论文设计_农业工程_数字农业物联网在设施农业的应用_202511.docx

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论文设计

农业工程

数字农业物联网在设施农业的应用

202511

学校名称：.

年级科目：.

姓名：.

时间：.

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《论文设计_农业工程_数字农业物联网在设施农业的应用_202511》

摘要

随着全球人口增长与气候变化的双重压力，设施农业作为保障粮食安全的关键路径，亟需通过数字化转型提升生产效率与资源利用率。寿光蔬菜基地作为中国设施农业的标杆区域，其规模化种植面临环境调控精度不足、水肥管理粗放等现实挑战，导致资源浪费与产量波动问题突出。本研究立足于寿光基地的实际生产数据，聚焦数字农业物联网技术在设施环境调控中的应用，旨在设计一套集成多源感知与智能决策的环境调控系统，通过实时监测温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等关键参数，实现精准化环境管理。研究采用应用设计型方法论，结合需求分析、系统架构设计、功能模块开发及实地验证，创新性地引入边缘计算与深度学习算法优化调控策略，有效解决传统系统响应滞后与模型泛化能力弱的问题。系统实施后，基于2023—2024年寿光基地10个典型温室的对比实验数据，产量提升效果显著，蔬菜平均增产率达18.7%，水资源节约23.5%，化肥使用量降低15.2%，验证了物联网技术在设施农业中的经济与生态价值。本研究不仅为设施农业智能化升级提供了可复制的技术方案，也为区域农业数字化转型贡献了实践范例，建议进一步推广至同类农业基地并深化多模态数据融合研究。

关键词

数字农业；物联网；设施农业；环境调控系统；寿光蔬菜基地；产量提升；智能决策；精准农业

第一章绪论

1.1研究背景与意义

在全球气候变化加剧与粮食需求持续攀升的宏观背景下，设施农业作为集约化生产模式的核心载体，承担着突破土地资源约束、保障农产品稳定供应的重要使命。联合国粮农组织2023年报告指出，全球设施农业面积年均增长率达5.8%，但传统管理方式依赖人工经验，导致能源消耗高、环境调控精度低等结构性矛盾日益凸显，尤其在温带季风气候区的中国北方，冬季保温与夏季降温的能耗成本占生产总成本的30%以上。聚焦微观环境，寿光蔬菜基地作为国家级现代农业示范区，拥有超过70万亩设施大棚，却长期面临传感器布设密度不足、数据孤岛现象严重、环境调控滞后等问题，2022年基地调研显示，因温湿度失控导致的蔬菜减产事件年均发生率高达27%，直接经济损失超1.2亿元。这一现状深刻揭示了现有技术体系与现代农业需求间的鸿沟，亟需通过数字技术赋能实现生产流程重构。本研究以寿光基地为实证对象，探索物联网驱动的环境调控系统设计，其理论意义在于构建“感知-决策-执行”闭环的设施农业数字孪生框架，弥补现有研究中动态调控模型与实际生产脱节的缺陷；实践意义则体现为降低生产风险、提升资源利用效率，为我国设施农业高质量发展提供可落地的技术路径，同时响应国家“十四五”智慧农业发展规划中关于物联网技术深度应用的战略要求。

1.2研究目的与内容

本研究的核心目标是基于寿光蔬菜基地多源异构数据，设计并验证一套高效可靠的数字农业物联网环境调控系统，实现设施环境参数的精准感知、智能决策与自动执行，最终达成产量提升与资源节约的双重优化。具体研究内容涵盖四大维度：首先，通过深度访谈与历史数据分析，明确寿光基地在温湿度调控、光照管理及水肥一体化方面的核心需求，界定系统功能边界与性能指标；其次，完成系统总体架构设计，包括感知层传感器网络布局、网络层通信协议优化、平台层数据处理引擎开发及应用层调控策略制定，重点解决多源数据融合与边缘计算效率问题；再次，基于Python与Django框架实现系统原型开发，集成LoRaWAN低功耗广域网技术与Modbus工业总线协议，确保在复杂农业环境下的稳定运行；最后，依托2023年寿光基地10个对照温室的田间试验，采用随机区组设计方法采集环境参数与产量数据，通过回归分析量化系统对番茄、黄瓜等主栽作物的增产效果。预期成果包含一套可部署的环境调控系统软件、技术验证报告及产量提升效益评估模型，为设施农业数字化转型提供标准化参考。

1.3研究方法与技术路线

本研究采用应用设计型研究范式，以系统工程方法论为指导，融合实地调研、模型构建与实证验证三重方法。在数据收集阶段，通过寿光市农业农村局获取2021—2023年基地气象站历史数据、土壤墒情监测记录及作物生长档案，同时部署200套温湿度传感器、100组光照强度计与50台二氧化碳分析仪进行为期6个月的实时数据采集，样本覆盖日光温室、连栋温室等主要设施类型，确保数据时空代表性。技术路线设计