Solution de serre intelligente

1. Contexte de la solution

Face à la croissance démographique mondiale et à la réduction des terres arables, l'agriculture traditionnelle est confrontée à des défis tels qu'une faible efficacité de production, un important gaspillage des ressources et une faible résilience aux risques. Les serres intelligentes, intégrant des technologies avancées telles que l'IoT, le big data et l'IA, créent un système de production agricole précis et intelligent. Ce système permet une surveillance et une régulation complètes des environnements de croissance des cultures, améliorant ainsi considérablement le rendement et la qualité, tout en orientant l'agriculture vers des pratiques économes en ressources et respectueuses de l'environnement.

2. Présentation de la solution  

La solution de serre intelligente utilise un réseau de capteurs pour collecter des données en temps réel sur l'air, le sol et les cultures. Associée à des systèmes de contrôle intelligents et à des algorithmes d'IA, elle ajuste automatiquement les paramètres environnementaux tels que la température, l'humidité, la lumière et le CO₂ pour répondre précisément aux besoins de croissance des cultures. Le système couvre la surveillance environnementale, la gestion de l'eau et des engrais, l'alerte précoce contre les ravageurs et les maladies, et la prise de décision basée sur les données. Il permet de réduire la dépendance à la main-d'œuvre de 30 à 50 %, d'augmenter le rendement de 20 à 40 % et d'économiser 20 à 35 % d'eau et d'engrais. 

3. Principales caractéristiques et valeur de la solution de serre intelligente 

3.1 Contrôle environnemental précis  

- Fonction : Surveillance en temps réel et réglage automatique de la température, de l'humidité, de la lumière, de la concentration en CO₂, etc., pour maintenir l'environnement de croissance optimal.  

- Valeur : Réduit le cycle de croissance des cultures de 10 à 15 %, améliore la constance de la qualité (par exemple, la teneur en sucre, les normes de forme des fruits). 

3.2 Gestion intelligente de l'eau et des engrais  

- Fonction : En fonction de la température du sol, de l'humidité, de l'EC (conductivité électrique), de la valeur du pH et de la teneur en NPK, déclenche une irrigation et une fertilisation précises.  

- Valeur : Réduit le gaspillage d'eau et d'engrais de 30 à 50 %, diminue le risque de salinisation des sols. 

3.3 Contrôle intelligent des ravageurs et des maladies  

- Fonction : En utilisant l'humidité de la surface des feuilles, les données environnementales et la technologie de reconnaissance d'images, prédit la probabilité d'apparition de maladies (précision > 85 %).  

- Valeur : Réduit l’utilisation de pesticides de 25 %, diminue les pertes dues aux ravageurs et aux maladies de plus de 50 %. 

3.4 Prise de décision basée sur les données  

- Fonction : Crée des modèles de croissance des cultures et fournit des suggestions pour l'optimisation du cycle de plantation et la sélection variétale.  

- Valeur : Augmente le rendement par hectare de 15 à 25 %, soutient la gestion des cultures à grande échelle. 

Capteur de pression d'humidité et de température atmosphérique	capteur d'éclairage	capteur de CO2	Capteur d'humidité des feuilles
Capteur Par	Capteur de température et d'humidité du sol 3 en 1	Capteur de température et d'humidité du sol	Capteur de pH du sol

4. Conception et déploiement d'un système de capteurs de serre intelligent 

4.1 Surveillance de l'environnement atmosphérique  

1. Capteurs de température, d'humidité et de pression  

 - Paramètres : Température (-40~80℃), Humidité (0~100% HR), Pression (10~1100 hPa).  

 - Déploiement : Un capteur tous les 200㎡, suspendu à 50 cm au-dessus de la canopée de la culture.  

 - Contrôle : lorsque la température > 30℃, activez le rideau de refroidissement ; lorsque l'humidité > 85 %, ouvrez les fenêtres supérieures pour la ventilation.

2. Capteur de CO₂  

 - Plage : 0~5000ppm, précision ±50ppm.  

 - Stratégie : Maintenir la concentration de CO₂ entre 800 et 1 200 ppm pendant la journée, réduire à des niveaux naturels la nuit. 

3. Capteur d'éclairement et de rayonnement photosynthétique actif (PAR)  

 - Spécifications techniques : Éclairement 0~200 000 Lux, rayonnement de longueur d'onde PAR 400~700 nm (μmol/m²/s).  

 - Application : Lorsque l'éclairement est < 15 000 Lux, activez la lumière supplémentaire LED (lumière rouge 660 nm + lumière bleue 450 nm) ; ajustez l'ouverture du filet d'ombrage lorsque la valeur PAR est inférieure au seuil de demande de culture. 

4.2 Surveillance du sol et des racines  

1. Capteur trois-en-un de température, d'humidité et d'EC du sol  

 - Paramètres : Température (-40~80℃), Humidité (0~100%), EC (0~10mS/cm).  

 - Profondeur : Régler en fonction de la profondeur des racines des cultures (15 cm pour les légumes à feuilles, 30 cm pour les légumes à fruits).  

 - Logique de contrôle : lorsque EC > 3 mS/cm, déclenchez l'irrigation par lessivage ; lorsque l'humidité < 60 %, activez l'irrigation goutte à goutte. 

2. Capteur de pH du sol  

 - Plage : pH 0~14, précision ±0,1.  

 - Gestion : Lorsque le pH s'écarte de la plage optimale pour les cultures (par exemple, pH de la tomate 6,0 à 6,8), ajustez le pH en injectant de l'eau acide/alcaline et de l'engrais. 

3. Capteur d'azote, de phosphore et de potassium du sol  

 - Plage : 0-2000 mg/kg, précision 1 mg/kg. 

4.3 Surveillance des cultures  

1. Capteur d'humidité de la surface des feuilles  

 - Installation : Fixation au dos des feuilles supérieures de la culture.  

 - Mécanisme d'avertissement : si l'humidité > 90 % et la température > 25 ℃, déclenchez la déshumidification du ventilateur pour éviter la moisissure.

5. Architecture et flux de travail du système de serre intelligente 

5.1 Couche matérielle  

- Perception End : Capteurs + caméras intelligentes, prenant en charge la transmission sans fil LoRaWAN/réseau cellulaire/Wi-Fi.  

- Dispositifs d'exécution : Unités de contrôle environnemental (ventilateurs, rideaux de refroidissement, lumières supplémentaires), machines d'intégration d'eau et d'engrais, robots pesticides. 

5.2 Couche de transmission  

- Protocole de communication : réseau dorsal 4G/5G + réseau local LoRaWAN, faible latence de transmission de données.  

- Edge Computing : les passerelles disposent d'algorithmes de prétraitement intégrés pour filtrer les données non valides (par exemple, les fluctuations lumineuses transitoires). 

5.3 Couche de plate-forme  

- Jumeau numérique : modélisation 3D pour reproduire la serre en temps réel, cartographie des paramètres environnementaux et de l'état de l'appareil.  

- Moteur d'IA : le réseau neuronal LSTM prédit les tendances environnementales des 72 prochaines heures, avec un taux de précision de > 92 %. 

5.4 Couche application  

- Terminal mobile : l'application Farmer envoie des alertes (par exemple, « Valeur CE dépassée dans la zone A3 »), prend en charge le contrôle à distance.  

- Système expert : contient une base de connaissances sur les cultures (couvrant les modèles de croissance pour plus de 50 cultures économiques courantes).

6. Cas de mise en œuvre et résultats 

Cas 1 : Serre intelligente Plateau Tomato (Qinghai)  

- Défi : Grande différence de température diurne (ΔT>25℃), UV forts et sol pauvre.  

- Solution:  

- Déployer des capteurs résistants au gel (fonctionnement normal à -30℃), ajouter un film filtrant UV.  

- Construire une stratégie de contrôle de température par étapes : 28℃ le jour / 16℃ la nuit, enrichissement en CO₂ la nuit.  

- Résultat:  

- Rendement annuel augmenté à 45 kg/㎡ (serre traditionnelle 25 kg/㎡), teneur en sucre atteinte 8,2 Brix.  

- Consommation d'eau réduite de 40%, fréquence d'inspection réduite à une fois par semaine. 

Cas 2 : Base de semis de culture tissulaire d'orchidée papillon (Yunnan)  

- Demande : Contrôle précis du temps de floraison, taux de contamination des cultures tissulaires < 0,5 %.  

- Solution:  

- Déployer des capteurs de gradient de pression dans les zones stériles pour maintenir un environnement de pression positive.  

- LED à spectre réglable pour le contrôle de la période d'éclairage (16 heures de lumière/8 heures d'obscurité).  

- Résultat:  

- Écart de temps de floraison < 3 jours, taux de contamination des cultures tissulaires réduit à 0,2 %.  

- Coût énergétique réduit de 35%, la production annuelle de plants de haute qualité a atteint 5 millions. 

7. Directions de l'évolution technologique  

- Amélioration du jumeau numérique : intégration des données satellitaires météorologiques pour le contrôle collaboratif régional des gaz à effet de serre.  

- Intégration robotique : Intégration de robots de greffage et de récolte avec une efficacité de travail de 200 plantes/heure et un taux de dommages <1%.  

- Traçabilité de la blockchain : relier les données de croissance à la blockchain, permettant aux consommateurs de scanner et de vérifier l'ensemble des enregistrements environnementaux du cycle de vie. 

Conclusion  

La solution de serre intelligente met en place un système en boucle fermée « perception-analyse-exécution », faisant passer la production agricole de l'expérience à l'analyse des données. Son intérêt réside non seulement dans l'augmentation du rendement et de l'efficacité, mais aussi dans la promotion de la neutralité carbone de l'agriculture grâce à une gestion précise des ressources. Avec la pénétration continue des technologies AIoT, les serres intelligentes deviendront le principal vecteur de l'agriculture numérique, contribuant ainsi à relever le double défi de la sécurité alimentaire mondiale et de la durabilité écologique.