基于物聯(lián)網(wǎng)的精密溫室環(huán)境管控系統(tǒng)研究

陰國(guó)富　朱創(chuàng)錄

摘要：通過(guò)構(gòu)建無(wú)線WiFi網(wǎng)絡(luò)，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一控制，建立一套適用于精密溫室內(nèi)農(nóng)作物栽培的環(huán)境與營(yíng)養(yǎng)液監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，包括精密溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與無(wú)線傳輸、生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警發(fā)布、遠(yuǎn)程控制等。試驗(yàn)田應(yīng)用表明，該系統(tǒng)管理簡(jiǎn)便、控制精準(zhǔn)，對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化，綜合型植物工廠可實(shí)現(xiàn)大面積管控。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；傳感器；精密溫室；監(jiān)控；農(nóng)作物；無(wú)線傳輸

中圖分類(lèi)號(hào)： TP277.2；S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2015）10-0491-03

隨著信息通訊技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)（internet of things）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)可使物體與網(wǎng)絡(luò)連接，相互溝通，人們可在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間對(duì)這些物體進(jìn)行監(jiān)控或基于這些物體所反饋的信息提供服務(wù)。精密溫室環(huán)境管控系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以為管理者簡(jiǎn)便、實(shí)時(shí)獲取精密溫室內(nèi)的狀況，并以此為基礎(chǔ)使管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，使設(shè)備擴(kuò)充更為容易。陜西省渭南市地處我國(guó)西部、關(guān)中平原東部，農(nóng)業(yè)資源相對(duì)緊張，適合密集化精細(xì)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)，目前已形成大規(guī)模的草莓生產(chǎn)基地；但長(zhǎng)期以來(lái)草莓生產(chǎn)處于粗放式管理，若能運(yùn)用精確灌溉技術(shù)，如利用蒸發(fā)量、重量變化和蒸汽壓差等配合自動(dòng)化灌溉設(shè)備決策灌溉，不但可以提高草莓的質(zhì)量，而且通過(guò)統(tǒng)一精細(xì)化管理，草莓果品質(zhì)量的一致性也可得到保證。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的植物工廠模式

“植物工廠”廣義是指在一定生產(chǎn)管理下全年無(wú)休的植物生產(chǎn)系統(tǒng)，而狹義是指在完全人工環(huán)境下全年無(wú)休的植物生產(chǎn)系統(tǒng)，主要目的皆是使植物生產(chǎn)能達(dá)到全年的穩(wěn)態(tài)量產(chǎn)。植物工廠依照其光源利用方式一般可分為太陽(yáng)光利用型、完全控制型與綜合型3大類(lèi)[1]。

太陽(yáng)光利用型植物工廠使用日光為光源，外部結(jié)構(gòu)由玻璃或塑料材質(zhì)構(gòu)成，屋頂具有遮陽(yáng)網(wǎng)，當(dāng)光照過(guò)強(qiáng)時(shí)可用來(lái)遮蔽；僅能以平面單層栽種，多為一般花卉溫室或具有高度環(huán)控設(shè)備的精密溫室，如臺(tái)灣蝴蝶蘭溫室等。完全控制型植物工廠使用人工光源，對(duì)植物生長(zhǎng)有影響的主要環(huán)境條件溫度、濕度、二氧化碳、培養(yǎng)液等由人工控制，不易受到外界環(huán)境所干擾，是理想的植物工廠，非常適合立體化栽種，可以增加土地利用率，但需要的能源成本相對(duì)較高，如日本短期葉菜類(lèi)栽培等。綜合型植物工廠兼用太陽(yáng)光與人工光源，介于前2種類(lèi)型之間，以日光為主、人工補(bǔ)光為輔，在北歐、北美冬季日照較短的地區(qū)應(yīng)用較多，如歐美名貴花卉、西紅柿、萵苣種植等。

微處理器成本越來(lái)越便宜，功能也越來(lái)越強(qiáng)大。物聯(lián)網(wǎng)是指在某一物體中嵌入一個(gè)微處理器，使物體變得具有智慧，能“自動(dòng)開(kāi)口說(shuō)話”，同時(shí)，借助無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，人們可以和物體進(jìn)行“對(duì)話”，物體和物體之間也能相互進(jìn)行“交流”。2011年，日本學(xué)者Fukatsu等針對(duì)中小型溫室環(huán)境控制設(shè)備建構(gòu)提出一個(gè)解決方案，即環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)（ubiquitous environment control system，UECS）[2]，其基本單元為配有嵌入式計(jì)算機(jī)的設(shè)施與傳感器（稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)），作業(yè)具有獨(dú)立性，可通過(guò)局域網(wǎng)與計(jì)算機(jī)連接。該系統(tǒng)線路簡(jiǎn)化為電源線與網(wǎng)絡(luò)線，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)再通過(guò)嵌入式計(jì)算機(jī)控制，不會(huì)存在使用特定規(guī)格部件的問(wèn)題，且可通過(guò)筆記本電腦、PDA、可攜式游戲機(jī)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)定或遠(yuǎn)程操作[3-4]。而集中型環(huán)境控制系統(tǒng)線路較為復(fù)雜，各項(xiàng)設(shè)備可能會(huì)因生產(chǎn)國(guó)家、型號(hào)不同，使節(jié)點(diǎn)或控制信號(hào)不同，溫室計(jì)算機(jī)只能使用特定機(jī)種進(jìn)行監(jiān)測(cè)與調(diào)控。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的精密溫室環(huán)境管控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控架構(gòu)

無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器、無(wú)線基站、網(wǎng)絡(luò)攝影機(jī)及 PICNIC 卡組成（圖1），環(huán)境參數(shù)、視頻影像等信息存儲(chǔ)于資料庫(kù)服務(wù)器，遠(yuǎn)程使用者可通過(guò)客戶(hù)端網(wǎng)頁(yè)系統(tǒng)監(jiān)控精密溫室環(huán)境。精密溫室需要調(diào)控環(huán)境的風(fēng)（溫度、濕度、內(nèi)循環(huán)風(fēng)速）、光（光量、光質(zhì)、光周期、均勻度）、水（供給方式、時(shí)機(jī)、頻度）、養(yǎng)（營(yíng)養(yǎng)液、供給方式、時(shí)機(jī)、頻度）、氣（二氧化碳）五大要素[5-6]，對(duì)這些環(huán)境狀況隨時(shí)記錄，并能通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)獲取實(shí)時(shí)信息，在環(huán)境異常時(shí)實(shí)時(shí)告知管理者。

2.2 營(yíng)養(yǎng)液控制系統(tǒng)

精密溫室的栽培方式多為水培方式立體化種植，搭配使用人工光源，并通過(guò)營(yíng)養(yǎng)液供給補(bǔ)充植物生長(zhǎng)所需，而營(yíng)養(yǎng)液電導(dǎo)率與酸堿度會(huì)隨植物生長(zhǎng)而發(fā)生改變，進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)。電導(dǎo)率是判斷營(yíng)養(yǎng)液濃度的指標(biāo)，營(yíng)養(yǎng)液濃度越高，電導(dǎo)率也會(huì)越高，因此，可依據(jù)電導(dǎo)率來(lái)調(diào)控營(yíng)養(yǎng)液。電導(dǎo)率變化由電阻給出信號(hào)，為方便測(cè)量，可將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)，并在電極與數(shù)據(jù)獲取端之間加裝信號(hào)傳送器。營(yíng)養(yǎng)液控制系統(tǒng)采用的電導(dǎo)率傳感器型號(hào)為HOTEC CM-61，測(cè)量范圍最高可達(dá)20 mS/cm。另外，電導(dǎo)率傳送器具有 LCD

面板，可供現(xiàn)場(chǎng)人員實(shí)時(shí)監(jiān)看測(cè)量值。系統(tǒng)采用的酸堿度傳感器型號(hào)為 HOTEC PH-10C，也具有 LCD 面板供現(xiàn)場(chǎng)人員實(shí)時(shí)監(jiān)看測(cè)量值。

營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控是將高濃度的原液通過(guò)蠕動(dòng)泵以微量的方式添加到水中，而蠕動(dòng)泵是以凸輪為轉(zhuǎn)子，通過(guò)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓軟管，使軟管內(nèi)的流體向前移動(dòng)，同時(shí)也會(huì)吸取液體。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以調(diào)控，因此可使推進(jìn)的流量相同。系統(tǒng)采用的蠕動(dòng)泵型號(hào)為 CS074-3，采用 12 V直流電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。

營(yíng)養(yǎng)液控制系統(tǒng)與無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)相比，除傳感器外具有相同的軟件架構(gòu)，具有 PICNIC、計(jì)算機(jī)、酸堿度電極、電導(dǎo)率電極、蠕動(dòng)泵、A 液與 B 液、內(nèi)含氫弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的調(diào)酸槽、混合槽及循環(huán)泵（圖2）。PICNIC 負(fù)責(zé)獲取酸堿度與電導(dǎo)率電極所測(cè)得的信號(hào)，驅(qū)使蠕動(dòng)泵動(dòng)作；計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)下達(dá)控制命令給 PICNIC，儲(chǔ)存所獲取的信號(hào)；蠕動(dòng)泵負(fù)責(zé)抽取 A 液與 B 液至混合槽，由混合槽抽取營(yíng)養(yǎng)液至氫弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂使酸堿度降低，再回到混合槽；循環(huán)泵負(fù)責(zé)將營(yíng)養(yǎng)液供給植物，增加混合槽內(nèi)營(yíng)養(yǎng)液的循環(huán)。endprint

營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控流程為：系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，檢查營(yíng)養(yǎng)液的電導(dǎo)率；若營(yíng)養(yǎng)液電導(dǎo)率不足時(shí)會(huì)啟動(dòng)蠕動(dòng)泵添加A 液與 B 液，每次添加約8 mL；檢查營(yíng)養(yǎng)液的酸堿值，若未達(dá)到設(shè)定值則會(huì)進(jìn)行調(diào)酸；如果在進(jìn)程中添加A液與B液或調(diào)酸，則會(huì)等待10 min，使?fàn)I養(yǎng)液與混合槽內(nèi)營(yíng)養(yǎng)液均勻混合（圖3）。A 液與 B 液添加量和等待時(shí)間可在軟件中重新修改設(shè)置。

2.3 灌溉系統(tǒng)

灌溉測(cè)量平臺(tái)（圖 4）上方安裝 6 根 T5 LED光源，燈下

10 cm光量最高可達(dá) 260 μmol/（m2·s）；平臺(tái)安裝荷重元，荷重元上方裝有1塊60 cm×120 cm 的珍珠板用來(lái)擺放栽培物，T5燈管距離珍珠板約 50 cm，荷重元測(cè)量的質(zhì)量由 PICNIC 獲取，由蠕動(dòng)泵將營(yíng)養(yǎng)液抽至栽培物內(nèi)[7-8]。

試驗(yàn)前，栽培物進(jìn)行前處理：將栽培物以淹灌方式等待10 min，使水苔充分吸收水分；移至陰涼處等待10 min，使水苔內(nèi)部的多余水分自然流出。前處理完成后才進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)每處理擺放4盆，測(cè)量每盆的質(zhì)量變化。有2個(gè)試驗(yàn)內(nèi)容：（1）灌溉時(shí)機(jī)的建立：以草莓栽培為例，在7 ～14 d進(jìn)行灌溉，在之后的16 d內(nèi)不再進(jìn)行灌溉，連續(xù)記錄總質(zhì)量變化，計(jì)算每日質(zhì)量減少百分比；（2）灌溉試驗(yàn)：以灌溉時(shí)機(jī)試驗(yàn)建立的第10天質(zhì)量減少百分比為灌溉參考，當(dāng)質(zhì)量減少相同百分比時(shí)開(kāi)始灌溉，灌溉量為減少百分?jǐn)?shù)乘以最初總質(zhì)量。試驗(yàn)過(guò)程中，每日連續(xù)給光12 h，環(huán)境溫度維持在（24±1） ℃，濕度保持在60%～70%。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的精密溫室環(huán)境管控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 傳感器參數(shù)校正

3.1.1 重量轉(zhuǎn)換器的設(shè)定與荷重元的校正 RI 1203 重量轉(zhuǎn)換器第1次使用時(shí)需對(duì)硬件內(nèi)部進(jìn)行相關(guān)設(shè)定，包含輸出方式、輸出格式等。步驟為：將 RI 1203 重量轉(zhuǎn)換器通過(guò) RS-232 接口與計(jì)算機(jī)連接；計(jì)算機(jī)上運(yùn)行Rinstrum PTY LTD的View1203軟件，點(diǎn)選聯(lián)機(jī)按鈕，再選取RI 1203 使用的COM Port進(jìn)行聯(lián)機(jī)；進(jìn)入Test/Command Mode頁(yè)面，在Command中輸入指令COF設(shè)定輸出質(zhì)量值數(shù)據(jù)格式；在Command 中輸入指令I(lǐng)AD調(diào)整轉(zhuǎn)換器參數(shù)，包含小數(shù)位數(shù)、單位及稱(chēng)量等。

重量轉(zhuǎn)換器設(shè)定完成，需要校正荷重元。本研究采用的荷重元最大負(fù)重為30 kg，測(cè)量精度為1 g。校正步驟為：確認(rèn)荷重元上沒(méi)有任何載重；運(yùn)行Rinstrum PTY LTD的View1203軟件，點(diǎn)選聯(lián)機(jī)按鈕，再選取RI 1203使用的 COM Port進(jìn)行聯(lián)機(jī)；進(jìn)入Test/Command Mode 頁(yè)面，在Command 中輸入 LDW 指令進(jìn)行質(zhì)量歸零；在Command中輸入 LWT10000命令，將1 000 g標(biāo)準(zhǔn)砝碼置于荷重元上，在Command中輸入TDD1，將校正設(shè)定儲(chǔ)存至RI 1203重量感測(cè)模塊。

3.1.2 濕度傳感器的校正 一般傳感器廠家都提供相對(duì)濕度傳感器的特性曲線及其計(jì)算公式，但相對(duì)濕度感測(cè)器的特性曲線會(huì)以每年小于1%的速度逐年降低，因此有必要重新測(cè)量其特性曲線。另外，為能便于田間使用，濕度傳感器往往設(shè)計(jì)成可更換式的，也需要對(duì)卸下的濕度傳感器重新校正。相對(duì)濕度傳感器是利用飽和鹽溶液進(jìn)行校正的，使用K2SO4、KCl、NaCl、KI、K2CO3這5種不同的飽和鹽溶液為標(biāo)準(zhǔn)，其 25 ℃ 時(shí)對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度分別為97.30%、84.34%、75.29%、6886%、43.16%。將配制好的飽和鹽溶液置于玻璃瓶?jī)?nèi)，密封，25 ℃溫控室待瓶?jī)?nèi)相對(duì)濕度穩(wěn)定，記錄傳感器所測(cè)量的電壓，6次重復(fù)取平均值，利用反函數(shù)求回歸方程。

3.1.3 光量傳感器的校正 采用RGB比例可調(diào)整式LED作為測(cè)量光源，以LI-189（LI-COR，USA）作為參考。有3個(gè)試驗(yàn)內(nèi)容：（1）單晶硅與非晶硅太陽(yáng)能板的比較。將單晶硅與非晶硅太陽(yáng)能板分別放置于LED光源下方 10 cm處，維持在室溫，改變 LED 光量輸出，記錄各個(gè)太陽(yáng)能板電壓輸出與 LI-189所測(cè)量的值。（2）環(huán)境溫度對(duì)太陽(yáng)能板的影響。將太陽(yáng)能板及光源置入可調(diào)控溫度的低溫控制箱，最高溫度可達(dá)到53 ℃，分別測(cè)量室溫、40、50 ℃時(shí)太陽(yáng)能板的電壓輸出，并改變 LED 輸出光量。（3）不同生產(chǎn)周期的太陽(yáng)能板對(duì)光量的反應(yīng)。將3塊不同生產(chǎn)周期的太陽(yáng)能板放置于相同位置LED光源下方 10 cm處，改變LED光量輸出，記錄各個(gè)太陽(yáng)能板的電壓輸出。

3.2 傳感器反饋公式

3.2.1 相對(duì)濕度傳感器 由圖 5可知，試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果線性度較好，決定系數(shù)r2為0.997 1，回歸方程式為RH=32.26×U-25.81。其中，RH為相對(duì)濕度，單位為%；U為傳感器輸出電壓，單位為V。

3.2.2 光量傳感器 （1）單晶硅與非晶硅太陽(yáng)能板的比較。單晶硅太陽(yáng)能板如SM-5626，PAR值約為250 μmol/（m2·s），輸出電壓不呈線性，此類(lèi)單晶硅太陽(yáng)能板只適于PAR值為250 μmol/（m2·s）以下的光源[7]。由圖6可見(jiàn)，SC-7035非晶硅太陽(yáng)能板呈現(xiàn)出比較好的線性度，光量最強(qiáng)能達(dá)到 350 μmol/（m2·s），且尚未達(dá)到飽和。對(duì)于光需求量不高的作物，一般提供 300 μmol/（m2·s）的光量就足夠了。SC-7035 非晶硅太陽(yáng)能板的回歸方程式為PAR=99.593×U。 其中，PAR為光合作用有效能量，單位為μmol/（m2·s）；U為太陽(yáng)能板輸出電壓，單位為V。（2）環(huán)境溫度對(duì)太陽(yáng)能板的影響。由圖7可見(jiàn)，不同環(huán)境溫度下，光量相同時(shí)太陽(yáng)能板輸出的電壓不會(huì)因溫度升高而改變；輸出光源在相同工作比下，溫度越高輸出光量則會(huì)降低。（3）不同生產(chǎn)周期太陽(yáng)能板對(duì)光量的反應(yīng)。由圖8可見(jiàn)，LED工作比在80～100之間，因LED輸出光量已趨于飽和，測(cè)量到的電壓不會(huì)有明顯變化；3塊不同周期的太陽(yáng)能板具有相同的變化趨勢(shì)，相同光量下第一塊與第二、第三塊會(huì)有細(xì)微差異，在使用前還是必須對(duì)不同太陽(yáng)能板進(jìn)行回歸處理。endprint

3.3 營(yíng)養(yǎng)液控制系統(tǒng)構(gòu)建與測(cè)試

營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控需要使用3個(gè)蠕動(dòng)泵，分別為調(diào)酸（A 泵）、A液添加（B泵）及B液添加（C泵）。由表1可見(jiàn)，B、C泵差異較小，測(cè)量60 s時(shí)流量約為 52 mL/m；A泵流量最小，約為 47.7 mL/m。這是由于營(yíng)養(yǎng)液添加時(shí)，A液與B液需以1 ∶ 1比例添加，因此選用差異較小的蠕動(dòng)泵。

使用營(yíng)養(yǎng)液控制系統(tǒng)調(diào)控90 L的營(yíng)養(yǎng)液實(shí)踐：初始手動(dòng)方式添加營(yíng)養(yǎng)液、酸堿度不進(jìn)行調(diào)整，以節(jié)省等待時(shí)間；當(dāng)營(yíng)

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養(yǎng)液電導(dǎo)率由0.2 mS/cm上升至1.1 mS/cm，此時(shí)營(yíng)養(yǎng)液的pH值會(huì)迅速下降；系統(tǒng)自行將營(yíng)養(yǎng)液微調(diào)整至設(shè)定值 1.2 mS/cm，酸堿度調(diào)整至pH值為6，此時(shí)需經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到平衡，通過(guò)蠕動(dòng)泵增加流量以提高調(diào)酸速度。

4 結(jié)論

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將精密溫室中的各種傳感器互聯(lián)，不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的自動(dòng)管理，而且可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控。光量傳感器部分采用非晶硅太陽(yáng)能板，當(dāng)光量在 350 μmol/（m2·s） 以下時(shí)，傳感器可在保證精確控制的基礎(chǔ)上大幅降低成本。適用于精密溫室內(nèi)環(huán)境的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，可對(duì)風(fēng)、光、水、養(yǎng)、氣進(jìn)行監(jiān)控，系統(tǒng)可依照使用地點(diǎn)不同、PICNIC安裝數(shù)目以及使用傳感器種類(lèi)而更改軟件設(shè)定，使系統(tǒng)能夠很容易移植到相應(yīng)的農(nóng)田并易于擴(kuò)展?？刂撇呗砸詶l列方式進(jìn)行處理，對(duì)控制要素進(jìn)行擴(kuò)充，使系統(tǒng)在控制設(shè)備的應(yīng)用更具多樣化。

無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)要對(duì)設(shè)備進(jìn)行精確控制，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需要有很強(qiáng)的穩(wěn)定性；因此，必須根據(jù)實(shí)際環(huán)境更改無(wú)線接入點(diǎn)的數(shù)量，在相對(duì)集中的溫室或大棚中采用有線網(wǎng)絡(luò)傳輸，使系統(tǒng)消除因其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)干擾等帶來(lái)的不穩(wěn)定性。

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