光又让它产生多少毫克的糖，糖再转化成多少毫克的淀粉，这中间的转化过程就是它的机理，我们通过数学方式把机理过程描述出来，就形成了植物生理模型。”钱婷婷说，“能不能投入更少的光产出更多的生物量，提高光能利用效率，把耗电量压减下来，是团队技术水平的重要体现。”

相对于大田种植，目前植物工厂的种植成本还是较高，所以更适合种植生长发育较快、附加值高的植物，比如高品质水果、药用植物。

“由于植物工厂的环境封闭，外界病虫害进不来，所以没必要打农药；并且，由于生产过程可控，可以人工调节营养成分，生产适合老年人、孕产妇、婴幼儿、肾病患者等有特殊需求人群的蔬菜。”王虹认为，安全、高品质是植物工厂种植模式的优势所在。

新农人的变与不变

“这些用AI种菜的青年专家、‘90后’博士是典型的‘智慧新农人’。他们理念先进、创新意识强、有知识有梦想，能起到很好的引领作用，助推我国农业现代化插上科技的翅膀。”全国政协委员、中国工程院院士、湖南省农业科学院院长单杨说。

科研院所、实验田间，一批批专家学者、博士硕士正研究如何种菜，而当他们取得研究成果、探出一条新路交给农民时，农业生产的门槛就会越来越低，前景越来越广。

“智能环控是一种通用技术，随着大数据、云计算、深度学习等技术以及传感器等设备性能的进步，AI种菜会越来越靠谱，能自己制定和调整种植策略，使用起来更加便捷。”郑建锋说，现在已经出现了微型人工气候箱，能满足都市人“阳台种菜”的需求。

不再“靠天吃饭”，那么祖祖辈辈口传心授的“四时歌”、经验之谈，就不再有价值了吗？

几位新农人异口同声地否认。

“我们的模型就是基于数据、基于经验构建的，很多老农凭经验就能把地种得很好，我们研究的就是这种经验背后的机理，经验也是AI学习的养料。”钱婷婷解释。

现阶段，AI可以成为农业生产强有力的辅助，但远不足以替代人。“一个懂算法、懂互联网技术的人，再加上一个有经验的农民，制作出来的设备或模型应该会很有优势。”郑建锋说。

如果给未来的农民画像，应该是什么样？

“未来，农民应该会成为一种时尚的职业，可以不下田，只需要在手机上操作，用数字化方式遥控多种智能装备从事农业生产。农民本人也并不一定要有农业专业背景，因为智慧农业的应用里面应当包含专家系统，遇到问题，相应的专家团队能够快速在线解决。”上海市农业科学院副院长赵志辉说，“虽然农民本人就是在线操作、按按钮，但他并不是流水线上的工人，而更像是工厂车间的生产经理，每个环节都可以找到最专业最合适的人来做，他扮演生产管理者的角色。”

（记者 王若辰 参与记者：刘芳洲）

来源： 新华每日电讯

电控技术在农业机械上的应用历史及发展趋势

电控技术（电子控制技术）是指利用电子技术对机械、设备等进行控制的技术。其发展历史可以概括为以下几个阶段：

电子管时代（20世纪40年代前）：早期的电子控制技术主要采用电子管作为控制元件，如用电子管控制发动机点火和喷油等，但电子管的体积大、寿命短、易损坏等问题限制了其应用。

晶体管时代（20世纪40年代到60年代）：随着晶体管的发明，电子管被晶体管逐步替代。晶体管具有体积小、寿命长、可靠性高等优点，可以用于各种控制电路中。

集成电路时代（20世纪60年代到80年代）：随着集成电路的问世，电子控制技术得到了更大的发展。集成电路具有体积小、功耗低、可靠性高等优点，使得电子控制技术可以被应用到更多的领域中。

微处理器时代（20纪80年代到今）：随着微处理器的出现，电子控制技术得到了进一步的发展。微处理器具有计算速度快、存储容量大、功能强大等优点，使得电子控制技术可以实现更加复杂的控制任务，被广泛应用于工业、农业、交通等领域。

互联网时代（21世纪）：随着互联网技术的发展，电子控制技术得到了更多的创新和应用。例如，通过互联网可以实现远程监控、远程控制等功能，为电子控制技术的应用带来了更多的可能性。

电控技术在农业机械上的应用历史可以追溯到上世纪60年代。当时，随着电子技术的发展，电控技术逐渐应用于农业机械中，以提高农业机械的自动化、智能化水平，提高农业生产效率和质量。

在上世纪60年代，电子技术还处于发展初期，农业机械的电子控制系统也比较简单。常见的应用包括：电子点火系统、电子燃油喷射系统、电动液压控制系统等。这些系统的引入使得农业机械的性能、经济性和可靠性都得到了显著提高，为农业生产带来了很大的效益。

随着电子技术的进一步发展，农业机械的电子控制系统也得到了不断升级和完善。在上世纪80年代以后，电子控制系统的微处理器化、智能化逐渐成为趋势。自动驾驶拖拉机、智能化种植机、农业无人机等新型农业机械的出现，更是推动了电控技术在农业机械中的应用。这些先进的农业机械，利用电控技术实现自动化控制、智能化作业等功能，提高了农业生产的效率和精度，也降低了劳动强度和成本。

电控技术在农业机械上的应用历史虽然不是很长，但随着技术的不断进步和应用，它已经成为现代农业机械的核心部分，对于提高农业生产效率和质量、保障农业生产安全和可持续发展具有重要意义。

电控技术在农业机械上的应用难点主要在于适应复杂的工作环境、高可靠性要求、多样化的机械类型和作业任务以及人机交互和安全性等方面。

复杂的工作环境：农业生产环境复杂多变，气候、土壤、作物等因素的影响都会对农业机械的电控系统造成影响。因此，电控技术在农业机械中的应用需要具备良好的抗干扰能力和适应性。

高可靠性要求：农业机械通常需要在恶劣的环境条件下工作，例如高温、低温、潮湿、尘土等环境，而这些环境会对电控系统的稳定性和可靠性造成影响。因此，电控技术在农业机械中的应用需要具备高度的可靠性和稳定性。

多样化的机械类型和作业任务：农业机械种类繁多，涉及到种植、收割、灌溉、施肥等多种作业任务，这就要求电控系统需要具备良好的通用性和灵活性，能够适应不同机械和作业任务的需求。

人机交互和安全性：农业机械通常需要进行复杂的操作和控制，因此，电控技术在农业机械中的应用需要具备良好的人机交互性能和安全性能，确保用户能够准确、方便、安全地控制和操作农业机械。

针对这些难点，需要不断加强技术研发和创新，提高电控技术在农业机械中的应用水平，为农业生产提供更好的技术支持和保障。

电控技术在农业机械上的应用技术核心包括传感技术、控制算法、电机控制技术、通信技术和可靠性设计技术等方面。

传感技术：传感器是电控技术的重要组成部分，通过传感器可以实时感知农业机械的工作状态和环境参数，如速度、位置、温度、湿度、气压等，为电控系统提供必要的输入数据。

控制算法：控制算法是电控系统的核心部分，通过控制算法可以对传感器获取的数据进行处理和分析，实现对农业机械的自动控制和智能化运行。其中，涉及到的技术包括控制理论、信号处理、计算机应用等多个领域。

电机控制技术：电机控制技术是实现农业机械自动控制的关键技术之一，通过对电机的控制可以实现农业机械的驱动和运动控制。电机控制技术主要包括PWM控制、矢量控制、FOC控制等。

通信技术：通信技术是电控系统的重要支撑技术，通过通信技术可以实现农业机械与中心控制系统之间的数据传输和交互，如CAN总线、以太网、无线通信等。

可靠性设计技术：电控技术在农业机械中的应用需要具备高度的可靠性和稳定性，因此可靠性设计技术也是非常关键的一项技术。包括冗余设计、故障诊断和容错控制等方面。

这些技术的不断创新和发展，将为农业机械的智能化和自动化提供更加完善的技术支持和保障。

目前，我国农业机械使用电控技术已经逐步普及，但与发达国家相比，仍存在一定差距。

一方面，我国农业机械使用电控技术的普及率较低。根据有关数据统计，我国农业机械中使用电控技术的占比仍不足50%，而发达国家已经基本实现了农业机械的智能化和自动化。这主要是由于我国农业机械市场比较分散，中小型农机企业技术水平相对较低，普及和应用电控技术的成本较高等因素所致。

另一方面，我国农业机械电控技术应用水平还有待提高。尽管我国农机企业在技术研发方面取得了不少进展，但在电控技术方面与国际先进水平相比还存在一定差距。在电控系统整体集成、传感器技术、算法控制、电机控制和通信技术等方面，还需要加强研发和应用。

不过，随着国家对农业机械电控技术研发和应用的重视，越来越多的企业开始注重技术创新和提高产品品质，同时政府也加大了对农机企业的支持和扶持力度。因此，我国农业机械使用电控技术的应用水平将会不断提高。

未来，随着农业现代化的不断推进和科技进步的不断发展，农业机械电控技术应用将呈现以下几个发展趋势：

智能化、自动化程度不断提高。随着人工智能技术、机器学习技术等的应用，农业机械将实现更加智能化和自动化，能够更加精准地执行农业生产任务，提高作业效率和质量。

多种技术的融合。未来，电控技术将与机械、传感器技术、通信技术、互联网技术等多种技术进行融合，形成更加完善的农业机械电控系统。

绿色化和环保化。随着社会环保意识的提高，未来农业机械电控技术将更加注重环保和节能，采用更加环保的动力系统，更加智能的农业化肥和农药的喷洒技术等。

多样化的应用场景。未来农业机械电控技术将在多个应用场景中得到广泛应用，包括土壤检测、气象监测、作物管理等。

产业化和标准化。未来，随着农业机械电控技术的不断发展，将会逐步形成相应的产业链和标准化体系，促进产业发展和技术创新。

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