基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日光溫室黃瓜智能灌溉控制系統(tǒng)研究

呂雄杰等

摘 要：采用無線傳感器采集溫室內(nèi)空氣溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度、光照強度等信息，利用無線傳輸協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動獲取、傳輸及控制。當(dāng)土壤水分傳感器監(jiān)測到土壤含水量低于設(shè)定閾值時，系統(tǒng)自動啟動電磁閥，進行滴灌作業(yè)，可實現(xiàn)黃瓜幼苗期、結(jié)果初期、結(jié)果盛期、結(jié)果后期智能灌溉控制，較常規(guī)滴灌作業(yè)節(jié)水15%～20%。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；日光溫室；黃瓜；智能灌溉控制

中圖分類號：S642.2 文獻標(biāo)識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.09.008

Abstract： This study used wireless sensors to collect air temperature， air humidity， soil humidity， soil temperature， concentration of carbon dioxide and intensity of illumination and realized the automatic obtainment， transmission and control of the data by using wireless transmission protocol .When the soil humidity was under the threshold， the system would start the magnetic valve and carry on drip irrigation operation. The intelligent irrigation control system could be used at the seedling stage， early-fruit stage， fruit stage and late-fruit stage. The results showd that the use of the system could save 15～20 percent water than ordinary drip irrigation operation.

Key words： internet of things； greenhouse； cucumber； intelligent irrigation control

物聯(lián)網(wǎng)是由多項信息技術(shù)融合而成的新型技術(shù)體系，被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮[1-2]。在美國、澳大利亞、法國、加拿大等一些國家，物聯(lián)網(wǎng)在大田糧食作物種植精準作業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測和灌溉施肥控制、果園生產(chǎn)不同尺度的信息采集和灌溉控制、畜禽水產(chǎn)精細化養(yǎng)殖監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和精細養(yǎng)殖等方面應(yīng)用廣泛[3]。2002年英特爾公司率先在俄勒岡州建立了第一個無線葡萄園，傳感器節(jié)點被分布在葡萄園的每個角落，每隔1 min檢測一次土壤溫度、濕度或該區(qū)域的有害物的數(shù)量以確保葡萄可以健康生長，進而獲得大豐收[4-5]；2007年美國Crossbow公司推出了一款叫eKo的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要應(yīng)用于精確農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)測等行業(yè)，可實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)環(huán)境的實時監(jiān)測，并實現(xiàn)智能灌溉、霜凍監(jiān)測和施肥驅(qū)蟲，從而達到節(jié)約資源的目的[3]。2008年，法國建立了較為完備的農(nóng)業(yè)區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，指導(dǎo)施肥、施藥、收獲等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程。荷蘭VELOS智能化母豬管理系統(tǒng)在荷蘭以及歐美許多國家得到廣泛應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)自動供料、自動管理、自動數(shù)據(jù)傳輸和自動報警。泰國初步形成了小規(guī)模的水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)，解決了RFID技術(shù)在水產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用難題。國內(nèi)主要在四大方面研發(fā)了一批系統(tǒng)，包括：田間環(huán)境土壤信息獲取、聯(lián)合收獲機自動測產(chǎn)、農(nóng)田作物產(chǎn)量空間差異分布圖自動生成和農(nóng)業(yè)機械作業(yè)監(jiān)控等大田糧食作物生產(chǎn)方面；設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集、發(fā)布、調(diào)控等設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面；在果園監(jiān)測、水肥控制、節(jié)水灌溉自動化等果園精準管理方面；養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控、健康養(yǎng)殖、畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖等。例如國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心成功研制了基于GNSS、GIS、GPRS 等技術(shù)的農(nóng)業(yè)作業(yè)機械遠程監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，可優(yōu)化農(nóng)機資源分配，避免農(nóng)機盲目調(diào)度。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)建立了蛋雞健康養(yǎng)殖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)[6-8]。迄今，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在中國還處于初期階段，尤其在設(shè)施農(nóng)業(yè)方面還主要停留在監(jiān)測與初步分析環(huán)節(jié)，主要包括監(jiān)測設(shè)施內(nèi)土壤溫濕度、CO2濃度等環(huán)境狀況，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)農(nóng)事操作，而其中存在的共同問題就是雖然利用了傳感器技術(shù)，但是采集到的數(shù)據(jù)主要還是一種展示或統(tǒng)計分析，沒有與相關(guān)控制設(shè)備進行聯(lián)動，沒有真正意義實現(xiàn)科學(xué)決策和智能控制[3]。

近年來，天津市設(shè)施種植業(yè)發(fā)展迅速，節(jié)能日光溫室面積已近2萬hm2，隨著溫室的升級改造，日光溫室所占比例逐步增大[9]。日光溫室是目前天津市冬春蔬菜生產(chǎn)的最重要設(shè)施之一。由于效益高、見效快，黃瓜生產(chǎn)面積迅速增加，目前已約占日光溫室總面積的1/3。黃瓜是需水量較大的蔬菜，因此，科學(xué)的水分管理是決定產(chǎn)量的關(guān)鍵。目前，日光溫室黃瓜的栽培基本還是沿襲以往的經(jīng)驗做法進行灌溉，不能對水分進行科學(xué)合理的利用與管理，不僅浪費水資源，而且還會導(dǎo)致日光溫室保護地病、蟲害發(fā)生和產(chǎn)量下降等問題[10]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可有效解決以上的黃瓜生產(chǎn)難題，利用土壤水分傳感器可實時監(jiān)測黃瓜栽培土壤的濕度現(xiàn)狀以及動態(tài)變化情況，為黃瓜節(jié)水高產(chǎn)栽培及日光溫室智能化管理提供參數(shù)及控制依據(jù)，進而實現(xiàn)節(jié)水灌溉自動化管理。

1 系統(tǒng)組成

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日光溫室黃瓜智能灌溉控制系統(tǒng)由環(huán)境信息采集系統(tǒng)、采集控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、執(zhí)行單元和監(jiān)控中心5個部分組成（圖1）。

1.1 環(huán)境信息采集系統(tǒng)

環(huán)境信息采集系統(tǒng)負責(zé)各類傳感器數(shù)據(jù)的采集控制（圖2），主要土壤含水量傳感器、土壤溫度傳感器、空氣溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、光照強度傳感器及安裝附件組成。環(huán)境信息采集系統(tǒng)所采集到的環(huán)境信息通過無線方式直接與采集控制器通訊，存儲并顯示。

1.2 采集控制系統(tǒng)

采集控制系統(tǒng)主要由核心控制器和相應(yīng)的繼電器控制電路組成。采集控制器是一款具有12路繼電器輸出、8路模擬量輸入和8路開關(guān)量輸入，具有良好的擴展性能。它可作為控制終端直接連接傳感器、繼電器以及電磁閥，實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集以及對調(diào)控設(shè)備的手動或自動控制。

功能特點：擴展RS485總線接口，可組成以控制器為中心的多級控制系統(tǒng)；支持遠程控制和參數(shù)設(shè)置功能，包括短信、GPRS網(wǎng)絡(luò)和無線電臺三種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，可作為二級網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場控制設(shè)備與中央計算機通信；控制灌溉時，可設(shè)置輪灌組，每個組可按時間或者傳感器上下限啟動；按時間啟動具有每天、單號、雙號、星期、自由5種啟動方式，每個輪灌組可設(shè)置7個啟動時間，并可選擇定時和周期兩種啟動方式；按傳感器啟動可設(shè)置啟停的上下限。

技術(shù)參數(shù)：12路繼電器輸出；8路電流/電壓量輸入；8路開關(guān)量輸入；2路RS485接口；2路232接口；支持20個輪灌組。

采集控制器通過串口服務(wù)器將485協(xié)議轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，然后再通過交換機與無線網(wǎng)橋連接，最終將采集端監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式傳回到監(jiān)控中心。

1.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)負責(zé)采集溫室生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)、植物生長狀態(tài)的視頻信息以及日光溫室內(nèi)的安全，所有圖像信息通過無線網(wǎng)橋傳輸，實現(xiàn)到主控機房的匯總、統(tǒng)一控制管理，并且能夠?qū)崿F(xiàn)圖像信息的遠程訪問；系統(tǒng)的應(yīng)用有助于管理人員及時跟蹤作物的生長情況，對作物生長的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行追蹤，及時發(fā)現(xiàn)并記錄作物的各種不良反應(yīng)，為作物遠程病蟲害診斷及環(huán)境信息采集控制系統(tǒng)提供有效的數(shù)據(jù)支持。

1.4 執(zhí)行單元

執(zhí)行單元由滴灌系統(tǒng)和電磁閥組成，負責(zé)接收監(jiān)控中心發(fā)來的指令，通過繼電器可以控制溫室內(nèi)電磁閥，實現(xiàn)遠程自動化灌溉。滴灌系統(tǒng)包括水源、首部樞紐、輸水管網(wǎng)（干管、支管、毛管、管件及閥門）。首部樞紐由過濾器、壓力表、控制閥、流量表等組成。輸水管網(wǎng)：由主管、支管組成，主管與支管垂直，主管多埋在地下，支管多鋪設(shè)在地面。滴灌管：按照做好的畦壟鋪設(shè)滴灌管，滴灌管孔距與株距相同，為30～35 cm，鋪好滴灌管后，覆蓋地膜。

1.5 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心由服務(wù)器、操作臺、視頻服務(wù)器及物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控軟件等組成。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控軟件，包括日光溫室環(huán)境信息監(jiān)測軟件及視頻監(jiān)控軟件，部署在監(jiān)控中心服務(wù)器上，可以匯總、分析采集得到的上述信息，實現(xiàn)對某項參數(shù)預(yù)警報警值的設(shè)置，當(dāng)監(jiān)測到的參數(shù)值超過設(shè)定的報警值時，系統(tǒng)會用不同的顏色標(biāo)注出來，以提醒管理人員進行相應(yīng)操作，并可以通過互聯(lián)網(wǎng)對外發(fā)布。軟件采用組態(tài)軟件開發(fā)，人機界面友好，操作簡單，可遠程對現(xiàn)場設(shè)備進行系統(tǒng)配置、功能配置，并可實時數(shù)據(jù)列表顯示、實時數(shù)據(jù)曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)下載、歷史數(shù)據(jù)列表顯示、歷史數(shù)據(jù)曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)分析等功能。

系統(tǒng)具備遠程數(shù)據(jù)發(fā)布功能（需要現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)條件），用戶只需錄入指定網(wǎng)址，通過電腦以及手機輸入密碼直接登錄，即可了解現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，并掌握整個系統(tǒng)的運行情況（圖3）。

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

項目合作單位天津市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，前期已經(jīng)開展了多年的日光溫室黃瓜不同水分處理試驗研究，在節(jié)水灌溉方面積累了豐富的經(jīng)驗，基本摸清了日光溫室黃瓜各個生長期（幼苗期、結(jié)果初期、結(jié)果盛期、結(jié)果后期）需水規(guī)律，提出了實現(xiàn)黃瓜高產(chǎn)高效的土壤水分管理對策。（1）幼苗期：這一時期不宜濕度過大，易造成幼苗徒長，當(dāng)土壤含水量小于田間持水量的60%時，每667 m2灌水6 m3；（2）結(jié)果初期：隨著植株的生長需水量有所增加，當(dāng)土壤含水量小于田間持水量的80%時，每667 m2灌水9 m3；（3）結(jié)果盛期：這一時期是黃瓜需水量最大的時期，當(dāng)土壤含水量小于田間持水量的90%時，每667 m2灌水12 m3；（4）結(jié)果后期：這一時期黃瓜需水量較結(jié)果盛期有所下降，當(dāng)土壤含水量小于田間持水量的80%時，每667 m2灌水9 m3。

以上研究成果為本系統(tǒng)的智能灌溉控制提供參數(shù)。遠程監(jiān)控中心由計算機和日光溫室黃瓜物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉控制系統(tǒng)軟件組成。計算機接收采集控制器發(fā)送的土壤含水量信息，與智能灌溉控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行分析、比對，從而形成灌溉策略，然后由監(jiān)控中心計算機將灌溉命令下發(fā)到采集控制器，由采集控制器直接控制電磁閥進行滴灌作業(yè)。

3 結(jié) 論

目前，該系統(tǒng)在天津市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)新基地天津市設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所11號日光溫室內(nèi)安裝使用，通過應(yīng)用取得三方面效果。（1）提高了日光溫室黃瓜精細化管理水平。自系統(tǒng)安裝以來每天24 h不間斷采集日光溫室環(huán)境參數(shù)與視頻信息，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全存儲與共享，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢與分析、灌溉智能控制，對溫室黃瓜灌溉與施肥決策等實現(xiàn)精確管理，每棚每茬口節(jié)省1個種植管理人工。（2）實現(xiàn)了黃瓜灌溉智能控制，提高了節(jié)水灌溉精度。以前都是通過研究灌溉制度的經(jīng)驗澆水，做試驗時采用張力計，需要科研人員每天去棚里監(jiān)測，看到張力計達到（灌溉設(shè)定的閾值）一定讀數(shù)后，開始灌水，精度差。例如，做3個處理：土壤含水量分別達到田間持水量70%，80%和90%時開始灌水。采用張力計，往往灌水的時間點不是準確的定位在田持的70%，而是67%或73%之類，影響試驗效果，耗費科研人員的時間和精力?，F(xiàn)在通過水分傳感器可以實時掌握土壤水分狀況，通過提前設(shè)定好的程序，開閉電磁閥可實現(xiàn)精準灌溉，經(jīng)測算本系統(tǒng)的應(yīng)用在保證黃瓜產(chǎn)量水平和品質(zhì)不降低的情況下，較常規(guī)滴灌系統(tǒng)節(jié)水15%～20%。（3）省時省力。以前科研人員管理1個日光溫室3個不同灌水量滴灌試驗，進行1次灌溉管理，需要依次開關(guān)小旁通閥90個，灌水時需要有專人盯著水表讀數(shù)，澆1次水至少需要1個科研人員3 h的時間。而應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后，僅需幾分鐘就能完成灌溉控制，大大降低了勞動強度，提高了勞動生產(chǎn)率。

參考文獻：

[1] 劉強，崔莉，陳海明.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[J].計算機科學(xué)，2010，37（6）：1-5.

[2] 趙湘寧. 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中關(guān)鍵技術(shù)研究進展[J].臺灣農(nóng)業(yè)探索，2011（6）：103-107.

[3] 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，2012，28（4）：149-154.

[4] 周小波. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)在線測控系統(tǒng)設(shè)[J].太原科技大學(xué)學(xué)報，2011，32（3）：182-185.

[5] 劉志良. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)園區(qū)的應(yīng)用[J]. 農(nóng)機科技推廣，2012（2）：48-49.

[6] 農(nóng)業(yè)部市場與經(jīng)濟信息司.國內(nèi)外農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀[EB/OL]. （2011-10-13）.http：//www.moa.gov.cn/sjzz/scs/gzjb/20111013_2356045.htm.

[7] 唐珂. 國外農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展及對我國的啟示[J].中國科學(xué)院院刊，2013（6）：700-707.

[8] 張民，陳鵬. 中國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)：現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及思考[J].中國科技投資，2012（9）：38-41.

[9] 黎貞發(fā)，李春，李寧，等. 天津市日光溫室低溫災(zāi)害特點及防御對策[J].中國蔬菜，2013（17）：6-9.

[10] 何華，杜社妮，梁銀麗，等. 土壤水分條件對溫室黃瓜需水規(guī)律和水分利用的影響[J].西北植物學(xué)報，2003，23（8）：1 372-1 376.