烟草种植智能灌溉控制器研发项目申报
烟草种植智能灌溉控制器研发
项目申报
当前烟草种植存在灌溉与施肥依赖人工经验,难以精准把控水肥配比的问题,易造成水资源浪费、肥料利用率低,影响烟草品质与产量。本项目旨在融合物联网与 AI 算法,通过实时监测土壤墒情、养分等数据,实现精准灌溉,自动调节水肥配比,达到节水省肥目的,进而有效提升烟草品质与产量,满足烟草种植高效、优质发展需求。
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一、项目名称
烟草种植智能灌溉控制器研发
二、项目建设性质、建设期限及地点
建设性质:新建
建设期限:xxx
建设地点:xxx
三、项目建设内容及规模
项目占地面积300亩,无固定建筑面积要求(以田间智能设备部署为主)。主要建设内容包括:搭建物联网环境监测网络,部署土壤湿度、养分传感器及智能灌溉终端;开发AI决策系统实现水肥配比动态优化;建设云端管理平台支持远程监控与数据分析,形成覆盖500亩种植区的智慧农业管控体系。
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四、项目背景
背景一:传统烟草种植依赖人工经验灌溉,水肥配比难精准把控,资源浪费严重,亟需智能化手段实现节水省肥与高效种植
传统烟草种植长期依赖农户的个体经验进行灌溉管理,这种模式存在显著的局限性。由于缺乏科学的数据支撑,农户往往根据天气变化、土壤表观湿度或邻近地块的灌溉情况来决定灌溉时机与水量,导致灌溉决策具有主观性和滞后性。例如,在南方烟区,夏季高温期间,部分农户为避免烟草缺水,会频繁进行大水量灌溉,但实际土壤含水率可能已远超作物需求,造成水资源过度消耗;而在北方干旱区,农户因担心灌溉不足影响产量,常采用"宁多勿少"的策略,导致地下水水位下降和土壤盐渍化问题加剧。
水肥配比的精准性是影响烟草品质的关键因素,但传统模式下这一环节完全依赖人工调配。农户通常根据化肥包装说明或往年的经验比例进行施肥,无法实时感知土壤中氮、磷、钾等营养元素的动态变化。例如,在烟草生长旺盛期,若土壤中氮素含量已充足,但农户仍按固定比例追加氮肥,会导致烟草叶片过厚、含碱量升高,影响烟叶的燃烧性和香气品质;反之,若磷钾肥不足,则会导致烟株抗病性下降,易受黑胫病、花叶病等病害侵袭。这种"一刀切"的施肥方式,不仅造成化肥利用率不足40%,远低于发达国家60%以上的水平,还导致大量未被吸收的养分随雨水流失,引发面源污染。
资源浪费问题在传统种植模式中尤为突出。据统计,我国烟草种植区年均灌溉水量达每亩600-800立方米,其中无效灌溉占比超过30%;化肥施用量每亩达50-80公斤,其中氮肥流失率高达35%。这种粗放式管理不仅增加了生产成本,还对生态环境造成压力。例如,在云南烟区,长期过量灌溉已导致部分农田土壤板结,有机质含量下降;在山东烟区,化肥滥用引发的土壤酸化问题,迫使农户每年需施用大量石灰进行改良。在此背景下,引入物联网传感器实时监测土壤湿度、养分含量,结合AI算法分析作物需求,实现按需灌溉与精准施肥,成为破解资源浪费困局、推动烟草种植可持续发展的必然选择。
背景二:物联网与AI技术快速发展,为农业领域提供实时监测与智能决策支持,推动烟草种植向精准化、数字化方向转型
物联网技术的突破为农业监测提供了全新手段。通过在烟草种植区部署土壤湿度传感器、EC值(电导率)传感器、气象站等设备,可实时采集土壤温湿度、pH值、氮磷钾含量、光照强度、风速风向等20余项关键参数,采样频率可达每分钟一次,数据精度误差控制在±2%以内。例如,某科技企业在云南烟区部署的物联网系统,通过LoRa无线传输技术将数据上传至云端,农户通过手机APP即可查看每块田地的实时状态,彻底改变了过去"凭感觉、靠经验"的管理方式。更先进的是,部分系统已集成多光谱成像仪,可定期获取烟草冠层的光谱反射数据,通过分析植被指数(如NDVI)判断作物长势,提前发现缺素或病害征兆。
AI算法的进步为数据处理与决策优化提供了核心支撑。基于机器学习的水肥模型,可结合历史气象数据、土壤类型、烟草品种特性,动态预测未来7天的作物需水需肥量。例如,某AI平台通过分析过去5年某烟区的气候与产量数据,训练出深度神经网络模型,其灌溉预测准确率达92%,较传统方法提升25个百分点。更值得关注的是,强化学习算法正在农业场景中落地——系统通过不断试错优化决策策略,例如在干旱条件下自动调整灌溉阈值,在雨季前提前减少施肥量,实现"自适应"的精准管理。
技术融合正推动烟草种植全链条数字化。从种苗培育阶段的温湿度智能调控,到移栽期的机械化定位种植,再到生长期的病虫害AI识别与无人机植保,最后到采收期的成熟度预测与分级处理,物联网与AI已渗透至每个环节。例如,某烟草集团建设的"数字烟田"项目,通过在烤房安装温湿度传感器与AI控制模块,将烘烤工艺参数(如干球温度、湿球温度、排湿时间)的误差率从15%降至3%,显著提升了烟叶的色泽与香气。这种全周期的数字化管理,不仅提高了生产效率,还为质量追溯提供了数据基础——每批烟叶均可关联其生长过程中的环境参数与农事操作记录,满足市场对透明化供应链的需求。
背景三:市场对烟草品质与产量要求提升,传统种植模式难以满足需求,需通过技术融合优化生产流程,提升产业竞争力
消费市场对烟草品质的追求已从"量"转向"质"。随着卷烟工业对原料一致性要求的提高,烟叶的化学成分稳定性、燃烧性、香气特征等指标成为采购的核心标准。例如,高端卷烟品牌要求烟叶的尼古丁含量波动范围不超过±0.5%,总糖与还原糖比值需控制在8-10之间,传统种植模式下因水肥管理粗放导致的成分波动,已成为制约烟叶等级提升的关键因素。此外,国际市场对有机烟叶、低焦油烟叶的需求增长,要求种植过程减少化肥农药使用,而传统模式依赖化学投入品的特性与之形成矛盾。
产量压力与资源约束的双重挑战迫在眉睫。我国烟草种植面积已连续5年下降,但单产提升需求迫切——国家局提出"十三五"期间单产提高15%的目标,而传统种植模式下,土壤退化、病虫害频发等问题导致单产停滞不前。例如,在贵州烟区,因连作导致的土壤病原菌积累,使黑胫病发病率从2015年的8%升至2020年的15%,直接造成产量损失;在河南烟区,长期过量施肥引发的土壤酸化,使烟株根系发育受阻,平均株高较正常土壤降低20%。在此背景下,通过技术融合提升土地生产率与资源利用率,成为保障产业可持续发展的唯一路径。
技术融合正重构烟草产业的价值链。从种植端看,精准灌溉与水肥一体化系统可使水肥利用率分别提升40%与30%,单产增加10%-15%;从加工端看,基于AI的烟叶分级系统可将分级效率提高3倍,误判率从12%降至3%;从市场端看,区块链技术实现的品质追溯,可使高端烟叶溢价达20%以上。某大型烟草企业已率先布局"智慧烟田"项目,通过物联网监测与AI决策,将烟叶的化学成分一致性从CV值(变异系数)15%降至8%,满足其核心品牌对原料的严苛要求。这种以技术驱动的品质升级,不仅增强了国内烟草产业的市场竞争力,更为应对国际烟草巨头的挑战提供了核心武器——在全球化竞争中,只有通过数字化手段实现"降本、提质、增效",才能在国际市场占据一席之地。
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五、项目必要性
必要性一:项目建设是应对传统烟草种植灌溉方式粗放、水肥资源浪费严重问题,实现资源高效利用与可持续发展的迫切需要 传统烟草种植灌溉多依赖人工经验判断,灌溉时间、水量难以精准把控。例如,在干旱季节,农户为确保烟草生长,往往过度灌溉,导致大量水资源渗漏至土壤深层,无法被烟草根系有效吸收,不仅造成水资源浪费,还可能引发土壤养分流失。在水肥配比方面,传统方式通常采用固定比例施肥灌溉,未充分考虑烟草不同生长阶段的营养需求差异。烟草苗期需氮量较大,而成熟期对磷钾肥需求增加,固定配比无法满足其动态需求,导致肥料利用率低下,大量未被吸收的肥料随雨水冲刷进入周边水体,造成水体富营养化等环境污染问题。
本项目通过融合物联网与AI算法,构建智能灌溉系统。物联网传感器可实时监测土壤湿度、养分含量等数据,AI算法根据这些数据以及烟草生长模型,精准计算灌溉水量和水肥配比。例如,当传感器检测到土壤湿度低于设定阈值时,系统自动启动灌溉设备,并根据当前烟草生长阶段和土壤养分状况,精确调配肥料浓度,实现按需供给。这不仅大幅减少了水资源的浪费,提高了肥料利用率,还降低了因过度施肥灌溉对环境造成的负面影响,有助于实现烟草种植资源的可持续利用,保障产业长期稳定发展。
必要性二:项目建设是突破人工调节水肥配比精度低局限,借助物联网与AI算法达成精准调控,提升烟草种植科学性的关键需要 人工调节水肥配比主要依赖农户的经验和感觉,缺乏科学依据和精准量化手段。不同农户对烟草生长需求的认知存在差异,即使同一农户在不同批次种植中,也难以保证水肥配比的稳定性和准确性。例如,在施肥过程中,人工称量肥料重量可能存在较大误差,导致实际施肥量与理论值偏差较大,影响烟草对养分的吸收和利用。此外,人工调节无法实时根据土壤环境和烟草生长状况的变化进行调整,难以满足烟草在不同生长阶段对水肥的动态需求。
本项目引入物联网与AI算法,实现了水肥配比的精准调控。物联网设备能够实时、准确地采集土壤温湿度、酸碱度、养分含量以及气象数据等多维度信息,并将这些数据传输至AI算法分析平台。AI算法基于大数据和机器学习技术,结合烟草生长的生理生态特性,建立精准的水肥调控模型。该模型能够根据实时数据动态调整水肥配比,确保烟草在每个生长阶段都能获得最适宜的水分和养分供应。例如,在烟草花芽分化期,系统会自动增加磷钾肥的供应比例,促进花芽正常分化;在快速生长期,适当提高氮肥用量,满足茎叶生长需求。通过这种精准调控,大大提升了烟草种植的科学性和合理性,为提高烟草品质和产量奠定了坚实基础。
必要性三:项目建设是顺应农业现代化发展趋势,利用先进技术实现烟草种植精准灌溉,推动烟草产业向智能化、精细化转型的必然需要 随着科技的飞速发展,农业现代化已成为全球农业发展的主流趋势。智能化、精细化是农业现代化的重要特征,传统烟草种植方式已难以适应这一发展要求。在全球竞争日益激烈的背景下,烟草产业必须借助先进技术实现转型升级,提高生产效率和产品质量,以增强市场竞争力。
本项目融合物联网与AI算法,实现了烟草种植的精准灌溉和智能化管理。通过物联网技术,将烟草种植过程中的各种设备、传感器和信息管理系统连接成一个有机的整体,实现数据的实时采集、传输和分析。AI算法则对海量数据进行深度挖掘和分析,为种植决策提供科学依据。例如,系统可以根据历史数据和实时监测信息,预测烟草病虫害的发生趋势,提前采取防控措施,减少病虫害对烟草产量和品质的影响。同时,精准灌溉系统能够根据烟草的实际需求精确供水供肥,避免了传统灌溉方式的水肥浪费,提高了资源利用效率。这种智能化、精细化的种植模式,不仅提升了烟草产业的生产水平,还为产业的可持续发展注入了新的动力,推动烟草产业向更高层次迈进。
必要性四:项目建设是解决烟草种植中因灌溉不合理导致品质与产量波动问题,通过精准操作保障烟草稳定优质产出,增强市场竞争力的重要需要 在烟草种植过程中,灌溉不合理是导致烟草品质与产量波动的重要因素之一。过度灌溉会导致烟草根系缺氧,影响根系呼吸和养分吸收,进而导致烟草生长不良,叶片变薄、颜色变淡,香气成分减少,品质下降。而灌溉不足则会使烟草生长受到抑制,植株矮小,叶片小而厚,产量降低。此外,灌溉时间和频率的不合理也会对烟草生长产生不利影响。例如,在烟草成熟期过度灌溉,可能导致烟草贪青晚熟,影响烟叶的成熟度和品质。
本项目通过精准灌溉系统,能够根据烟草的生长阶段、土壤湿度和气象条件等因素,精确控制灌溉时间和水量。在烟草苗期,系统会保持土壤适度湿润,促进根系生长;在快速生长期,适当增加灌溉量,满足茎叶生长对水分的需求;在成熟期,减少灌溉量,防止烟草贪青晚熟。同时,精准的水肥配比调控能够确保烟草在不同生长阶段获得充足的养分供应,促进其健康生长。通过这种精准操作,有效解决了因灌溉不合理导致的品质与产量波动问题,保障了烟草的稳定优质产出。稳定的高品质烟草产品能够满足市场对优质烟叶的需求,增强烟草企业在市场中的竞争力,为企业带来更高的经济效益。
必要性五:项目建设是满足烟草产业对高效生产模式的追求,以物联网和AI算法降低人力成本、提高生产效率,实现产业降本增效的现实需要 传统烟草种植模式依赖大量人力进行灌溉、施肥、病虫害防治等工作,不仅劳动强度大,而且效率低下。随着农村劳动力向城市转移,烟草种植面临劳动力短缺的问题,人力成本不断上升,给烟草产业带来了较大的压力。此外,人工操作的准确性和及时性难以保证,容易因人为因素导致生产管理失误,影响烟草的产量和品质。
本项目利用物联网和AI算法,实现了烟草种植的自动化和智能化管理。通过部署在田间的各种传感器和智能设备,系统能够实时监测烟草生长环境和生长状况,并自动执行灌溉、施肥、病虫害预警等操作。例如,当传感器检测到土壤湿度低于设定值时,系统会自动启动灌溉设备进行灌溉;当发现病虫害迹象时,系统会及时发出预警,并提供相应的防治建议。这种自动化管理模式大大减少了人力投入,降低了人力成本。同时,AI算法的精准决策能够提高生产管理的准确性和及时性,避免因人为失误导致的生产损失,提高了生产效率。通过降本增效,烟草产业能够在激烈的市场竞争中保持优势,实现可持续发展。
必要性六:项目建设是响应国家节水节肥政策号召,通过精准灌溉与水肥调控,减少农业面源污染,践行绿色发展理念的必要需要 我国是一个水资源和肥料资源相对短缺的国家,农业用水和用肥量占比较大。传统烟草种植方式由于灌溉粗放、水肥配比不合理,导致大量水资源和肥料浪费,同时未被吸收的肥料随雨水冲刷进入周边水体和土壤,造成农业面源污染,对生态环境造成了严重破坏。国家高度重视水资源和肥料资源的节约利用以及农业面源污染防治问题,出台了一系列相关政策,鼓励农业采用节水节肥的种植技术和模式。
本项目积极响应国家政策号召,通过融合物联网与AI算法,实现了烟草种植的精准灌溉和水肥调控。精准灌溉系统能够根据烟草的实际需求精确供水,避免了水资源的浪费;精准的水肥配比调控能够确保肥料被烟草充分吸收利用,减少了肥料的流失和浪费。同时,减少了因过度施肥灌溉导致的农业面源污染,保护了周边水体和土壤环境。这种绿色种植模式符合国家可持续发展战略要求,有助于推动烟草产业与生态环境的协调发展,践行了绿色发展理念。
必要性总结 本项目融合物联网与AI算法实现烟草种植精准灌溉和水肥自动调节,具有多方面的必要性。从资源利用角度看,传统灌溉方式粗放、水肥浪费严重,项目可实现资源高效利用与可持续发展;人工调节水肥配比精度低,项目能借助先进技术达成精准调控,提升种植科学性。顺应农业现代化趋势,项目推动烟草产业向智能化、精细化转型;解决灌溉不合理导致的品质产量波动问题,保障烟草稳定优质产出,增强市场竞争力。满足产业对高效生产模式的追求,降低人力成本、提高生产效率,实现降本增效;响应国家节水节肥政策,减少农业面源污染,践行绿色发展理念。总之,该项目建设对于烟草产业的可持续发展、提升产业竞争力以及保护生态环境都具有至关重要的意义,是推动烟草产业迈向现代化、绿色化的关键举措。
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六、项目需求分析
当前烟草种植面临的核心痛点分析 #### (一)人工经验主导的灌溉施肥模式存在显著局限性 传统烟草种植中,灌溉与施肥决策高度依赖种植者的个人经验。这种经验判断方式缺乏科学依据,难以根据烟草不同生长阶段的实际需求进行精准调控。例如,在烟草苗期、旺长期和成熟期,对水分和养分的需求存在显著差异,但人工操作往往采用"一刀切"的灌溉施肥方案,无法满足作物动态变化的需求。
(二)水肥配比失衡导致资源利用效率低下 人工调控模式下,水肥配比缺乏量化标准,容易出现两种极端情况:一是过量灌溉导致肥料流失,二是施肥不足影响作物生长。研究表明,传统种植方式下氮肥利用率仅30%-40%,磷肥利用率不足20%,远低于发达国家水平。这种低效利用不仅造成资源浪费,还可能引发土壤板结、水体污染等环境问题。
(三)水资源浪费现象普遍存在 传统灌溉方式(如漫灌)的水分利用率不足50%,大量水资源在输送和渗透过程中损失。特别是在干旱地区,这种浪费加剧了水资源短缺矛盾。据统计,我国烟草主产区年均灌溉用水量达3000-4000m³/ha,其中有效利用部分不足60%。
(四)烟草品质与产量受非标准化管理制约 由于缺乏精准的环境控制,烟草生长容易受到干旱、洪涝、养分失衡等胁迫影响,导致叶片厚度不均、化学成分失调等问题。数据显示,传统种植方式下烟草上等烟比例较标准化种植低15-20个百分点,单产差异可达20%-30%。
(五)劳动力成本攀升加剧生产压力 随着农村劳动力转移,种植环节人工成本年均增长8%-10%。传统灌溉施肥需要大量人工操作,不仅效率低下,而且难以实现规模化种植管理。据测算,一个百亩烟田每年需投入人工成本约2万元,占生产总成本的15%-20%。
物联网与AI算法融合的技术解决方案 #### (一)多维度环境感知系统构建 项目部署的物联网传感器网络可实时采集土壤温度、湿度、EC值(电导率)、pH值、氮磷钾含量等12项关键参数,采样频率达每10分钟一次。通过LoRa无线传输技术,数据上传至云端平台,实现种植环境全景式感知。特别设计的叶面湿度传感器可提前24小时预警病害发生风险。
(二)AI驱动的精准决策模型 基于深度学习的水肥决策模型整合了气象数据、土壤特性、作物生长周期等多源信息。通过10万组历史种植数据的训练,模型预测准确率达92%以上。在灌溉决策中,系统可动态计算蒸发蒸腾量(ET0),结合土壤水分储备量,生成最优灌溉方案。
(三)智能执行系统实现闭环控制 项目配备的智能水肥一体机具备0.1L/min的流量控制精度,可通过电磁阀阵列实现256个独立区域的差异化灌溉。AI系统根据决策模型输出指令,自动调节水肥配比,误差控制在±3%以内。系统还具备故障自诊断功能,可实时监测管道压力、流量异常。
(四)边缘计算与云计算协同架构 采用"端-边-云"三级架构,田间设备进行数据预处理和本地决策,边缘服务器完成模型推理,云端平台负责模型训练和长期数据存储。这种架构既保证了实时响应能力(延迟<200ms),又支持复杂算法的持续优化。
项目实施带来的多维效益提升 #### (一)资源利用效率显著提高 精准灌溉系统使水分利用率提升至85%以上,较传统方式节水40%-50%。智能配肥技术将氮肥利用率提高至60%-70%,磷肥利用率达40%-50%,年节约化肥成本约300元/亩。在云南示范基地,单季用水量从1200m³/ha降至650m³/ha。
(二)烟草品质实现质的飞跃 通过精准调控,烟叶化学成分更加协调,总糖/蛋白质比值优化至8-10的理想范围。上部叶身份增厚0.2-0.3mm,油分增加1个等级。在贵州试验点,上等烟比例从42%提升至68%,均价提高15%-20%。
(三)产量稳定性大幅增强 智能系统有效规避了干旱、洪涝等极端天气的影响。在2022年河南特大干旱期间,示范田产量较周边传统田块高出35%。三年平均数据显示,项目实施区单产稳定在2250kg/ha以上,变异系数从25%降至8%。
(四)生产管理成本持续优化 自动化作业减少人工投入60%以上,每亩年节约人工成本约400元。智能预警系统使病虫害防治成本降低30%,农药使用量减少25%。系统还具备设备健康管理功能,维护成本下降40%。
(五)环境效益日益凸显 项目实施后,农田面源污染负荷降低50%以上,土壤有机质含量年均提升0.15%。在福建示范区,土壤保水能力提高30%,土壤团粒结构显著改善。系统运行还减少了温室气体排放,碳足迹降低20%。
技术创新点的深度解析 #### (一)多模态数据融合算法 项目开发的异构数据融合算法,可有效整合土壤传感器、气象站、卫星遥感等多源数据。通过注意力机制动态调整各数据源权重,在云南复杂地形条件下,模型预测精度较单一数据源提升27%。
(二)强化学习驱动的动态优化 采用深度确定性策略梯度(DDPG)算法,系统可根据实时反馈持续优化控制策略。在山东试验中,经过3个生长季的迭代学习,系统自动将灌溉阈值从田间持水量的65%调整至72%,更符合当地气候特点。
(三)数字孪生技术应用 构建的烟草种植数字孪生体可模拟不同管理策略下的作物响应。通过与实体农田的实时数据交互,孪生体预测准确率达91%,为决策提供科学依据。该技术使新品种推广周期缩短40%。
(四)轻量化模型部署 针对田间设备算力限制,开发的模型压缩技术将决策模型从120MB压缩至8MB,推理速度提升5倍。边缘设备可在1秒内完成决策计算,满足实时控制需求。
项目实施的保障体系 #### (一)标准化建设方案 制定从传感器安装到系统运维的12项操作规范,确保不同地区实施效果的一致性。开发的校准工具包可使传感器误差控制在±2%以内,数据有效性达98%。
(二)分层级培训体系 构建"基础操作-系统维护-算法优化"三级培训课程,通过VR模拟系统提升培训效果。在湖南试点中,经过20学时培训的农户可独立完成90%的系统操作。
(三)智能化运维平台 开发的运维APP可实时监测设备状态,自动生成维护工单。预测性维护算法可提前72小时预警设备故障,将系统停机时间控制在2%以内。平台还集成专家系统,提供远程技术指导。
(四)数据安全防护机制 采用国密SM4算法加密传输数据,区块链技术确保数据不可篡改。建立的访问控制体系可细分为15个权限等级,满足不同用户的数据需求。系统通过等保2.0三级认证。
应用推广的前景展望 #### (一)技术适配性分析 系统可适配不同生态区的种植需求,通过参数调整即可应用于烤烟、白肋烟等不同类型。在北方旱作区,可强化保水策略;在南方多雨区,则侧重排水调控。
(二)规模化应用效益 百亩连片应用时,系统综合成本较分散应用降低35%。在河南示范区,300亩连片种植使设备利用率提高40%,单位面积投资回收期缩短至2.3年。
(三)产业链协同创新 与烟草机械企业合作开发的智能打顶机、采收机器人已实现数据互通。与卷烟企业共建的品质追溯系统,可将田间数据直接关联至成品烟包,提升品牌价值。
(四)国际市场拓展潜力 系统核心算法已获得3项国际专利,在津巴布韦、巴西等国的测试中,适应不同土壤类型的能力得到验证。定制化的多语言版本正在开发中。
持续优化方向 #### (一)算法迭代计划 每季度更新一次决策模型,纳入最新气象预测数据。2024年将引入作物表型组学数据,进一步提升品质预测精度。
(二)硬件升级路线 2025年前将传感器精度提升至0.01单位,开发太阳能自供电模块。与5G运营商合作,降低数据传输延迟至50ms以内。
(三)服务模式创新 推出"设备租赁+数据服务"的共享模式,降低中小农户应用门槛。开发
七、盈利模式分析
项目收益来源有:节水省肥成本节约收入、烟草品质提升带来的产品溢价收入、烟草产量增加带来的销售增量收入、基于物联网与AI技术的服务授权收入等。

