番茄大棚物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

燕佳惠，張 虎，2，許曉燕

（1.晉中信息學(xué)院，山西 太谷 030800；2.山西三鼎液壓制造有限公司，山西 榆次 030600；3.山西晉西集團(tuán)國(guó)營(yíng)利民機(jī)械廠，山西 太谷 030800）

0 引言

近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，種植技術(shù)的不斷更新和提高，溫室大棚在種植業(yè)上得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

番茄（西紅柿）作為一種營(yíng)養(yǎng)價(jià)值非常豐富的蔬菜，是餐桌上常見(jiàn)的美味，既是讓人食欲大開(kāi)的菜肴，又是營(yíng)養(yǎng)美顏的水果，不僅有酸酸甜甜的口感，而且還有圓潤(rùn)討喜的外形，一直以來(lái)都備受大家喜愛(ài)，因此番茄成為很多農(nóng)戶共同的種植選擇。近年來(lái)，番茄不僅在種植面積上不斷擴(kuò)大，規(guī)模也在不斷變大。不過(guò)種番茄容易，但要種出高品質(zhì)的番茄還得下一番功夫。溫室大棚中番茄種植，是在營(yíng)造的人為控制的環(huán)境中種植番茄，是一個(gè)系統(tǒng)性，多因素耦合控制的繁瑣過(guò)程，需要在番茄生長(zhǎng)的各階段中注意很多問(wèn)題[1-2]。

1 番茄生長(zhǎng)周期特點(diǎn)及生長(zhǎng)環(huán)境要求

番茄產(chǎn)量高，喜肥，需肥量大，全生長(zhǎng)期所需養(yǎng)分包括氮、磷、鉀、鈣、鎂、硼等。在熱帶地區(qū)，番茄屬多年生草本植物，而在溫帶地區(qū)，尤其是有霜地區(qū)，則屬于一年生植物，但是其生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程是一致的，基本可分為發(fā)芽、幼苗、開(kāi)花坐果和結(jié)果4 個(gè)過(guò)程，各過(guò)程階段、周期性顯著，其不同的生長(zhǎng)階段時(shí)期，有不同的溫濕度要求和需肥特點(diǎn)[2]。比如在開(kāi)花坐果前期，以枝葉生長(zhǎng)為主，需要大量的氮肥來(lái)滿足枝葉的生長(zhǎng)，但是結(jié)果后，枝葉基本長(zhǎng)足，以果實(shí)生長(zhǎng)為主，此階段氮肥量就需適當(dāng)減少，反而鉀肥需求量增長(zhǎng)。因此，要充分結(jié)合番茄生長(zhǎng)周期特點(diǎn)，在不同階段，施以不同種類和不同量的肥，以確保番茄健康優(yōu)質(zhì)的生長(zhǎng)[3]。

溫濕度在番茄發(fā)芽期有重要的作用，保證一定的土壤和環(huán)境溫濕度才能保證一定的發(fā)芽率，經(jīng)研究總結(jié)可知，番茄發(fā)芽合適溫度在15～30℃之間，需要保持所處土壤環(huán)境的濕度在40%以下，同時(shí)要保證所處外界環(huán)境的空氣流動(dòng)性和一定的空氣濕度，但在此期間所用肥料量甚微。在番茄發(fā)芽至成為幼苗期間，可適當(dāng)施肥，以滿足枝葉的生長(zhǎng)所需，但必須要考慮幼苗的承受能力，以防施肥量過(guò)多，燒傷幼苗根系。在育苗期如遇溫度驟降或雨水天氣等影響成活率的外因時(shí)，可施加一些抗病耐寒的藥劑[4]。

一般在番茄幼苗長(zhǎng)成后，在分苗定植時(shí)，一般都要覆膜，做到保溫保濕的作用，同時(shí)保證一定的澆水量，維持土壤的濕潤(rùn)，同時(shí)澆水時(shí)可適當(dāng)添加抗病耐寒藥劑和助壯素或矮壯素，以保證植株生長(zhǎng)[4]。

2 溫室大棚控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

溫室大棚發(fā)展至今，其建設(shè)水平隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展逐步提高，智能化的建設(shè)已是主流。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)的方式，來(lái)操作并實(shí)現(xiàn)智能溫室的相關(guān)因素的監(jiān)視和控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理或者無(wú)人化管理，助推著“智慧農(nóng)業(yè)”的發(fā)展。

2.1 多因素耦合綜合控制

溫室大棚環(huán)境，是人為參與影響下的多因素生態(tài)系統(tǒng)，其中各因素之間耦合性比較大，互相之間相互影響，比如控制溫度的同時(shí)，必將引起環(huán)境濕度的變化，因此在實(shí)際控制系統(tǒng)中，單因素的控制已經(jīng)很難滿足實(shí)際環(huán)境控制需求，現(xiàn)在大多采用比較成熟的多因素耦合控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)溫室大棚的環(huán)境控制要求[5]。

2.2 溫室控制模式智能化

隨著控制技術(shù)和控制算法的不斷更新，相應(yīng)的技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來(lái)越多，控制效果得到了很大的提升。北美、西歐、日本等農(nóng)業(yè)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家地區(qū)，在多因素耦合控制的基礎(chǔ)上，已將自適應(yīng)控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，預(yù)測(cè)控制等先進(jìn)算法應(yīng)用到了溫室大棚控制系統(tǒng)中，自動(dòng)化智能化水平顯著提升，溫室單位面積效益也得到了提升[6]。

2.3 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信息化

隨著傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及控制器技術(shù)的不斷發(fā)展，溫室控制系統(tǒng)也逐步向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，體現(xiàn)在立體式、層次式、綜合式以及開(kāi)放式，性能越來(lái)越多，使用者的體驗(yàn)?zāi)Ｊ揭捕鄻踊瑢?shí)現(xiàn)了分層，分級(jí)，分類化的溫室管理模式[7-8]。

2.4 溫室分布式控制系統(tǒng)

分布式控制系統(tǒng)是近幾年發(fā)展起來(lái)并推廣比較廣的一種控制系統(tǒng)，其適應(yīng)性好，擴(kuò)展能力強(qiáng)，可靠性高，便于用戶掌握和維護(hù)，已在農(nóng)業(yè)上進(jìn)行了使用[9]。分布式控制系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用分散控制和集中管理的設(shè)計(jì)思想，每一個(gè)終端都是一個(gè)獨(dú)立處理器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集運(yùn)算和控制，所有終端處理器的信息與上位機(jī)服務(wù)器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)分而自治和綜合協(xié)調(diào)的效果[10]。

3 番茄大棚控制系統(tǒng)的硬件選擇

番茄大棚生長(zhǎng)管理主要分為植株自身管理和大棚環(huán)境管理2 部分。植株自身管理主要針對(duì)植株生長(zhǎng)過(guò)程中的肥料管理，植株自身病蟲害管理和自身長(zhǎng)勢(shì)階段管理。大棚環(huán)境管理主要針對(duì)的是植株生長(zhǎng)環(huán)境。在番茄植株生長(zhǎng)過(guò)程中，要根據(jù)其生長(zhǎng)期和結(jié)果前后期對(duì)肥料的需求來(lái)決定施肥量及施肥種類，在本設(shè)計(jì)中，暫且不考慮土壤肥料元素的測(cè)控，只針對(duì)溫室大棚中的環(huán)境溫濕度、土壤溫濕度、光照及CO2進(jìn)行測(cè)控。

3.1 傳感器選擇

傳感器作為信息檢測(cè)和傳達(dá)的關(guān)鍵器件，是自動(dòng)控制環(huán)節(jié)中最重要的一環(huán)，其性能的高低直接影響控制精度的水平。結(jié)合前文描述，大棚中需選取環(huán)境溫濕度傳感器，土壤溫度水分傳感器，CO2檢測(cè)儀及光照傳感器。傳感器將環(huán)境參數(shù)傳輸至控制器，控制器結(jié)合預(yù)設(shè)值與傳感器傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，進(jìn)而控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作，或者將信息傳輸至管理員處進(jìn)行相應(yīng)的操作。

設(shè)計(jì)中選用KZWS/F2 常溫分體式溫濕度傳感器（圖1 所示），KZMS-10 土壤水分溫度傳感器（圖2 所示），這2 種傳感器都是高精度、高靈敏度的傳感器。環(huán)境溫濕度檢測(cè)傳感器利用氯化鋰電解質(zhì)感濕液依據(jù)當(dāng)量電導(dǎo)隨著溶液濃度的增加而下降的原理進(jìn)行環(huán)境濕度的測(cè)量。土壤水分溫度傳感器通過(guò)測(cè)量土壤的介電常數(shù)，直接穩(wěn)定地測(cè)量土壤水分的體積百分比。2 種傳感器的測(cè)溫范圍為-40～80℃，濕度范圍為0%～100%，均可輸出電流模擬量。

圖1 KZWS/F2 常溫分體式溫濕度傳感器

圖2 KZMS-10 土壤水分溫度傳感器

設(shè)計(jì)中選用OHR-MT20 CO2變送器（圖3 所示）和OHR-MT30 光照度變送器（圖4 所示），這2 種傳感器都為高精度低功耗傳感器，既能夠通過(guò)模擬信號(hào)變送輸出，也可以通過(guò)通訊輸出與控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸。

圖3 OHR-MT20 CO2變送器

圖4 OHR-MT30光照度變送器

3.2 控制器選擇

設(shè)計(jì)中選用的是繁易PLC 專用物聯(lián)模塊（圖5 所示），該模塊可通過(guò)以太網(wǎng)、2G、4G、WiFi等方式上網(wǎng)。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)模塊，支持PLC 程序的遠(yuǎn)程更新和在線調(diào)試，免除現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)的煩惱，操作簡(jiǎn)單方便。通過(guò)物聯(lián)模塊，可以接入繁易FlexCloud 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，隨時(shí)訪問(wèn)，實(shí)時(shí)查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能，且可在手機(jī)App、網(wǎng)頁(yè)、客戶端、微信端等多種軟件、平臺(tái)上訪問(wèn)?？刂破鲗鞲衅魉鶛z測(cè)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，把運(yùn)算結(jié)果輸出，控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作。

圖5 FL3-40MR-AC+FL3-4G

3.3 監(jiān)控端選擇

上述控制器描述中，通過(guò)繁易FlexCloud 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可在手機(jī)App、網(wǎng)頁(yè)、客戶端、微信端等多種軟件、平臺(tái)上訪問(wèn)設(shè)備狀態(tài)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，在本設(shè)計(jì)中，選用了FE6070W 觸摸屏作為監(jiān)控端，實(shí)現(xiàn)各種采集數(shù)據(jù)的顯示、各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制以及各數(shù)據(jù)報(bào)表的打印等，同時(shí)此觸摸屏也可通過(guò)以太網(wǎng)、2G、4G、WiFi 等方式上網(wǎng)。

3.4 硬件結(jié)構(gòu)搭建

將上述硬件進(jìn)行連接，如圖6 所示，傳感器連接至PLC 輸入端；PLC 與觸摸屏進(jìn)行通信連接，且因PLC 自帶物聯(lián)模塊，可插入4G 卡或連接WiFi 接入繁易FlexCloud 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，在平臺(tái)中進(jìn)行相關(guān)的頁(yè)面設(shè)計(jì)。

圖6 硬件結(jié)構(gòu)搭建

4 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)施效果

軟件設(shè)計(jì)主要涉及傳感器的數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換，在觸摸屏上顯示即時(shí)的數(shù)據(jù)；同時(shí)即時(shí)數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)比對(duì)結(jié)果，PLC 輸出端輸出相應(yīng)的執(zhí)行指令。土壤濕度檢測(cè)控制流程如圖7 所示。

圖7 土壤濕度檢測(cè)控制流程

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期在實(shí)驗(yàn)室中完成，所有傳感器信號(hào)與控制器之間能夠?qū)崿F(xiàn)有線傳輸，且能夠通過(guò)傳感器連接的無(wú)線發(fā)送和控制器連接的接收模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)傳輸?？刂破鹘邮招盘?hào)后，經(jīng)過(guò)軟件數(shù)據(jù)處理，可將實(shí)時(shí)信號(hào)傳至觸摸屏進(jìn)行顯示；同時(shí)在觸摸屏設(shè)置界面，將所預(yù)設(shè)值進(jìn)行設(shè)置后，進(jìn)入控制器，進(jìn)而通過(guò)運(yùn)算處理，控制器輸出端進(jìn)行相應(yīng)的輸出控制。在觸摸屏界面中，設(shè)置報(bào)警界面，在傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)值范圍時(shí)，報(bào)警界面顯示控制室同時(shí)輸出報(bào)警信號(hào)；在觸摸屏端設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，以便隨時(shí)查詢數(shù)據(jù)。觸摸屏綜合顯示溫濕度界面如圖8所示。

圖8 觸摸屏溫濕度顯示界面

5 總結(jié)展望

本文結(jié)合番茄生長(zhǎng)周期的環(huán)境需求和溫室大棚發(fā)展的現(xiàn)狀引出番茄大棚物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從傳感器、控制器及監(jiān)控端展開(kāi)了敘述。該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置集溫室大棚中相關(guān)信息的采集，是集控制器輸出、無(wú)線及有線通訊于一體的綜合性測(cè)控裝置，從監(jiān)控端既能獲得相關(guān)信息的即時(shí)數(shù)據(jù)，也能即時(shí)了解相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所處的狀態(tài)，操作簡(jiǎn)便，便于用戶掌握（如圖9所示），在溫室大棚數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備控制中有一定的推廣價(jià)值。

圖9 觸摸屏界面

由于本人學(xué)識(shí)水平有限，在設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中還存在一些不足，在今后學(xué)習(xí)和工作中，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用還要繼續(xù)深入研究，并在此設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在軟件設(shè)計(jì)控制中，真正實(shí)現(xiàn)多因素耦合控制，以達(dá)到更好的使用效果。