農(nóng)業(yè)大棚的智能化發(fā)展路徑探索

鄒玉婷，孫 波，許鑫豪，黃昌盛，古一弘，張 敏

（南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

現(xiàn)階段我國(guó)社會(huì)發(fā)展迅速，現(xiàn)代化水平日益提高，但農(nóng)業(yè)發(fā)展水平仍處在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)階段。我國(guó)利用溫室大棚的起步時(shí)間較發(fā)達(dá)國(guó)家晚，農(nóng)民大多是個(gè)體戶生產(chǎn)，制造的農(nóng)業(yè)大棚簡(jiǎn)陋，機(jī)械化水平低，缺乏智能化設(shè)施，調(diào)控能力差，農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量受到不可控因素的影響較多，例如農(nóng)民經(jīng)驗(yàn)、季節(jié)和天氣因素等，作業(yè)主要靠人力，基本沒有智能干預(yù)手段，并且農(nóng)業(yè)企業(yè)規(guī)模大多偏小，農(nóng)戶和農(nóng)業(yè)企業(yè)也未能形成良好合作[1]，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耗時(shí)耗力，農(nóng)民收入也因此受限。而美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已基本實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)種植的智能化、自動(dòng)化生產(chǎn)，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的智能控制系統(tǒng)，例如美國(guó)采用的融氣候調(diào)節(jié)、農(nóng)田灌溉為一體的智能溫室大棚，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制環(huán)境，通過智能化手段提高了農(nóng)業(yè)大棚的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)民數(shù)量仍在增長(zhǎng)，有必要對(duì)農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行智能化發(fā)展路徑探索，增加農(nóng)業(yè)資金投入[2]，擴(kuò)大農(nóng)戶和農(nóng)業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模，促成兩者之間的合作共贏[3]，提高大棚經(jīng)濟(jì)效益和農(nóng)民整體收入，促進(jìn)我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。

1 智能化對(duì)于農(nóng)業(yè)發(fā)展的推動(dòng)作用

1.1 提高農(nóng)業(yè)大棚的機(jī)械化水平

國(guó)內(nèi)大多農(nóng)業(yè)大棚為鋼管大棚，以農(nóng)民承包或是利用自家土地為主要擁有方式，大棚機(jī)械化水平低[4]，基本沒有智能手段介入，浪費(fèi)人力物力，管理效率低。而將智能化設(shè)施投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)由成套的電氣控制系統(tǒng)、全面的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和調(diào)控操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)大棚，自動(dòng)調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度、氣體濃度和土壤濕度等環(huán)境因子，可以極大程度減少勞動(dòng)力，減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)，提高管理效率，為農(nóng)場(chǎng)主爭(zhēng)取更多空暇時(shí)間進(jìn)行休閑娛樂或從事其他工作增加額外收入，甚至在城市快節(jié)奏生活的上班族也能擁有自己的農(nóng)場(chǎng)，在空閑時(shí)間種植、收割作物，不必?fù)?dān)心在工作日無暇管理大棚。例如：壽光市東斟灌村菜農(nóng)李某承包的農(nóng)業(yè)大棚安裝了卷簾、電機(jī)和傳感器等智能化設(shè)施之后，種棚生產(chǎn)方式發(fā)生徹底改變，以前一天至少要在大棚里工作6 h，現(xiàn)在基本全是自動(dòng)化控制，在外就可看顧大棚，省時(shí)省力，老菜農(nóng)們以前長(zhǎng)期在大棚里干活落下的膝關(guān)節(jié)疼、腰疼等職業(yè)病，也因智能化設(shè)施的投入得到很大程度的緩解。

1.2 增強(qiáng)農(nóng)業(yè)大棚對(duì)環(huán)境因子的調(diào)控能力

國(guó)內(nèi)大多農(nóng)業(yè)大棚基本只起一定的保溫作用，使用普通建設(shè)材料，如：塑料薄膜、玻璃和鋼材等，這些普通建設(shè)材料的抗災(zāi)能力和溫室調(diào)節(jié)功能很差，如今農(nóng)民使用最多的鋼管塑料大棚在冬天大棚內(nèi)溫度只比室外高幾度。控制系統(tǒng)中的通信技術(shù)，例如普遍運(yùn)用的485總線的有線方式在實(shí)際使用過程中存在許多問題，會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，維修較為費(fèi)力。二氧化碳?xì)怏w參與植物光合作用，若大棚內(nèi)二氧化碳含量不足會(huì)造成植物無法健康茁壯生長(zhǎng)，使農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量大打折扣，但是大多數(shù)大棚都未對(duì)氣體濃度進(jìn)行控制。近年來自然災(zāi)害對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和農(nóng)戶人身安全也造成了不可忽視的危害，國(guó)內(nèi)多數(shù)農(nóng)業(yè)大棚沒有對(duì)自然災(zāi)害進(jìn)行有效的防護(hù)。以上所述體現(xiàn)了國(guó)內(nèi)大棚對(duì)環(huán)境因子的調(diào)控能力不足，無法對(duì)多個(gè)環(huán)境因子進(jìn)行調(diào)控，調(diào)控缺乏實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，植物生長(zhǎng)受限，限制了大棚生產(chǎn)效率，使農(nóng)作物減產(chǎn)減收，影響農(nóng)民收入。而將智能化設(shè)施投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，采用多種參數(shù)控制并增加相應(yīng)調(diào)節(jié)裝置，使大棚對(duì)環(huán)境因子的調(diào)控更全面，具備更好的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確度，優(yōu)化農(nóng)作物生長(zhǎng)過程中的必備條件，使農(nóng)作物增產(chǎn)增收，從而提高農(nóng)場(chǎng)主收入。例如：在壽光市洛城街道的現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)科技園，智能化溫室大棚通過優(yōu)化蔬菜生長(zhǎng)的溫度、光照、濕度和氣體濃度等必備條件將8 hm2的智能化溫室年產(chǎn)量提升近3 000 t，對(duì)比以前普通的農(nóng)業(yè)大棚，現(xiàn)在一個(gè)智能化大棚年均利潤(rùn)可以達(dá)到30萬元。截至2021年，壽光市已建成1.6萬個(gè)智能化大棚，農(nóng)民每年直接增收5億元。

1.3 豐富農(nóng)業(yè)大棚種植品種的多樣性

國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)大棚主要用來種植時(shí)令蔬菜和水果，此類時(shí)令作物大多要等到市面上反季蔬菜和水果上市銷售之后才會(huì)成熟，因而價(jià)格低于反季節(jié)預(yù)先上市的蔬菜水果，農(nóng)民收入也往往因此受限。智能化溫室大棚可以實(shí)現(xiàn)春季蔬菜水果提前上市、秋季蔬菜采收期延后和冬季蔬菜生產(chǎn)，通過錯(cuò)開蔬菜生產(chǎn)季節(jié)來實(shí)現(xiàn)全年的蔬菜供應(yīng)。例如：魯山縣張良鎮(zhèn)灣張村新建了一座座智慧暖棚，大棚的承包戶紛紛認(rèn)為暖棚用上智能化設(shè)施后，干活輕松很多，大棚收入也增加不少，除了整地的時(shí)間，大棚基本一年四季都能夠種植蔬菜瓜果，四季大棚內(nèi)溫度適宜，冬季基本不會(huì)低于9°C，夏季基本在38°C以下，一年可以種兩茬至三茬，大棚能夠種植反季節(jié)蔬菜水果或是一些對(duì)環(huán)境因子要求較高的新品種，收益比原來高很多，比如農(nóng)民的智能大棚內(nèi)種植新品種甜瓜，再種一季蔬菜，畝產(chǎn)值一共可以在3.5萬元以上。

2 農(nóng)業(yè)大棚的智能化方案總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的智能大棚擁有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)控制、數(shù)據(jù)顯示和調(diào)節(jié)控制四大系統(tǒng)，將四大系統(tǒng)相互聯(lián)系，成套的電氣控制系統(tǒng)、全面的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和調(diào)控操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)大棚，自動(dòng)調(diào)節(jié)土壤濕度、氣體濃度和光線強(qiáng)度等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)接線

PLC外圍接線圖如圖2所示，AI模擬量輸入，I（DI）數(shù)字量輸入，Q（DO）數(shù)字量輸出，PLC型號(hào)S7-1200，CPU型號(hào)CPU1214C，模擬量輸入信號(hào)模塊SM-1231AI。

圖2 系統(tǒng)接線圖

2.3 系統(tǒng)建模

根據(jù)智能大棚的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，使用CAD、CAE技術(shù)在Soliworks中建立虛擬智能化農(nóng)業(yè)大棚。虛擬大棚由傳感器、風(fēng)機(jī)、墻燈和電機(jī)等裝置構(gòu)成，系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)模型圖

3 系統(tǒng)的裝置選型

3.1 前端

3.1.1 溫度傳感器

主要采用LM35模塊，工作電壓范圍為4～30 V，額定溫度范圍為-55～150°C，適用于遠(yuǎn)程應(yīng)用。LM35傳感器可以隨不同的溫度變化而產(chǎn)生不同的電壓，兩者之間關(guān)系為線性關(guān)系，每升高1°C，輸出電壓增加10 mV。

3.1.2 濕度傳感器

主要采用WHTM-02模塊，額定電壓為DC 5 V，濕度檢測(cè)范圍為20%～100%rh，精度為5%rh。依據(jù)不同的線性電壓輸出方式，可選擇0～5 V，或0～3.3 V輸出等。本實(shí)例中決定采用0～3.3 V的輸出，使輸出電壓與檢測(cè)I/O口匹配。

3.1.3 光照傳感器

主要采用BH1620FVC模塊，其本質(zhì)為環(huán)境光傳感器。該模塊采用小型貼片封裝，內(nèi)置開關(guān)功能，對(duì)輸出電流可進(jìn)行三級(jí)調(diào)壓。該產(chǎn)品耐溫范圍為-40～85°C，波長(zhǎng)為560 nm，輸出電流最大值為7.5 mA，供應(yīng)電壓為2.4～5.5 V，響應(yīng)時(shí)間在 45～128 μs之間，反應(yīng)速度快，符合要求。

3.1.4 一氧化碳傳感器

主要采用MQ-7模塊，其類型為氣敏材料二氧化錫（SnO）2的半導(dǎo)體氣體傳感器，檢測(cè)濃度在10～500 mg/L CO，輸出信號(hào)為電壓的變化量，范圍在2.5～4.3 V之間。在正式測(cè)溫前需要對(duì)其進(jìn)行加熱，時(shí)長(zhǎng)為60～90 s。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境下預(yù)熱時(shí)間不少于48 h。

3.1.5 二氧化碳傳感器

主要采用MH-Z14模塊，其具有響應(yīng)速度快、輸出方式多樣化和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，工作電壓為 4.5～5.5 V，使用溫度在 0～50°C，據(jù)其測(cè)量量程不同可分為0～2 000 mg/L或0～1%Vol。輸出電壓信號(hào)在0.4～2 V之間，對(duì)應(yīng)氣體濃度為0到滿量程。

3.1.6 煙霧傳感器

主要采用MQ-2煙霧檢測(cè)模塊，產(chǎn)品類型為半導(dǎo)體氣敏元件，探測(cè)范圍為300～10 000 mg/L。該產(chǎn)品需在預(yù)熱48 h后才可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件，加熱電壓為5 V，模擬量輸出為2.5～4 V電壓，濃度越高電壓越高。在過程中需要盡量做到防水，并且給予相對(duì)穩(wěn)定的電壓。

3.1.7 紅外傳感器

主要采用模塊SGXV02系列實(shí)現(xiàn)非接觸式溫度測(cè)量。儲(chǔ)存溫度為-40～125°C，檢測(cè)溫度為-30～100°C，測(cè)量精度約為0.1～0.3°C，在一定距離時(shí)，能檢測(cè)視野角為112°，相距5 cm的物體的溫度。其輸出為0～3.3 V電壓，熱電堆電阻在25°C的條件下在280～420 kΩ間選擇。

3.2 中端控制器

采用S7-1200型號(hào)，這是一款緊湊型、模塊化的PLC，可完成簡(jiǎn)單邏輯控制、高級(jí)邏輯控制、HMI和網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)[5]。CPU選擇CPU1214C，連接8個(gè)信號(hào)模塊與3個(gè)通信模塊，便于實(shí)現(xiàn)端到端的串行通信。

3.3 建設(shè)材料

以新型覆蓋材料聚碳酸脂板（PC板）作為建設(shè)材料，比普通的建設(shè)材料有更好的抗災(zāi)能力和溫室調(diào)節(jié)能力。

4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于設(shè)計(jì)的PLC運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，整體的運(yùn)動(dòng)思路為：控制器、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)，由控制器驅(qū)動(dòng)使電機(jī)執(zhí)行，人機(jī)交互（HMI）采用的是KP300界面，控制器采用的S7-1200的PLC。人機(jī)交互面板的數(shù)據(jù)通過PROFINET以太網(wǎng)的方式與CPU連接。

4.1 系統(tǒng)控制過程

傳感器采集數(shù)據(jù)通過電信號(hào)傳輸至PLC模塊，經(jīng)PLC模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)傳輸至電腦端顯示器顯示，同時(shí)反饋到調(diào)控操作系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)作，針對(duì)不同環(huán)境因子的具體調(diào)控過程如下。

4.1.1 光照

使用光照傳感器采集相應(yīng)的光照信息，當(dāng)大棚內(nèi)部光照傳感器檢測(cè)到室內(nèi)光照強(qiáng)度低于設(shè)定的最低值，輸出打開燈光系統(tǒng)指令，對(duì)植物光合作用進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)時(shí)檢測(cè)對(duì)比大棚內(nèi)外光照強(qiáng)度，當(dāng)大棚外光照強(qiáng)度滿足設(shè)定最低值，輸出關(guān)閉大棚內(nèi)燈光系統(tǒng)指令，在外部光照減弱時(shí)再次進(jìn)行啟動(dòng)。該補(bǔ)償能提高植物的光合作用效率等。

4.1.2 濕度

使用濕度傳感器分散化采集土壤濕度變化，當(dāng)大棚內(nèi)部濕度低于系統(tǒng)設(shè)定最低濕度值，輸出打開噴淋系統(tǒng)指令，通過淋灑清水來增加土壤的濕度，并在持續(xù)噴灑3 min后自動(dòng)輸出關(guān)閉指令。該補(bǔ)償能在部分干旱地區(qū)中一定程度上有效防止旱災(zāi)等。

4.1.3 溫度

使用溫度傳感器采集大棚內(nèi)部相應(yīng)的溫度變化信息，當(dāng)大棚內(nèi)溫度低于設(shè)定的最低值，則使卷簾機(jī)放下簾子。通過釋放卷簾，加強(qiáng)大棚的隔熱性，從而可以適當(dāng)提高大棚內(nèi)總體溫度。同時(shí)對(duì)大棚內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)大棚外溫度滿足設(shè)定最低值時(shí)，依靠外部條件也能保持相對(duì)恒定的溫度，則輸出拉起卷簾的指令。

4.1.4 氣體CO2

使用二氧化碳傳感器采集大棚內(nèi)部氣體比例信息，當(dāng)大棚內(nèi)部氣體CO2比例高于或低于外部氣體比例時(shí)，發(fā)出打開鼓風(fēng)機(jī)指令，通過鼓風(fēng)機(jī)換風(fēng)，并在檢測(cè)內(nèi)外比例相近或鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)持續(xù)10 min后發(fā)出關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)指令，可適當(dāng)進(jìn)行人工干預(yù)調(diào)整（比如棚內(nèi)燃燒燃料等）。

4.1.5 氣體CO

使用一氧化碳傳感器檢測(cè)相應(yīng)氣體，判斷棚內(nèi)CO濃度高于設(shè)定值時(shí)，打開CO濃度過高警報(bào)，發(fā)出啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)指令進(jìn)行換風(fēng)，輸出打開噴淋系統(tǒng)指令，噴灑NH3溶液，并在檢測(cè)室內(nèi)氣體比例低于額定范圍后或鼓風(fēng)機(jī)持續(xù)10 min后發(fā)出關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)指令。該指標(biāo)過高存在一定的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，也可對(duì)災(zāi)難預(yù)警有一定參考價(jià)值。

4.1.6 紅外煙霧

使用紅外與煙霧報(bào)警器檢測(cè)相應(yīng)指標(biāo)，當(dāng)紅外溫度與煙霧指標(biāo)任一一個(gè)值達(dá)到預(yù)警線后，隨機(jī)發(fā)出打開消防噴淋系統(tǒng)指令，并使火災(zāi)警報(bào)指示燈閃爍。為保證大棚整體安全，該報(bào)警指令只能手動(dòng)結(jié)束警報(bào)。

4.2 控制界面設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的交互界面能與輸入輸出端共同聯(lián)系，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的檢測(cè)值，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。將前端傳感器反饋的溫度、濕度和光照強(qiáng)度值顯示于相應(yīng)的實(shí)時(shí)顯示框中，并且與設(shè)置的最低值相對(duì)應(yīng)。若實(shí)時(shí)值超出所設(shè)置范圍，則PLC發(fā)出對(duì)應(yīng)指令，同時(shí)在顯示器上相應(yīng)的調(diào)節(jié)燈由綠變紅。若產(chǎn)生CO過高或者出現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警等情況，則對(duì)應(yīng)指示燈變紅，同時(shí)發(fā)出警報(bào)聲進(jìn)行提醒。最后，對(duì)后端發(fā)生動(dòng)作后，界面上的顯示燈由綠變紅，執(zhí)行結(jié)束后變綠。同時(shí)，為了能更好地對(duì)比分析數(shù)據(jù)，防止外部條件達(dá)到設(shè)定范圍，足以使大棚內(nèi)條件保持一定水準(zhǔn)，而內(nèi)部依舊進(jìn)行補(bǔ)償造成能源浪費(fèi)的狀況，采用內(nèi)外2個(gè)傳感器的檢測(cè)模式形成數(shù)據(jù)對(duì)比，以此更精準(zhǔn)地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行打開與關(guān)斷，防止無用補(bǔ)償情況的發(fā)生。

為適應(yīng)不同農(nóng)作物所需的生長(zhǎng)條件，本設(shè)計(jì)采用了2套設(shè)置模式，分別為自動(dòng)模式與手動(dòng)模式。自動(dòng)模式即為設(shè)定不同的農(nóng)作物，根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)條件的普適性，采用系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的相應(yīng)參數(shù)，在規(guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)界面如圖4所示。手動(dòng)模式是為應(yīng)對(duì)各個(gè)地方農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的差異，從而允許人們進(jìn)行手動(dòng)參數(shù)設(shè)置，以滿足生長(zhǎng)的獨(dú)特性，設(shè)計(jì)界面如圖5所示。

圖4 自動(dòng)模式視圖

圖5 手動(dòng)模式視圖

5 數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)

5.1 數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

傳感器采集數(shù)據(jù)通過電信號(hào)傳輸至PLC模塊，經(jīng)PLC模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)傳輸至電腦端顯示器顯示，電腦端顯示數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)共享（Teamviewer等）顯示到手機(jī)上。

5.2 數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)的作用

農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)雖然有著一定的保護(hù)設(shè)施，但由于保護(hù)設(shè)施簡(jiǎn)陋，自然災(zāi)害近年來也頻頻發(fā)生，對(duì)產(chǎn)量、效益的提高和人身安全的危害極大，但是調(diào)研發(fā)現(xiàn)大多數(shù)大棚都未對(duì)自然災(zāi)害進(jìn)行較為有效的防護(hù)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)可以讓農(nóng)場(chǎng)主不在大棚附近也能時(shí)時(shí)刻刻對(duì)大棚里的情況了如指掌，萬一發(fā)生緊急自然災(zāi)害，能夠第一時(shí)間知曉并且付諸行動(dòng)，數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)的作用再加上PLC控制系統(tǒng)對(duì)自然災(zāi)害做出的應(yīng)急措施，可大大減少大棚農(nóng)作物因自然災(zāi)害產(chǎn)生的損失，提高農(nóng)場(chǎng)主收入。

6 結(jié)束語

農(nóng)業(yè)大棚的智能化發(fā)展路徑探索，能夠提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，及時(shí)有效地對(duì)大棚內(nèi)多個(gè)環(huán)境因素進(jìn)行調(diào)控，保證農(nóng)作物健康生長(zhǎng)，并且一定程度減少災(zāi)害帶來的損失，極高的自動(dòng)化程度減少人力，即使農(nóng)場(chǎng)主平日忙于其他工作無暇顧及農(nóng)場(chǎng)也能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控使農(nóng)作物茁壯成長(zhǎng)，上班族也能夠擁有自己的大棚。智能化的農(nóng)業(yè)大棚不僅可以使農(nóng)場(chǎng)主擁有更多空閑時(shí)間，還可增加農(nóng)場(chǎng)主的額外收入，對(duì)于提高我國(guó)農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)力和現(xiàn)代化水平具有重要意義。