AbstraktDie Digitalisierung moderner Gewächshauslandwirtschaft hängt maßgeblich vom Betriebs- und Wartungssystem ab. Die Digitalisierung dieses Systems steht in direktem Zusammenhang mit der Gesamteffizienz des Gewächshausbetriebs und repräsentiert die Modernisierung der Gewächshauslandwirtschaft. Sie birgt daher Potenzial für die Verbreitung und Weiterentwicklung. Dieser Artikel beschreibt die Anwendung eines intelligenten Betriebs- und Wartungssystems in einem Gewächshauslandwirtschaftsbetrieb in Qingdao, analysiert dessen Nutzen und bewertet das Verbreitungspotenzial des Systems. Ziel ist es, relevante Fachleute zu informieren und die weitere Erforschung verwandter Systeme anzuregen, um so das technische und intelligente Niveau der Gewächshauslandwirtschaft zu verbessern.

SchlüsselwörterIntelligentes Betriebs- und Wartungssystem; Anlagenlandwirtschaft; Anwendung

Mit Chinas rasanter Entwicklung konnten traditionelle landwirtschaftliche Produktionsmethoden den gesellschaftlichen Bedarf an qualitativ hochwertigen und quantitativen Agrarprodukten nicht mehr decken. Die moderne Anlagenlandwirtschaft, die sich durch hohe Erträge, Effizienz und überlegene Qualität auszeichnet, hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt und birgt ein immenses Marktpotenzial. Im Vergleich zu entwickelten Agrarländern oder -regionen weltweit hinkt Chinas Technologieniveau in der Anlagenlandwirtschaft jedoch noch deutlich hinterher, insbesondere bei der Anwendung von IoT-basierten intelligenten Betriebs- und Wartungssystemen wie Agrarsensoren und Cloud-basierten Systemen. Hier besteht dringender Bedarf an einer Digitalisierung.

1. Intelligentes Betriebs- und Wartungssystem für die Landwirtschaft

1.1 Systemdefinition

Das intelligente Betriebs- und Wartungssystem für die Landwirtschaft ist eine aufstrebende Systemtechnologie, die IoT-Technologie, intelligentes Management und verschiedene landwirtschaftliche Prozesse wie Anbau, Lagerung, Verarbeitung, Transport, Rückverfolgbarkeit und Verbrauch umfassend integriert. Durch die Integration von System und Hardware nutzt das System Schlüsseltechnologien des Internets der Dinge wie Sensorik, Übertragungstechnik, Verarbeitungstechnik und allgemeine Technologien, um komplexe Probleme wie die Identifizierung einzelner landwirtschaftlicher Anlagen, die Lageerkennung, die Vernetzung heterogener Geräte, die Verarbeitung heterogener Daten aus verschiedenen Quellen, die Wissensgewinnung und die Entscheidungsunterstützung umfassend zu lösen.

1.2 Technische Route

Die Struktur eines landwirtschaftlichen Managementsystems besteht üblicherweise aus Wahrnehmungs-, Netzwerk- und Plattformkomponenten. Darauf aufbauend können Unternehmen je nach landwirtschaftlicher Art und Geschäftsbedarf weitere logische Ebenen hinzufügen. Die Architektur des intelligenten landwirtschaftlichen Betriebs- und Wartungssystems ist in Abbildung 1 dargestellt.

Um den Anforderungen an den intelligenten Betrieb und die Instandhaltung von landwirtschaftlichen Anlagen gerecht zu werden, können Sensoren wie Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren, Kohlendioxidsensoren, Beleuchtungssensoren, Stromsensoren, Wasserdurchflusssensoren, Kohlendioxid-Durchflusssensoren, Erdgas-Durchflusssensoren, Gewichts- und Drucksensoren, EC-Sensoren und pH-Sensoren kundenspezifisch angepasst werden. Unternehmen mit großem Bedarf können Sensoren erforschen und entwickeln und das zugrunde liegende Datenübertragungsprotokoll nutzen, um die stabile Übertragung und Erfassung von Daten zu gewährleisten.

1.3 Bedeutung für die Entwicklung

Das intelligente Betriebs- und Wartungssystem nutzt intelligente Sensor-, Informationsübertragungs- und Verarbeitungstechnologien über das landwirtschaftliche Internet der Dinge, um alle Glieder der landwirtschaftlichen Aktivitäten in Echtzeit zu überwachen und fernzusteuern. Dadurch wird die intelligente Digitalisierung der landwirtschaftlichen Produktion, des Managements und der strategischen Entscheidungsfindung gefördert und eine hohe Effizienz, Intensivierung, Skalierung und Standardisierung der landwirtschaftlichen Produktion erreicht. Schließlich wird die vertikale Vernetzung aller Glieder der Pflanzenproduktion und die horizontale Vernetzung aller Glieder der gesamten landwirtschaftlichen Wertschöpfungskette realisiert. Es entsteht ein Kreislaufwirtschaftssystem mit Anbautechnologie, einer Agrar-Plattform, Lebensmittelsicherheit, einer Handelsplattform für Agrarprodukte, einem neuen Finanzsystem für die landwirtschaftliche Lieferkette, charakteristischem Agrartourismus sowie ergänzenden Anbau- und Züchtungsmaßnahmen (Abbildung 2).

 

2.Informationsüberwachung der Wasser- und Düngemittelintegration

2.1 Systemprinzip

Das System führt eine negative Rückkopplung im Wasser- und Düngesystem durch, indem es den Wassergehalt, die elektrische Leitfähigkeit (EC), den pH-Wert und weitere Werte der Kokoskleiematrix erfasst. Dies spielt eine wichtige Rolle für die präzise Steuerung der Bewässerung. Basierend auf den Eigenschaften und der Struktur der Matrix und unter Berücksichtigung verschiedener Anbaubedingungen wird ein empirisches Bewässerungszeitmodell sowie ein Modell zur Festlegung der oberen und unteren Bewässerungsgrenzen für den Wassergehalt der Matrix entwickelt. Das integrierte Datenerfassungssystem für Wasser und Düngung steuert das Bewässerungsmodell, dessen Optimierung und Iteration im laufenden Produktions- und Wartungsprozess kontinuierlich erfolgen kann.

2.2 Systemzusammensetzung

Das System besteht aus einer Flüssigkeitseinlass- und einer Flüssigkeitsrücklaufvorrichtung, einem Substrat-Echtzeitüberwachungssystem und einer Kommunikationskomponente. Die Flüssigkeitseinlassvorrichtung umfasst einen pH-Sensor, einen EC-Sensor, eine Wasserpumpe, einen Durchflussmesser und weitere Komponenten. Die Flüssigkeitsrücklaufvorrichtung besteht aus einem Drucksensor, einem pH-Sensor, einem EC-Sensor und weiteren Komponenten. Das Substrat-Echtzeitüberwachungssystem umfasst eine Rücklaufwanne, ein Rücklauffiltersieb, einen Drucksensor, einen pH-Sensor, einen EC-Sensor, einen Temperatur- und einen Feuchtigkeitssensor sowie weitere Komponenten. Das Kommunikationsmodul umfasst zwei LoRa-Module, eines im zentralen Kontrollraum und das andere im Gewächshaus (Abbildung 3). Zwischen dem Computer und der Kommunikationskomponente im zentralen Kontrollraum besteht eine Kabelverbindung, zwischen der Kommunikationskomponente im zentralen Kontrollraum und der Kommunikationskomponente im Gewächshaus eine drahtlose Verbindung und zwischen der Kommunikationskomponente im Gewächshaus und dem Relais, der Substraterkennungskomponente und der Flüssigkeitsrücklauferkennungskomponente eine Kabelverbindung (Abbildung 4).

2.3 Anwendungseffekte

Die Wirkung der Bewässerung mit einem durch dieses Überwachungssystem gesteuerten Wasser- und Düngemittel-Rückführungssystem wird mit der eines herkömmlichen Bewässerungssystems verglichen. Im Vergleich zum herkömmlichen System reduziert sich die durchschnittliche Bewässerungsmenge pro Tomatenpflanze mit diesem Überwachungssystem um 8,7 % pro Tag und das Rücklaufvolumen um 18 %. Der EC-Wert des Rücklaufwassers bleibt dabei nahezu unverändert. Dies zeigt, dass die Pflanzen mehr Nährlösung aufnehmen, wenn dieses Überwachungssystem gemäß den Gesetzen der Nährstoffaufnahme durch Pflanzen zur Bewässerung eingesetzt wird. Durch den Einsatz dieses intelligenten Bewässerungssystems lassen sich die Bewässerungsmenge im Vergleich zur herkömmlichen zeitgesteuerten Bewässerung durchschnittlich um 29 % und der Rücklauf um 53 % reduzieren (Abbildungen 5 und 6).

 

3. IoT-basiertes Umweltkontrollsystem

Angesichts des Bedarfs an präziser Steuerung dynamischer Spektralknoten in Pflanzenfabriken wird die Fusion von IoT-Technologien eingesetzt, um die Herausforderungen der großflächigen und heterogenen Knotenerfassung sowie der präzisen Steuerung der Lichtverhältnisse in Pflanzenfabriken zu lösen. Intelligente Lichtsteuerungssysteme in Pflanzenfabriken nutzen intelligente LED-Leuchten als Basis und verwenden WF-IoT-Big-Data-Fusion-IoT-Technologien, um ein großflächiges, dezentrales Terminalnetzwerk aufzubauen, das Datenerfassung, -übertragung und -steuerung unterstützt. Das System lässt sich flexibel an Produktionsanforderungen anpassen, und die Lichtintensität der Pflanzenleuchten kann in Echtzeit kontinuierlich an unterschiedliche Lichtverhältnisse und Wachstumsbedürfnisse der Pflanzen angepasst werden, um eine präzise Steuerung von Zusatzlichtintensität und -menge zu gewährleisten (Abbildung 7). Über das periphere Netzwerk können Sensordaten wie Umgebungs- und Beleuchtungsdaten dynamisch erfasst und übertragen werden. Gleichzeitig wird der Energieverbrauch online überwacht, und der Energieverbrauch für Zusatzlicht in jedem Wachstumsbereich kann in Echtzeit erfasst werden.

Das System ermöglicht die präzise Steuerung von Pflanzen durch die Erfassung von Daten zur internen und externen Gewächshaussteuerung und vervollständigt die Produktentwicklung eines „Pflanzenmanagementmodells“. Mithilfe von Sensoren für Strom, CO₂, Erdgas und Wasser wird die Überwachung des „Energiesystems“ realisiert. Durch den Einsatz von Bildverarbeitungstechnologie werden anhand von Daten zu Fruchtfarbe, Fruchtanzahl, Stiellänge, Blättern, Stängeln usw. die gesamten Wachstumsdaten der Pflanzen überwacht und analysiert (Abbildung 8).

4.Werbewert

Ein intelligentes Betriebs- und Wartungssystem für die Landwirtschaft nutzt die Vorteile einer industriellen Internetplattform. Durch einmalige Investition und die Nutzung des Sharing-Konzepts des industriellen Internets wird der Aufbau des Internets der Dinge in der Gewächshauslandwirtschaft kostengünstig und hocheffizient gefördert und deren Intelligenz und Umweltfreundlichkeit verbessert. Ein Beispiel hierfür ist ein Projekt in Laixi, Qingdao, bei dem das System eingesetzt wird. Dort erreicht die Düngemittelausnutzung über 90 %, was dem Dreifachen der Ausnutzung im Vergleich zum traditionellen Bodenanbau entspricht. Im gesamten Prozess fallen keine Produktionsabwässer an, wodurch 95 % Wasser im Vergleich zum Freilandanbau eingespart und die Bodenbelastung durch Düngemittel reduziert werden. Durch die CO₂-Messung im Gewächshaus analysiert das System Umweltfaktoren wie Temperatur und Beleuchtung innerhalb und außerhalb des Gewächshauses umfassend. Die CO₂-Zufuhr wird in Echtzeit reguliert, um den Bedarf der Pflanzen zu decken, Verschwendung zu vermeiden, die Photosynthese der Pflanzen zu fördern, die Kohlenhydratspeicherung zu beschleunigen, den Ertrag pro Flächeneinheit zu steigern und die Gemüsequalität zu verbessern. Das gesamte Betriebs- und Wartungsmanagementsystem ermöglicht den automatischen Betrieb der Gewächshausklimatisierungsanlagen, den automatischen und präzisen Betrieb der Allwettergeräte, reduziert die Energiekosten um 10 % und die Kosten für manuelle Bedienung um 60 % und kann gleichzeitig Schutzmaßnahmen ergreifen, wie z. B. das Schließen der Fenster bei widrigen Wetterbedingungen wie starkem Wind, Regen und Schnee, wodurch der Verlust des Gewächshauses selbst und der darin befindlichen Pflanzen bei plötzlichem Unwetter wirksam vermieden wird.

5.Abschluss

Die moderne Entwicklung der Anlagenlandwirtschaft ist untrennbar mit dem Erfolg intelligenter Agrarmanagementsysteme verbunden. Nur solche Systeme mit ausgeprägter Wahrnehmungs-, Analyse- und Entscheidungsfähigkeit können den Modernisierungsprozess erfolgreich fortsetzen. Intelligente Agrarmanagementsysteme reduzieren die Schwächen manueller Steuerung erheblich und fördern die intelligente Digitalisierung von Produktion, Management und strategischer Entscheidungsfindung in der Landwirtschaft. Mit zunehmendem Input und der stetig wachsenden Anzahl an Anwendungsszenarien muss das Datenmodell des Systems kontinuierlich aktualisiert und iterativ verbessert werden, um intelligenter zu werden und den Intelligenzgrad der modernen Anlagenlandwirtschaft umfassend zu steigern.

ENDE

[Zitierinformationen]

Originalautor: Sha Bifeng, Zhang Zheng u. a. Gewächshausgartenbau, Agrartechnik, 19. April 2024, 10:47 Uhr, Peking