物聯(lián)網(wǎng)溫室智能管理平臺的研究

馬巍 王新 張亮 王瑛彤 姜彩宇

摘 要：目前，大多數(shù)智能溫室控制技術(shù)都是模仿研究，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品少，還沒有比較成熟的具有自己特色的技術(shù)裝備，國際市場上競爭力不強(qiáng)。雖然在自動采集軟件和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面取得了進(jìn)展，但就全國而言應(yīng)用覆蓋率仍然很低。本項(xiàng)目通過傳感器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行信息采集和數(shù)據(jù)傳輸，對作物生長狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。對信息進(jìn)行整合和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)智能灌溉，提高效率，進(jìn)而達(dá)到促進(jìn)作物生長最優(yōu)條件的目的。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)工程；溫室管理；物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施農(nóng)業(yè)；傳感器

中圖分類號：S2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160431028

1 方案設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)溫室智能管理平臺融合智能感知、識別、控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過傳感器集群對溫室內(nèi)環(huán)境諸多因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，采用近場無線通信與下位計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、匯總后采用互聯(lián)網(wǎng)平臺傳輸至主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)通過專用的數(shù)據(jù)庫軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行比對和判定后，發(fā)出控制指令，通過下位機(jī)對滴灌泵、肥類泵、農(nóng)藥泵、CO2發(fā)生器進(jìn)行自動控制，最終完成溫室環(huán)境與農(nóng)作物生長條件的自動調(diào)節(jié)與控制。整個平臺實(shí)現(xiàn)了作物數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，作物影像的實(shí)時(shí)查看，溫室系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用的重要成果。

該平臺由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)2部分組成，其中硬件部分主要由數(shù)據(jù)采集設(shè)備、傳感器和傳輸設(shè)備、顯示設(shè)備及通信系統(tǒng)組成，軟件部分主要由作物生長數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、溫室控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心及移動端APP組成。項(xiàng)目建設(shè)以信息技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)為支撐，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對棚室作物生長狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過傳感器和傳輸設(shè)備，獲得各類信息并進(jìn)行綜合處理，以此建立作物灌溉系統(tǒng)。

2 硬件系統(tǒng)

2.1 通過優(yōu)選

構(gòu)成的傳感器模組，包括環(huán)境溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、日照強(qiáng)度傳感器、雨量傳感器、植物光譜分析儀、土壤元素分析儀。

2.2 控制機(jī)構(gòu)

包括各管路關(guān)聯(lián)電磁閥、水泵、通風(fēng)電機(jī)、遮陽步進(jìn)電機(jī)等組成。

2.3 通信系統(tǒng)

包括遠(yuǎn)程通信及近場通信。遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)包括使用運(yùn)營商的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)傳輸，近場通信包括傳感器與主控電腦之間的無線傳輸模塊。

3 軟件系統(tǒng)

3.1 作物生長管理數(shù)據(jù)庫的建立

建立符合吉林省省情的幾種代表性作物的生長規(guī)律模型，模型包括作物在每一生長階段的需水、溫度、肥料、農(nóng)藥等參數(shù)，將傳感器獲取的數(shù)據(jù)與之進(jìn)行比對，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化溫室自動操作。我中心經(jīng)過長期試驗(yàn)得出了一整套相關(guān)作物的生長數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)可以避免傳統(tǒng)作物種植過程中憑經(jīng)驗(yàn)灌溉、施肥、噴灑農(nóng)藥等過程的浪費(fèi)，同時(shí)也避免了因施肥和噴灑農(nóng)藥過量而造成土壤板結(jié)、農(nóng)藥化肥所造成的污染。編寫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體系，以“高速數(shù)據(jù)讀寫，降低數(shù)據(jù)冗余”方式優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

3.2 溫室智能控制系統(tǒng)

通過傳感器模組采集的數(shù)據(jù)，對整個溫室的環(huán)境因子按照歷史數(shù)據(jù)，作物最優(yōu)生長數(shù)據(jù)等依據(jù)進(jìn)行控制，發(fā)送控制信號至操控機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的調(diào)節(jié)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心

該中心不僅保留原始數(shù)據(jù)庫，而且及時(shí)更新當(dāng)前作物數(shù)據(jù)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)授權(quán)用戶的遠(yuǎn)程管理。

3.4 移動端APP 開發(fā)

實(shí)現(xiàn)在移動設(shè)備上對于溫室的實(shí)時(shí)管理，完全體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)價(jià)值。

4 該系統(tǒng)具有的功能

4.1 系統(tǒng)可根 據(jù)用戶輸入各地塊種植作物、土壤類型（也可從計(jì)算機(jī)中調(diào)用）后，系統(tǒng)便會根據(jù)作物生產(chǎn)的氣象條件、土壤養(yǎng)分狀況等，動態(tài)監(jiān)測棚室溫度變化、土壤含水量的變化，日照強(qiáng)度的變化，棚室內(nèi)CO2的濃度等參數(shù)。然后自動精確的控制作物生長期間所需的灌溉、通風(fēng)、加熱、光照、追肥因素等。

4.2 除自動控 制外，系統(tǒng)還設(shè)定了半自動控制方式。所謂半自動控制方式，就是指系統(tǒng)允許用戶根據(jù)實(shí)際情況控制開停機(jī)。用戶可人為的啟動或關(guān)閉閥門。

4.3 系統(tǒng)可根 據(jù)作物生長期間的作物生長狀況、土壤類型、土壤養(yǎng)分狀況、氣象等條件，提供幾種作物智能控制的決策實(shí)施方案。用戶在種植一類新作物時(shí)，可以在控制器上修改參數(shù)，滿足實(shí)際情況的需要，具有良好的擴(kuò)展性。

4.4 控制器采 用專用單片機(jī)外圍接口芯片設(shè)計(jì)，可靠性高 ；使用標(biāo)準(zhǔn)RS-232串口，與計(jì)算機(jī)機(jī)連接，交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測。系統(tǒng)設(shè)有自動斷電記憶功能。

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