物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能連棟溫室中的應(yīng)用研究

王 瑞，吳樂天，孫小麗，史慧鋒

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)工程與裝備工程技術(shù)研究中心；3.農(nóng)業(yè)部林果棉與設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站；4.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程公司）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能連棟溫室中的應(yīng)用研究

王 瑞1,3，吳樂天2,4，孫小麗1,2，史慧鋒3

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)工程與裝備工程技術(shù)研究中心；3.農(nóng)業(yè)部林果棉與設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站；4.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程公司）

針對現(xiàn)有溫室管理過程中出現(xiàn)的人為因素干擾和粗獷管理模式帶來的諸多問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，對作物生長環(huán)境進(jìn)行精細(xì)化的智能管理，精確控制溫室內(nèi)溫度、濕度、光照等環(huán)境因素，營造農(nóng)作物生長的最佳環(huán)境，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)溫室作物生產(chǎn)精細(xì)化、智能化、多功能的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室種植模式。

物聯(lián)網(wǎng)；智能連棟溫室；傳感器；控制器

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是信息感知、數(shù)據(jù)傳輸與信息處理三大子領(lǐng)域相互融合的產(chǎn)物，物聯(lián)網(wǎng)綜合了傳感器技術(shù)、無線傳感網(wǎng)技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、無線通信技術(shù)及信息處理技術(shù)，極大地?cái)U(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)的功能和認(rèn)知世界的能力。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具備全面感知、可靠安全、智能處理等幾大特征，且具有組網(wǎng)維護(hù)便利、成本低廉、數(shù)據(jù)可靠、處理量大等優(yōu)點(diǎn)。在物流產(chǎn)業(yè)、交通運(yùn)輸、醫(yī)療器械以及銷售管理等系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，本文介紹的是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代溫室的自動(dòng)灌溉、保溫、施肥、降溫和補(bǔ)光等設(shè)施設(shè)備的管理中。

試驗(yàn)溫室為新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所2012年建設(shè)的智能連棟溫室，占地面積約800 m2，溫室骨架采用熱鍍鋅組裝式鋼架，跨度9.6 m，2跨，屋頂采用小尖頂Venlo型結(jié)構(gòu)，溫室總高度6.8 m（含外遮陽），尖頂高6.3 m，天溝高5.5 m，溫室長44 m，開間4 m，11個(gè)開間。屋面配備排水槽和集露槽，以便排出雨雪水。溫室四周采用中空玻璃覆蓋，頂部采用單層玻璃，密封和保溫性能好。

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對外遮陽、內(nèi)遮陽保溫系統(tǒng)、濕簾/風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)降溫系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)、植物補(bǔ)光系統(tǒng)、二氧化碳發(fā)生系統(tǒng)和節(jié)水灌溉系統(tǒng)等進(jìn)行智能化的調(diào)控，克服了溫室管理過程中出現(xiàn)的人為因素干擾和粗獷管理模式，通過傳感器技術(shù)對溫室環(huán)境實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測和云端共享，對連棟溫室中內(nèi)外遮陽系統(tǒng)、降溫系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)等設(shè)施和裝備實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化智能控制，為作物提供了最佳的生長環(huán)境，同時(shí)解放了勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了溫室作物精細(xì)化生產(chǎn)和智能化管理。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所智能連棟試驗(yàn)溫室，以實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)施監(jiān)測和自動(dòng)控制。該系統(tǒng)由異地訪問終端、數(shù)據(jù)輸出中心和農(nóng)業(yè)應(yīng)用、監(jiān)測與控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸和現(xiàn)場感知控制技術(shù)五大內(nèi)容構(gòu)成（表1）。

試驗(yàn)溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中現(xiàn)場感知和控制網(wǎng)絡(luò)采用WSN技術(shù)實(shí)現(xiàn)，包括網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)和控制器節(jié)點(diǎn)，大量無線節(jié)點(diǎn)通過隨機(jī)或固定部署的方式分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，以自組形式形成無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再傳輸?shù)皆品?wù)端，經(jīng)過云服務(wù)端綜合計(jì)算處理，然后將控制命令發(fā)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，最后傳到控制節(jié)點(diǎn)執(zhí)行控制命令。

1.1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通常由嵌入式處理器、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和無線通訊模塊組成，如圖1。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)的處理能力、存儲能力和通訊能力，網(wǎng)關(guān)連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與云服務(wù)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，把收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云服務(wù)端或者將云端指令發(fā)到現(xiàn)場控制器。網(wǎng)關(guān)處理器通常采用ARM系列處理器，通常采用C語言開發(fā)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)既可以是一個(gè)有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，也可以是一個(gè)沒有監(jiān)測功能的僅具備網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換功能的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

圖1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意

1.2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型嵌入式系統(tǒng)，如圖2。傳感器節(jié)點(diǎn)主要由信號轉(zhuǎn)換模塊、處理器模塊、無線通訊模塊和電源管理模塊組成。信號轉(zhuǎn)換模塊與傳感器一起將傳感器的物理信號轉(zhuǎn)換為可處理的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理器模塊處理后，通過無線通訊模塊將數(shù)據(jù)報(bào)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)通常有能量有限的電池供電且采用低功耗低成本設(shè)計(jì)，因此傳感器節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱。處理器通常采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，如51、AVR系列單片機(jī)，開發(fā)語言通常采用C語言。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意

1.3 控制器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

控制器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型嵌入式系統(tǒng)，通常由無線通訊模塊、處理器模塊和控制通訊模塊組成。

圖3 控制器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意

云端的控制指令通過無線通訊模塊傳到處理模塊，經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后，通過RS485或者CAN轉(zhuǎn)發(fā)到PLC（或者其他繼電器控制板）執(zhí)行；同時(shí)將PLC執(zhí)行狀態(tài)經(jīng)過轉(zhuǎn)換，通過無線通訊模塊轉(zhuǎn)發(fā)到云端（圖3）?？刂铺幚砥魍ǔ２捎脝纹瑱C(jī)設(shè)計(jì)，如51、AVR等，開發(fā)語言通常采用C語言開發(fā)。

2 系統(tǒng)布局設(shè)置

2.1 節(jié)點(diǎn)分布

該系統(tǒng)采用WSN技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場感知和控制網(wǎng)絡(luò)，將網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)三大系統(tǒng)整合成一條通訊路線，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)固定部署大量無線節(jié)點(diǎn)，以自組形式形成無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳到至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再通過云服務(wù)端綜合計(jì)算處理，將控制指令反饋回各個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，最后由控制節(jié)點(diǎn)執(zhí)行控制指令，從而實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)平臺的整體運(yùn)行。

2.2 傳感器布點(diǎn)

為了實(shí)現(xiàn)對溫室內(nèi)溫度、濕度、光照等環(huán)境因子的精確控制，將環(huán)境監(jiān)測傳感器合理布局，在溫室內(nèi)作物的生長區(qū)20 m×44 m內(nèi)，分別設(shè)置2個(gè)溫度、濕度傳感器，溫、濕度傳感器間隔20 m，放置高度約為1.5 m左右為宜；在溫室內(nèi)均布4個(gè)光照傳感器和4個(gè)二氧化碳傳感器。為了對比室內(nèi)外氣象條件的變化，同時(shí)在溫室外20 m內(nèi)沒有遮擋物的地方架設(shè)一座溫室專用室外氣象站，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測溫室外溫、濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向及雨雪情況。各傳感器在溫室內(nèi)的分布如圖4。

圖4 傳感器分布

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過GPRS融入到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)并上傳至云端，從而完成了數(shù)據(jù)的整個(gè)采集過程。根據(jù)室內(nèi)外氣候變化情況設(shè)計(jì)編寫相應(yīng)的控制程序，通過無線通訊模塊與單片機(jī)連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息通訊，實(shí)現(xiàn)對溫室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制。

3 應(yīng)用效果

3.1 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測

該系統(tǒng)通過空氣溫度傳感器、濕度傳感器、光照、二氧化碳傳感器、室外風(fēng)速、風(fēng)向傳感器等六要素的環(huán)境感知平臺，將溫室內(nèi)外的溫濕度、光照、風(fēng)速、風(fēng)向、二氧化碳等數(shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)曲線的方式顯示出來，記錄歷史曲線并分析各參數(shù)變化對作物生長的影響，實(shí)現(xiàn)對設(shè)施作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)的精確監(jiān)測，圖5為溫室內(nèi)8點(diǎn)～0點(diǎn)的溫室和濕度變化情況，從圖中可以看出：在12時(shí)～20時(shí)之間通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)高溫在25℃～32℃的自動(dòng)調(diào)控，溫室內(nèi)濕度控制在37%～55%的作物最佳生長范圍內(nèi)。

圖5 溫室內(nèi)溫度、濕度變化監(jiān)測曲線

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控

通過無線傳感器裝置的遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對溫室相關(guān)參數(shù)的信息采集、存儲、顯示、無線轉(zhuǎn)發(fā)；通過云端的自動(dòng)化邏輯指令控制，實(shí)現(xiàn)了對溫室的遠(yuǎn)程操作和溫室環(huán)境設(shè)備的自動(dòng)控制，在特殊情況下也可以通過手機(jī)客戶端對溫室灌溉、開窗、通風(fēng)、遮陽、補(bǔ)光等設(shè)備進(jìn)行調(diào)控操作，實(shí)現(xiàn)對作物生長環(huán)境的溫、濕、光、氣等因素的標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)控。

3.3 視頻監(jiān)控和專家診斷

通過該系統(tǒng)中360°無死角的高清視頻設(shè)備，將作物生長情況以及病害發(fā)生情況通過3G網(wǎng)絡(luò)連入互聯(lián)網(wǎng)平臺（圖6），通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息至設(shè)施生產(chǎn)管理專家，通過專家系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)平臺無縫對接，相關(guān)專家可以通過互聯(lián)網(wǎng)對各地生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)與診斷，實(shí)現(xiàn)重大病蟲害預(yù)防監(jiān)測，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)測平臺提供條件。

表1 溫室系統(tǒng)方案構(gòu)成

圖6 高清視頻監(jiān)測及專家診斷平臺

4 結(jié)論

（1）新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所的智能連棟溫室采用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，溫室中外遮陽、內(nèi)遮陽保溫系統(tǒng)、通風(fēng)降溫系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)等設(shè)備全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了溫室內(nèi)環(huán)境的精細(xì)化調(diào)控和監(jiān)測。

（2）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代化智能溫室中的應(yīng)用改變了粗放的農(nóng)業(yè)經(jīng)營管理方式，一座800 m2的溫室僅由一個(gè)管理人員管理，徹底解放了勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)智能溫室的高效生產(chǎn)管理，將信息技術(shù)完美的應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

（3）該系統(tǒng)提高了植物病蟲害防控能力，確保了農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全，是改善設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)手段、提高設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)水平的有益嘗試,同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在日光溫室群等設(shè)施環(huán)境中也具有良好的應(yīng)用前景。

[1]陳靜.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在日光溫室大棚中的應(yīng)用研究[J].科技信息，2012,(36):578～579.

[2]歐亞軍.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在溫室大棚中的應(yīng)用研究[J].軟件導(dǎo)刊，2013,12(11):143～145.

[3]郭清華.蔬菜大棚智能溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(11):4487～4488.

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.03.015

S126

：A

1007-7782（2015）03-0033-03

2015-5-20

自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（201211114）；烏魯木齊市科技局項(xiàng)目（H131222001）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201203002）；新疆維吾爾自治區(qū)科技計(jì)劃（201130104）；自治區(qū)工程技術(shù)研究中心組建項(xiàng)目；新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（xjnkkl-2013-002）

史慧鋒