智能化測控平臺系統(tǒng)在溫室大棚中的應用研究

崔志強，田建平，劉 濤，李彩霞，劉龍兵，李迎鑫，王 興

（太原科技大學 計算機科學與技術學院，山西 太原 030024）

0 引 言

中國以占世界7%的耕地養(yǎng)活了幾乎占世界五分之一的人口，其中溫室大棚做出了不可磨滅的貢獻。溫室大棚的主要作用是種植一些反季節(jié)蔬菜和具有高經(jīng)濟價值的作物。雖然使用傳統(tǒng)的技術手段也取得了一定的成果，但是隨著人口數(shù)量的增加、耕地面積的減少，逐漸難以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求[1-5]。

傳統(tǒng)大棚中，農(nóng)作物若在早期出現(xiàn)問題而未被及時發(fā)現(xiàn)會產(chǎn)生十分嚴重的后果，因此種植人員要隨時觀察農(nóng)作物的生長趨勢，及時發(fā)現(xiàn)問題，準確做出決定[6-10]。但此種方式下觀察、記錄、測量農(nóng)作物數(shù)據(jù)的效率低、誤差大、勞動強度大。近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，科技水平不斷提高，智能技術與物聯(lián)網(wǎng)技術也越來越成熟，智能化測控平臺系統(tǒng)在溫室大棚中的應用也日漸廣泛[11-13]。相對于傳統(tǒng)溫室，智能溫室大棚可以通過傳感器精確識別農(nóng)作物的狀態(tài)并將數(shù)據(jù)上傳由上位機進行處理。相對于傳統(tǒng)溫室大棚的大水漫灌，智能溫室大棚可以根據(jù)土壤濕度精準、精確灌溉，大大減少了水資源的浪費，保護了環(huán)境，響應了國家節(jié)約水資源的號召，同時也更有利于農(nóng)作物的生長[14-15]。搭載有智能化測控平臺的大棚對農(nóng)作物的生長狀況能夠更進一步地把控，可以大大降低害蟲對農(nóng)作物的危害程度，減輕務農(nóng)人員的壓力，逐步向半無人化和無人化發(fā)展；同時也可以實現(xiàn)向買家透明化展示農(nóng)作物的生長環(huán)境。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)組成

智能化測控平臺系統(tǒng)由上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)兩大部分組成，上位機系統(tǒng)主要對傳感器收集到的信息數(shù)據(jù)進行管理和分析處理，并對下位機系統(tǒng)進行調(diào)控；下位機主要是由溫濕度傳感器、光照傳感器、氣體傳感器等傳感器組件以及視頻采集組件、LED 補光設備等組成，主要作用是將農(nóng)作物的數(shù)據(jù)傳送給上位機，并將對上位機傳下來的控制指令進行處理。主要的控制參數(shù)如下：

（1）溫濕度：不同種類的農(nóng)作物對溫濕度有著不同的要求，根據(jù)不同的農(nóng)作物種類設置不同的參數(shù)十分關鍵。

（2）土壤干燥程度：土壤過干會導致農(nóng)作物缺水，植株會變?nèi)酰狈盍?，葉片和新葉會枯萎、下垂、失去光澤。嚴重缺水時，葉子會變綠、變黃，甚至枯萎；而濕度過大會導致土壤含氧率較低，嚴重時會導致植物腐爛。

（3）營養(yǎng)物質(zhì)：氮素可促進葉面積增大；鉀肥既可促進葉面積增大，又能延緩葉片老化；磷在植物生長前期能夠增加葉面積，但在后期又會加快葉片的老化，對植物生長有直接影響。

1.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)重啟后上位機傳送指令給下位機，檢測是否有故障，若有故障則進行報警。根據(jù)系統(tǒng)識別模塊，并以作物的種植時間作為參考判斷農(nóng)作物的生長狀態(tài)，動態(tài)地調(diào)節(jié)所需要的光照、土壤濕度、土壤營養(yǎng)物質(zhì)等，以便保證農(nóng)作物的生長。工作流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)的硬件設計

智能化測控平臺系統(tǒng)的硬件部分主要是由溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器等多個傳感器以及換氣扇、水泵等組成?？傮w架構如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件架構

2.1 溫度模塊

溫度傳感器主要是采用NTC 溫度傳感器，它是由玻璃封裝的熱敏電阻。NTC 熱敏電阻阻值隨溫室大棚環(huán)境溫度的變化情況如圖3 所示，環(huán)境溫度高時其阻值小，溫度低時阻值大。該NTC 熱敏電阻具備體型小、重量輕、構造穩(wěn)固、精度高、熱感應速度快、穩(wěn)定性好、可靠性高、耐高溫等優(yōu)點。

圖3 NTC 熱敏電阻阻值隨溫度變化情況

2.1.1 溫度傳感器阻值隨溫度變化情況

NTC 熱敏電阻阻值隨溫度變化的公式如下：

式中：T為溫度；Rref為25 ℃時的標稱值；Tref取為25 ℃；β是熱敏電阻的關鍵參數(shù)。

2.1.2 不同農(nóng)作物種子萌發(fā)的溫度范圍

不同種類的農(nóng)作物對溫度的要求不同，根據(jù)不同的農(nóng)作物種類設置不同的溫度是保證農(nóng)作物正常生長的關鍵。不同農(nóng)作物種子萌發(fā)的溫度范圍見表1 所列。

表1 農(nóng)作物種子萌發(fā)的溫度范圍

2.2 濕度模塊

濕度模塊主要是根據(jù)土壤中的濕度來確定農(nóng)作物是否缺少水分，如果發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物缺少水分就應該及時進行智能灌溉，滿足農(nóng)作物對水的需求。當濕度傳感器檢測土壤中水分充足的時候就給灌溉系統(tǒng)一個停止供水的信號，從而實現(xiàn)灌溉系統(tǒng)的自動化，在不浪費水資源的情況下滿足了農(nóng)作物的需要。具體流程如圖4、圖5 所示。

圖4 當前濕度讀取流程

2.3 光照模塊

農(nóng)作物在每個生長階段都需要不同強度的光照，以實現(xiàn)植物的最佳發(fā)育。以“長日照植物”為例，它們是在日照時間較長時開花的植物，需要的光照時間應超過開花的臨界時間（通常是14 ～18 h）。因此，它們也被稱為“短夜植物”，如菠菜、蘿卜、芙蓉、小麥和生菜。另外，也有一些“短日照植物”，例如大豆、煙草、菊花、大麻、苜蓿等，它們需要的光照時間少于開花臨界時間（約8 ～12 h），且需要連續(xù)的黑暗時期（約14 ～16 h）才能開花，連續(xù)的黑暗時期對于其自身的生長至關重要，因此它們也被稱為“長夜植物”。不同的作物種類在不同的生長階段所需的光照強度都各不相同。通過識別模塊識別出農(nóng)作物的生長狀況，再經(jīng)過上位機的處理和分析后傳輸給光照模塊做進一步處理。若當前光照強度低于最佳適宜強度，則進行補光處理，反之進行遮光處理。

2.4 識別模塊

識別模塊是智能化測控平臺系統(tǒng)的“眼睛”，它將由多個監(jiān)控攝像頭收集到的信息與數(shù)據(jù)庫的信息進行對比，進而判斷出農(nóng)作物的生長狀態(tài)，當偏差值超過閾值時進行報警。具體流程如圖6、圖7、圖8 所示。

圖6 訓練神經(jīng)模型

圖7 獲得圖片進行分割

圖8 獲得作物當前生長狀態(tài)

2.5 灌溉模塊

灌溉模塊主要由蓄水池、水泵等組成。當傳感器檢測到土壤濕度和農(nóng)作物所需營養(yǎng)物質(zhì)濃度遠低于常規(guī)指標時，自動進行灌溉和施肥，實現(xiàn)一體化。同時當蓄水池營養(yǎng)物質(zhì)濃度低于閾值時自動添加營養(yǎng)物質(zhì)，如圖9 所示。

圖9 營養(yǎng)物質(zhì)濃度檢測流程

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計考慮到既要做到對大棚內(nèi)環(huán)境的精準監(jiān)測，又要保證其具有易于操作的特性，能將傳感器在大棚內(nèi)部收集到的信息準確地展示給用戶。軟件部分設計有監(jiān)控模塊、參數(shù)設置模塊、設備檢查模塊、生產(chǎn)日志模塊等。監(jiān)控模塊是將傳感器定期收集到的溫室大棚中農(nóng)作物的信息進行可視化展示，用戶可以通過此模塊清楚明了地了解到農(nóng)作物的生長狀況。參數(shù)設置模塊分為人工設置和智能設置兩種。智能設置是系統(tǒng)結合傳感器收集到的農(nóng)作物生長狀況數(shù)據(jù)與云數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行對比，并根據(jù)不同農(nóng)作物的不同生長周期進行更改。人工設置是指用戶可以對設置參數(shù)進行手動更改，若是設置的參數(shù)與云數(shù)據(jù)庫的記錄有較大出入則會進行提示。設備檢查模塊是在不同節(jié)點出現(xiàn)問題時進行記錄，并及時提示務農(nóng)人員。

系統(tǒng)軟件設計時采用快速編程方法，即軟件系統(tǒng)開發(fā)人員通過非編碼的方式進行測控軟件的開發(fā)，如圖10 所示。通過該方法，開發(fā)人員只須對設備的控制工藝流程進行處理，將其轉化為多步，使得每一步對應一個指令，并將指令封裝至按鈕當中，通過點擊對應的指令按鈕，即可完成編程，從而使非專業(yè)編程人員也能完成編程工作，解決了務農(nóng)人員不會編程的問題。

圖10 軟件拖拽編程

4 通信及測試

4.1 WiFi 通信

建立TCP 連接，指令為AT+CIPSTART。單路連接（+CIPMUX=0）時， AT+CIPSTART=，，。多路連接（+CIPMUX=1）時， AT+CIPSTART=，，， 。

連接成功，則返回：

如果連接已經(jīng)存在，則返回：

連接失敗，則返回：

4.2 測試數(shù)據(jù)

經(jīng)過測試，該系統(tǒng)有較高的使用價值，能夠使大棚內(nèi)的農(nóng)作物得到智能化監(jiān)測，可以在一定程度上提高務農(nóng)人員的工作效率。具體測試數(shù)據(jù)見表2 所列。

表2 測試數(shù)據(jù)

5 結 語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術、云計算技術以及新型IT 技術的發(fā)展，農(nóng)業(yè)種植也將逐漸走向智能化。智能化測控平臺具有可操作性強、操控簡單、易上手等諸多優(yōu)點。本文為解決傳統(tǒng)溫室大棚結構相對簡陋、缺乏技術含量、保溫能力差、生產(chǎn)效率低等問題，在傳統(tǒng)溫室大棚中應用了智能化測控平臺。測試結果表明，此種方式為務農(nóng)人員開展生產(chǎn)種植提供了極大的便利。