基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施及問題分析

楊英茹等

摘要 介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)實(shí)施內(nèi)容，指出了該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)實(shí)施中存在的問題，并提出了相應(yīng)的解決對策。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；日光溫室；遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：S126 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）08-329-03

設(shè)施農(nóng)業(yè)是我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，設(shè)施農(nóng)業(yè)中以日光溫室所占份額最高。但目前設(shè)施農(nóng)業(yè)普遍存在管理粗放、智能化水平低、占用大量勞動力的現(xiàn)狀，而且結(jié)構(gòu)簡易，環(huán)境控制能力低。如何以更加科學(xué)高效的模式對其進(jìn)行智能管理，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一[1-3]。隨著信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的推廣應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為農(nóng)業(yè)智能遠(yuǎn)程管理構(gòu)建了新的模式。該技術(shù)綜合了RFID無線射頻、無線傳感網(wǎng)絡(luò)以及Socket通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和農(nóng)業(yè)管理的自動化、智能化[4]。將物聯(lián)網(wǎng)與移動網(wǎng)絡(luò)以及 Internet相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對日光溫室的遠(yuǎn)程智能監(jiān)測與控制，對推進(jìn)現(xiàn)代智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著重要的實(shí)踐價(jià)值和推廣意義[5]。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)實(shí)施方案

該研究在現(xiàn)有日光溫室的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，并加裝遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，其整體設(shè)計(jì)實(shí)施方案如下。

1.1 日光溫室改造

1.1.1 日光溫室基礎(chǔ)條件。

日光溫室為北、東、西3面磚墻結(jié)構(gòu)，前坡面鋼筯骨架，上覆塑料棚膜，再上面覆蓋棉被（或）草苫。一般設(shè)上、下風(fēng)口，或僅設(shè)上風(fēng)口或僅設(shè)下風(fēng)口，但均靠人工拉繩帶動棚膜打開或關(guān)閉，或純?nèi)斯は崎_或關(guān)閉棚膜，即為打開或關(guān)閉風(fēng)口；草苫（或棉被）由十幾塊組成，由東向西或由西向東依次鋪開，卷放時靠人站在棚頂，對每塊草苫（或棉被）拉繩或放繩以卷起或放下；灌溉一般在東西設(shè)PVC主管道，在主管道上按種植作物的行開口，打開開關(guān)，順壟灌溉。

1.1.2 日光溫室改造目的。

日光溫室改造目的在于如何通過對日光溫室的硬件改造實(shí)現(xiàn)日光溫室硬件開關(guān)與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)接軌，最終實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對溫室內(nèi)硬件的遠(yuǎn)程自動控制。

1.1.3 日光溫室保溫被（或草苫）改造。

由原來的十幾塊組成改為由一塊組成，北部頂端進(jìn)行固定，南部底端固定在一根直徑12～16 cm的中空不銹鋼卷軸上，卷軸與自動卷簾機(jī)相連，自動卷簾機(jī)的電機(jī)可正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，就帶動卷軸將棉被（草苫）整個卷起或放下。

1.1.4 日光溫室風(fēng)口改造。

將整個日光溫室的棚膜設(shè)計(jì)為上、中、下3塊，上膜和中膜形成上風(fēng)口，上膜的下端用卷軸卷起，卷軸連接卷膜器，利用卷膜器通電后正反轉(zhuǎn)動帶動卷軸卷起或放下上膜，從而實(shí)現(xiàn)頂風(fēng)口的開或關(guān)。同理，中膜和下膜形成下風(fēng)口，中膜的下端用卷軸卷起，卷軸連接卷膜器，利用卷膜器通電后正反轉(zhuǎn)動帶動卷軸卷起或放下中膜，從而實(shí)現(xiàn)底風(fēng)口的開或關(guān)。

1.1.5 日光溫室灌溉系統(tǒng)改造。

改造后作物采用大小行種植，東西鋪設(shè)主管道，在主管道上按行間距安裝微噴帶，每條微噴帶鋪在小行中間，并兩旁起高壟蓋地膜。在主管道中間位置連接過濾器、吸肥器、潛水泵，潛水泵直接沉于蓄水池底部。潛水泵一經(jīng)通電，就可以將蓄水池中的水經(jīng)過濾輸送至主管道，再從主管道進(jìn)入微噴帶，微噴帶上的小孔將水分散形成細(xì)小的霧滴，噴射至空中，又被上面覆蓋的地膜引流至兩旁的根系，為植株提供水源。利用水泵通斷電實(shí)現(xiàn)膜下微噴灌溉的開啟或關(guān)閉。肥料可以通過吸肥器吸入管道，也可以在蓄水池中溶化直接由潛水泵吸入管道實(shí)現(xiàn)水肥一體化灌溉。灌溉方式也可以改為滴灌或其他，但支路的帶子鋪放形式也要隨之改變。

1.1.6 日光溫室其他改造。

其他改造如加裝補(bǔ)光燈，加裝電風(fēng)扇、補(bǔ)二氧化碳裝置等，改造后只要利用一根總線通電即可打開全部補(bǔ)光燈或打開電風(fēng)扇或打開補(bǔ)二氧化碳裝置等，就滿足了改造要求。

1.2 安裝日光溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

1.2.1 系統(tǒng)整體工作流程。

日光溫室中各采集點(diǎn)收集到各種傳感器數(shù)據(jù)，通過ASE接收實(shí)時溫室內(nèi)環(huán)境信息并顯示，利用有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)將上述數(shù)據(jù)上傳到綜合控制中心；綜合控制中心接收到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，形成決策指令，并通過大屏幕進(jìn)行顯示，管理人員可根據(jù)情況對溫室的控制設(shè)備進(jìn)行合理的調(diào)控；也可設(shè)定自動模式，系統(tǒng)將根據(jù)分析形成的決策指令自動控制棉被（或草苫）、風(fēng)口、灌溉、風(fēng)扇、補(bǔ)光燈等設(shè)備，對環(huán)境進(jìn)行智能化科學(xué)合理調(diào)控[7]。另外，監(jiān)控系統(tǒng)將視頻信息通過無線方式傳回到綜合控制中心，存儲并顯示，管理人員可通過軟件來控制攝像機(jī)，實(shí)時了解現(xiàn)場情況。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

1.2.2 具體實(shí)施系統(tǒng)。具體實(shí)施包括5大系統(tǒng)：環(huán)境信息采集系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、遠(yuǎn)程智能監(jiān)控軟件系統(tǒng)。

1.2.2.1 環(huán)境信息采集系統(tǒng)。

利用無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)，對溫室內(nèi)空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、土壤溫度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度進(jìn)行實(shí)時采集，采集得到的數(shù)據(jù)在現(xiàn)場可以實(shí)時顯示，并通過無線傳輸技術(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸并匯總到中控室[8]。

1.2.2.2 智能控制系統(tǒng)。

在溫室中安裝采集控制器，既能無線接收上述傳感器采集到的環(huán)境信息數(shù)據(jù)，同時控制系統(tǒng)與溫室改造后的卷放棉被（或草苫）的電機(jī)、上風(fēng)口的卷膜器、下風(fēng)口的卷膜器、微噴（或滴灌）的潛水泵、補(bǔ)光燈的總線、電風(fēng)扇的總線、補(bǔ)二氧化碳裝置的總線等相連，實(shí)現(xiàn)對溫室內(nèi)卷放棉被（或草苫），開關(guān)風(fēng)口，灌溉，開關(guān)補(bǔ)光燈、電風(fēng)扇、補(bǔ)二氧化碳裝置等設(shè)備的遠(yuǎn)程智能控制或在溫室內(nèi)控制柜按紐實(shí)現(xiàn)對其的自動控制。

1.2.2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

在溫室內(nèi)安裝1個高清視頻監(jiān)控?cái)z像頭，實(shí)現(xiàn)對溫室內(nèi)視頻圖像的實(shí)時采集，并將采集的視頻監(jiān)控信息利用無線傳輸?shù)哪Ｊ?，發(fā)送至中控室[9]。

1.2.2.4 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

環(huán)境信息參數(shù)、環(huán)境信息智能控制及視頻監(jiān)控均通過無線網(wǎng)橋進(jìn)行傳輸[10]。

1.2.2.5 遠(yuǎn)程智能監(jiān)控軟件系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)開發(fā)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控軟件系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)終端WEB版和手機(jī)使用終端3G版，系統(tǒng)的主要功能包括：實(shí)時顯示采集得到的數(shù)據(jù)；歷史數(shù)據(jù)保存；集成顯示實(shí)時視頻圖像；在中控室實(shí)現(xiàn)對溫室內(nèi)調(diào)控設(shè)備的遠(yuǎn)程控制操作。

2 現(xiàn)階段設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題

2.1 用戶接受度問題[11] 目前，各類基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施蔬菜生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)大量出現(xiàn)，但實(shí)際運(yùn)行和調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，在日光溫室生產(chǎn)中應(yīng)用十分有限，對日光溫室內(nèi)生態(tài)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測量大部分還停留在原始的方式，大量基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成果和產(chǎn)品只停留在科技示范階段，沒有應(yīng)用到最基層的生產(chǎn)中。

2.2 溫室硬件與遠(yuǎn)程自動化不匹配 在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，溫室硬件與遠(yuǎn)程自動化不匹配成為阻礙遠(yuǎn)程自動化系統(tǒng)推廣應(yīng)用的主要障礙，如開關(guān)風(fēng)口的卷膜器行程限位、棉被（或草苫）電機(jī)的行程限位控制不夠成熟，在實(shí)際操作中會出現(xiàn)卷膜、棉被（或草苫）等卷過位的情況[12]；一般溫室卷起或放下棉被后防止大風(fēng)刮起棉被常用多條繩子拉緊，如需遠(yuǎn)程卷起或放下棉被則還需現(xiàn)場有人先將繩子松開或最后再綁緊，不能實(shí)現(xiàn)完全遠(yuǎn)程自動控制[13]。

2.3 價(jià)格問題 目前，該系統(tǒng)平臺和相關(guān)設(shè)備成本費(fèi)用較高[15-16]，超出了用戶的實(shí)際承受范圍，而一般情況下農(nóng)產(chǎn)品的價(jià)格較低，嚴(yán)重阻礙了日光溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的大面積推廣應(yīng)用。

3 現(xiàn)階段設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展建議

3.1 開展技術(shù)培訓(xùn) 為解決基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日光溫室監(jiān)控系統(tǒng)認(rèn)知度問題，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和功能已經(jīng)逐漸完善的前提下，需要加大推廣力度，采用技術(shù)培訓(xùn)等方式，向農(nóng)戶普及先進(jìn)技術(shù)和推廣先進(jìn)設(shè)備，提高農(nóng)戶對新技術(shù)、新產(chǎn)品的認(rèn)知度[17]。

3.2 加強(qiáng)日光溫室硬件建設(shè) 加強(qiáng)日光溫室硬件建設(shè)，不斷使其與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)更加匹配，結(jié)合度更強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制，而不是示范性的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制，才能實(shí)現(xiàn)大面積的推廣和普及。

3.3 不斷降低成本[18] 優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，降低成本，采用技術(shù)成熟、國產(chǎn)化、成本較低的傳感器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，才能夠使系統(tǒng)的成本降低，使得該系統(tǒng)得到更廣泛的應(yīng)用。

3.4 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性 系統(tǒng)穩(wěn)定性是影響系統(tǒng)應(yīng)用效果的最大影響因素，實(shí)際生產(chǎn)中要求系統(tǒng)能夠適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的高溫、高濕等復(fù)雜環(huán)境[19]，所以加強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性建設(shè)，以實(shí)用和適用為原則，開發(fā)更加耐用、監(jiān)測和傳輸更加穩(wěn)定可靠、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的系統(tǒng)勢在必行[20]。

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