基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用

周偉+呂全貴+李雪蓮+林紅兵

摘 要：針對(duì)新疆日光溫室生產(chǎn)科技含量不足，生產(chǎn)自動(dòng)化程度落后等問(wèn)題，文中提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日光溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能控制。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，環(huán)境調(diào)控可靠，可滿足日光溫室智能監(jiān)控的需求，大大降低了農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了日光溫室園區(qū)的管理水平，加快了新疆農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：日光溫室；監(jiān)控系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；智能控制

中圖分類號(hào)：S24；TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）05-00-03

0 引 言

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，中國(guó)以日光溫室、塑料大棚為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)得到快速發(fā)展，其中“日光溫室”和其它類型溫室相比具有成本適中、建造容易、保溫良好等特點(diǎn)，近20年來(lái)已成為農(nóng)業(yè)種植中效益最高的產(chǎn)業(yè)。由于新疆獨(dú)特的氣候特點(diǎn)和地理特征，新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)以日光溫室為主體，截止2013 年底，全疆設(shè)施農(nóng)業(yè)占地面積達(dá)91.4萬(wàn)畝（新疆農(nóng)業(yè)廳園產(chǎn)處提供數(shù)據(jù)），覆蓋全疆14 個(gè)地（ 州、市） 和91個(gè)縣（ 市、區(qū)），預(yù)計(jì)到2020年，全疆設(shè)施農(nóng)業(yè)將達(dá)到125萬(wàn)畝。設(shè)施農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為新疆的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，被自治區(qū)確定為新疆農(nóng)業(yè)六大產(chǎn)業(yè)之一[1]。

雖然近年來(lái)新疆日光溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但大多數(shù)日光溫室日常生產(chǎn)管理仍以經(jīng)驗(yàn)為主，科技含量不足，生產(chǎn)自動(dòng)化程度低，日光溫室生產(chǎn)急需提高工作效率并實(shí)現(xiàn)精細(xì)管理[2， 3]。隨著信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的融合，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在大田糧食作物種植精準(zhǔn)作業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)和灌溉施肥控制、果園生產(chǎn)不同尺度的信息采集和灌溉控制等方面應(yīng)用廣泛 [4， 5]。以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架為基礎(chǔ)的溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)注重全面感知、穩(wěn)定傳輸和智能應(yīng)用3個(gè)方向[6]。本文以連棟日光溫室環(huán)境作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)顯示與可視化的數(shù)據(jù)查詢及分析，并監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能控制，達(dá)到在提高作物產(chǎn)量的同時(shí)降低生產(chǎn)成本的目的。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示，主要包括傳感器、控制終端、通信終端、操作終端及軟件平臺(tái)。系統(tǒng)通過(guò)各種傳感器等監(jiān)測(cè)設(shè)備感知溫室內(nèi)的環(huán)境信息。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)通信終端進(jìn)入上位機(jī)系統(tǒng)，并對(duì)溫室監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算分析和共享，溫室環(huán)境控制算法通過(guò)控制終端對(duì)調(diào)控設(shè)備進(jìn)行控制。該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)還可以通過(guò)手機(jī)流量或短信向用戶發(fā)送實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息、預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)日光溫室集成化、網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程管理。

1.2 環(huán)境信息采集終端

環(huán)境信息采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)各類傳感器數(shù)據(jù)的采集控制，主要包含空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、土壤溫度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器和二氧化碳濃度傳感器。環(huán)境信息采集系統(tǒng)的外部網(wǎng)絡(luò)以基于IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和 GPRS通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)進(jìn)行環(huán)境信息的傳輸；內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)則采用短距離、低功率的ZigBee無(wú)線通信技術(shù)[7]?；赯igBee的無(wú)線傳輸模式中，傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)由ZigBee發(fā)送模塊傳送到中心節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，操作終端和控制終端間傳送的控制指令也傳送至中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)再經(jīng)邊緣網(wǎng)關(guān)將傳感器數(shù)據(jù)、控制指令發(fā)送到上位機(jī)的業(yè)務(wù)平臺(tái)。技術(shù)人員可以通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)上位機(jī)系統(tǒng)業(yè)務(wù)平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室現(xiàn)場(chǎng)的傳感器參數(shù)，控制溫室現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)設(shè)備。

1.3 控制終端

控制終端主要由控制器、觸摸屏、電源、開關(guān)器件、CO2氣體存儲(chǔ)釋放裝置等組成?？刂葡淇梢酝ㄟ^(guò)在上位機(jī)或手機(jī)終端執(zhí)行操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)、水泵、卷簾設(shè)備的手動(dòng)控制和遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，并根據(jù)用戶需求定時(shí)啟/停設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)控制柜如圖2所示。

1.4 操作終端和軟件平臺(tái)

操作終端為計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)（安卓系統(tǒng)）。系統(tǒng)軟件平臺(tái)主要由客戶端（包括電腦客戶端和手機(jī)App），應(yīng)用服務(wù)端和數(shù)據(jù)庫(kù)三部分組成。通過(guò)手機(jī)客戶端軟件，可隨時(shí)隨地掌握溫室內(nèi)的環(huán)境信息及設(shè)備工作狀況，匯總、分析采集得到的環(huán)境信息，遠(yuǎn)程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)配置、功能配置。手機(jī)App監(jiān)控界面如圖3所示。系統(tǒng)每分鐘保存一次采集的溫室數(shù)據(jù)，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)列表顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)下載、歷史數(shù)據(jù)列表、曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)分析等功能。后臺(tái)部分在服務(wù)器上主要用于用戶注冊(cè)系統(tǒng)維護(hù)，系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)更新維護(hù)等。

2 系統(tǒng)應(yīng)用分析

該系統(tǒng)在新疆烏魯木齊市農(nóng)十二師西山農(nóng)牧場(chǎng)日光溫室園區(qū)內(nèi)進(jìn)行安裝調(diào)試，溫室內(nèi)種植草莓，實(shí)驗(yàn)期間草莓處于幼苗期，選擇兩棟日光溫室安裝該物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備，安裝現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

2.1 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)采集的溫室內(nèi)空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、土壤溫度、土壤相對(duì)濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度六大要素以實(shí)時(shí)曲線的方式顯示，記錄歷史數(shù)據(jù)并分析各參數(shù)變化對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)施作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)的精確監(jiān)測(cè)，圖5所示為2016年1月10日（室外溫度為-3～-10℃）1#實(shí)驗(yàn)日光溫室內(nèi)24 h的空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、CO2濃度變化曲線。從圖5中可以看出，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)控，溫室內(nèi)溫度基本控制在15～25℃范圍內(nèi)，空氣濕度在50%～70%之間，均在草莓植株地上部分生長(zhǎng)的適溫范圍內(nèi)。草莓處于幼苗期時(shí)，土壤呼吸旺盛，群體光合較弱，且冬季日光溫室?guī)缀跆幱谌]狀態(tài)，因而溫室CO2水平較高，基本維持在500 ppm以上，未發(fā)生CO2虧缺，因此不需要進(jìn)行CO2施肥。

2.2 視頻監(jiān)控

相對(duì)傳感器數(shù)據(jù)而言，圖像和視頻（圖像序列）提供的農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)信息更加豐富和直觀。通過(guò)該系統(tǒng)中的高清視頻設(shè)備，將作物生長(zhǎng)情況以及病害發(fā)生情況的圖片信息通過(guò)無(wú)線橋網(wǎng)傳輸，為作物遠(yuǎn)程病蟲害診斷及環(huán)境信息采集控制系統(tǒng)提供有效的數(shù)據(jù)支持。相關(guān)專家可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)各地生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)與診斷，實(shí)現(xiàn)重大病蟲害的預(yù)防監(jiān)測(cè)，為最終實(shí)現(xiàn)全疆范圍內(nèi)規(guī)模化生產(chǎn)的基地聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)奠定基礎(chǔ)。溫室內(nèi)草莓生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像如圖6所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是提高溫室作物產(chǎn)量、減少勞動(dòng)力成本的關(guān)鍵技術(shù)，代表了溫室生產(chǎn)的核心競(jìng)爭(zhēng)力、融合了傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)通信以及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)被越來(lái)越多地應(yīng)用到溫室監(jiān)控領(lǐng)域[8-11]，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)利用手機(jī)短信、電子顯示屏、網(wǎng)站等多媒體發(fā)布低溫預(yù)警服務(wù)，并采用遠(yuǎn)程智能控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室定時(shí)加溫。由此可以看出，我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究廣泛深入，但應(yīng)用上總體處于試驗(yàn)示范階段，規(guī)模小且分散。

本研究以連棟日光溫室作為應(yīng)用對(duì)象，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了日光溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溫室內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和農(nóng)業(yè)管理的自動(dòng)化、智能化，同時(shí)，該物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)還能分析環(huán)境參數(shù)變化曲線，便于研究日光溫室不同作物的最適宜環(huán)境。該系統(tǒng)的投入運(yùn)行降低了日光溫室生產(chǎn)中人力、物力的投入，達(dá)到了節(jié)能增收的效果。

（a）空氣溫度、濕度變化曲線

（b）土壤溫度、濕度變化曲線

（c）CO2濃度變化曲線

參考文獻(xiàn)

[1]王浩，馬月虹，楊關(guān)勇，等.新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)區(qū)域布局及其生產(chǎn)功能區(qū)劃研究[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，51（12）：2328-2337.

[2]曲文濤，范思梁，吳存瑞.我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展存在的問(wèn)題及對(duì)策[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2010 （6）：151-152.

[3]楊英茹，郭利朋，岳趙寒，等.日光溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及問(wèn)題分析[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息， 2015（3）：50-51.

[4]閻曉軍，王維瑞，梁建平.北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式構(gòu)建[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012， 28（4）：149-54.

[5]鄒承俊，余攀.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能溫室關(guān)鍵技術(shù)研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5 （4）：33-35.

[6]秦琳琳，陸林箭，石春，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015， 46（3）：261-267.

[7]鄒承俊.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在蔬菜溫室大棚生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013，3（8）：18-21.

[8]梁居寶，杜克明，孫忠富.基于3G和VPN的溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2011，27（29）：139-144.

[9]韓毅，許春雨，宋建成，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].北方園藝，2016（9）：207-210.

[10]黎貞發(fā)，王鐵，宮志宏，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室低溫災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)及應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（4）：229-236.

[11]王向軍，劉志剛，李榮，等.日光溫室物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)研究——基于傳感器智能網(wǎng)絡(luò)操控系統(tǒng)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2014，36（8）：189-192.