一、研究背景
全球农业正面临人口增长与耕地资源缩减的双重压力，传统生产模式已难以满足可持续的粮食供给需求。在此背景下，温室种植作为精准农业的重要形式，虽能通过环境隔离与反季节生产提升10%-12%的产量，但其传统人工管理模式存在效率低、精度不足等局限。物联网（IoT）技术的兴起为温室智慧化转型提供了核心支撑，通过集成传感器、微控制器与云计算，构建起能够实时采集环境参数并实现智能调控的系统，有效推动农业从“自动化3.0”向“智慧化4.0”跨越，显著优化资源利用并提升作物产量与品质。然而，现有研究仍存在明显短板：多数研究忽视物理层组件与关键通信协议，缺乏对资源管理及边缘计算等新兴技术的系统分析，同时也未能充分回应小农户的成本顾虑与数据安全等现实障碍。因此，需开展系统性综述，整合技术架构、应用场景与挑战应对策略，以填补现有研究的碎片化缺陷，为科研与实践应用提供清晰参考。
二、研究方法
1. 文献综述法
系统梳理 2015-2024 年国际核心期刊（如《Information Processing in Agriculture》《Computers and Electronics in Agriculture》）发表的 170 余篇相关研究，涵盖物联网在温室种植中的技术应用、协议适配、案例实践等领域，重点分析现有研究的优势与不足，弥补过往综述在物理层组件（如执行器、微控制器）、资源管理（能源、水资源）等方面的研究缺口。
2. 分类对比分析法
按种植模式分类：将物联网赋能的温室种植划分为智能温室、水培温室、垂直农场三类，对比其技术架构、核心设备、适用场景与优劣特征；按技术层级分类：从物理层（传感器、执行器）、网络层（通信协议）、服务层（数据处理技术）、应用层（核心功能）四个维度，拆解物联网温室的完整技术体系；按协议类型分类：对比 Wi-Fi、ZigBee、LoRa、MQTT等10余种通信协议的频率、数据速率、传输距离、能耗与成本，明确不同场景下的最优适配方案。
3. 质量评估法
设计三项核心评估指标（QA1：研究是否发表于权威期刊；QA2：是否聚焦IoT温室核心应用；QA3：是否提供明确技术解决方案），对收集的研究文献进行量化评分，筛选出高质量案例进行深度分析，确保研究结论的可靠性与参考价值。
4. 案例调研法
实地调研印度、中国、意大利、俄罗斯等6个国家的物联网温室应用项目，收集不同气候条件、种植规模下的技术落地数据，总结各国在政策支持、技术选型、模式创新等方面的实践经验，为全球范围内的技术推广提供参考。
三、主要的研究结果
1. 基于物联网的温室农业类别
基于物联网的设备广泛应用于医疗保健、智慧城市、农业等许多行业的监测和控制系统。在农业领域，基于物联网的技术包括传感器、执行器、无人机、云计算、导航工具和分析系统，使有效的决策能够以更少的人为干预提高作物产量。这些物理设备和传感器监控并收集温度、光照、湿度、强度和土壤湿度数据。物联网支持温室农场监测和控制系统的自动化，同时为农民提供对存储在云计算服务器上的环境数据的访问，从而支持决策和高效的资源利用，包括水、农药、供暖等。基于物联网的温室农业技术主要有三种，智能温室、水培和垂直农业。
图1 基于物联网的智能温室农业
图2 温室里的水培
图3 垂直耕作
2. 物联网温室的四层技术架构与核心组件
基于物联网的温室农业体系结构包括四个基本层次：应用层、服务层、网络层和物理层。物理层包含多个传感器、各种执行器和微控制器，在这一层感测环境参数，然后根据预定指令启动，该层传输的数据和接收的指令流经网络层。网络层包括标准通信协议(LoRaWAN、SIGFOX、Wi-Fi、ZigBee等)和物联网协议(MQTT、HTTP和CoAP)。服务层提供了许多技术，包括云计算、雾/边缘计算和应用层的人工智能。在应用层，使用前几层的服务来执行一些基于物联网的农业活动，如监测、控制、跟踪和预测。
图4 面向智能温室农业的物联网架构
图5 在温室栽培中使用物联网传感器的频率
图6 基于物联网的不同类型的温室监控传感器
3.全球典型应用案例
发达国家为农户应对各类挑战提供了诸多新途径，在温室种植领域尤为显著。表1总结了部分国家基于物联网的温室种植实践。
表1 部分国家基于物联网的温室种植实践
4.现存核心挑战
（1）技术层面
在农业物联网温室应用场景中，传感器部署与数据传输面临多重现实挑战：不同品牌传感器的通信接口与协议存在显著兼容性差异，大幅增加了系统集成的技术难度与后续扩展成本；同时，安全隐私保护、数据格式及设备接口等关键领域缺乏统一标准化规范，不仅导致跨设备、跨系统的数据共享困难，还提升了数据传输过程中的安全风险；此外，高精度传感器与 AI 处理模块的高昂价格与低成本设备普遍存在的稳定性不足、数据精度偏低等问题，使得实际应用中难以实现成本与性能的有效平衡；而当大规模温室部署数百万级传感器时，部分传输协议（如 Wi-Fi）易出现数据传输延迟、网络拥堵等问题，进一步构成实时性瓶颈，影响农业生产调控的时效性与精准度。
（2）资源管理层面
温室农业在可持续发展进程中仍面临多重现实挑战：能源消耗方面，传统温室加热能耗占比高达80%，即便更换LED灯，单位面积年能耗仍可达10,459,688 MJ/ha，折合成本区间为6.5-15万美元，能源压力显著；水资源优化领域，农药过度使用已造成地下水污染，物联网病虫害检测系统虽能在一定程度上缓解这一问题，但如何平衡病虫害防控效果与生态安全仍需持续探索；通信服务适配存在明显短板，短距离协议（如Bluetooth）覆盖范围有限，长距离协议（如LoRa）则存在数据速率偏低的问题，均难以满足复杂温室场景下的通信需求；建筑材料方面，传统塑料、玻璃温室易发生腐蚀，混凝土结构抗灾能力较弱，而碳纳米管、石墨烯等纳米材料虽能有效提升温室性能，但因成本较高尚未实现普及应用。
四、结论
本文阐述了基于物联网的温室农业相关演进技术，对物联网温室种植的应用模式展开了深入探讨。此外，本文还讨论了基于云 / 雾计算与人工智能（AI）的物联网温室框架组成，这些技术构成了物联网的核心支撑，能够助力农户提高作物产量。同时，梳理了智慧温室种植中的物联网应用场景，包括监测、控制、追踪及预测类应用；并介绍了各类物联网通信协议、传感器、终端设备及相关技术。本文亦分析了温室种植中的资源管理挑战（如能源管理、水资源管理、通信服务管理及结构材料优化等），以及基于物联网的温室农业目前存在的技术瓶颈。另外，本文还关注了已将物联网技术应用于温室种植的国家案例。最后，提出了基于物联网的温室农业未来研究方向。综上，在温室系统中部署物联网及相关技术，有望开启农业经济增长的新时代——其核心优势在于能够在任意时间、任意地点提供精准监测数据，且具备成本效益优势。因此，通过这些技术提升作物产量、实时监测湿度、温度、营养成分等生长环境参数、实现植物病害早期预警，可为农业可持续发展提供有效路径。
文献来源
Khalid M. Hosny, Walaa M. El-Hady, Farid M. Samy. Technologies, Protocols, and applications of Internet of Things in greenhouse Farming: A survey of recent advances[J]. Information Processing in Agriculture, 2025, 12:91–111
转自绿水智慧农业
监制：王丽娇
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