數(shù)字化溫室大棚環(huán)境參數(shù)信息采集控制方法研究

王麗平　張維軒　王葉融　巨振興　周曼妮　程麗彤

摘要；隨著數(shù)字化信息時代的到來，溫室大棚的信息數(shù)字化技術(shù)的實現(xiàn)也越來越重要和廣泛關(guān)注。尤其是在基本環(huán)境參數(shù)信息的采集和作物控制等方面對農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，現(xiàn)代化溫室大棚正在向數(shù)字化的方向發(fā)展，建立一個運行穩(wěn)定、采集精度高、節(jié)點功耗低、反饋控制準確，滿足溫室大棚數(shù)據(jù)采集和控制的系統(tǒng)，可以進一步解放生產(chǎn)力，增加效益。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；信息采集控制；溫室大棚

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）07-0213-02

從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)方式向數(shù)字化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)方式過渡階段，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中占據(jù)重要作用的是溫室大棚的數(shù)字化和智能化，它能最大限度地改變粗放的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營方式，并大幅度提高溫室大棚的生產(chǎn)功效和產(chǎn)量、質(zhì)量，推進農(nóng)業(yè)信息化進程的飛速發(fā)展，實現(xiàn)“手機或者電腦也能種地”的宏偉藍圖。

在我國農(nóng)業(yè)種植中占比重較大的是溫室大棚種植方式，這樣可以極大地豐富人民群眾的日常成活消費水準，而傳統(tǒng)的溫室種植也可以實現(xiàn)這個目的。但是由于傳統(tǒng)種植方式無論是對作物的種植還是對生長環(huán)境的控制基本憑借經(jīng)驗和感覺來實現(xiàn)，導致溫室種植的效率、產(chǎn)量和質(zhì)量不夠高。

對溫室大棚采取數(shù)字化的智能監(jiān)控可以免除棚內(nèi)種植的作物受空間和時間的約束，可以全年沒有間歇的種植和收獲，獲得的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量高、質(zhì)地優(yōu)良。根據(jù)溫室大棚種植作物的高投入和高產(chǎn)出，以及高效益的特殊生產(chǎn)方式，結(jié)合不同作物不同時期的生長需求，對溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進行適當調(diào)控，可以提高作物產(chǎn)量、改善質(zhì)量，極大提高農(nóng)產(chǎn)品的經(jīng)濟效益。

1現(xiàn)階段溫室大棚的國內(nèi)外現(xiàn)狀

隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度的不斷提高，要求農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須高效產(chǎn)出，因此提高農(nóng)業(yè)設(shè)施的科技含量是當前農(nóng)業(yè)發(fā)展的重中之重。依據(jù)我國“十二五”發(fā)展規(guī)劃綱要和“農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化”發(fā)展規(guī)劃要求，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營模式的盡快推進，最大程度的提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化、數(shù)字化程度，必須盡快全面實施數(shù)字化農(nóng)業(yè)智能監(jiān)控系統(tǒng)進行環(huán)境數(shù)據(jù)采集和控制，為實現(xiàn)“智慧農(nóng)業(yè)”或“數(shù)字信息化農(nóng)業(yè)”提供契機和動力。將數(shù)字化環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)應用在溫室大棚的環(huán)境信息采集和監(jiān)測、生產(chǎn)意外情況預警、設(shè)施環(huán)境智能調(diào)控和農(nóng)作物長勢診斷等領(lǐng)域，可以大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和產(chǎn)量，使得傳統(tǒng)的粗放農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)方式得到極大改進，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化程度的提高提供高效、科學、合理的依據(jù)和支持。

而我國現(xiàn)階段的傳統(tǒng)種植經(jīng)營管理模式，大部分都是依靠種植者摸索經(jīng)驗和感覺來實現(xiàn)作物生長期間的通風遮陽、灌溉加濕、溫度調(diào)節(jié)等各項指標，需要消耗大量人力，實時性差，生產(chǎn)效率低下，一旦判斷有誤或偏差大就會造成資源浪費或者產(chǎn)量減少。也有一部分溫室大棚簡單的實現(xiàn)了數(shù)字化但成都不高，只能夠進行基本的溫度、濕度采集，然后根據(jù)采集的數(shù)據(jù)人工實現(xiàn)環(huán)境調(diào)節(jié)，如澆水、遮光或通風等，無法完全實現(xiàn)數(shù)字化、智能化。

而且即使實現(xiàn)了智能溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，仍然存在很多問題。例如對于使用有線傳輸?shù)膱龊希敎厥掖笈锩娣e較大時，布置的采集信息點也較多，因此鋪設(shè)的線路也是錯綜復雜的，這樣的情況對于使用和維護都帶來一定的難度，受到很大程度的限制；其次大部分的通信都是采用有線傳輸，在溫室內(nèi)部溫度高、空氣潮濕，土壤和空氣具有較強的腐蝕性，容易損壞通信電纜出現(xiàn)故障，使系統(tǒng)的可靠性降低。

國外的數(shù)字化溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)程度較高，隨著在斯坦福大學召開的基于Internet的遠程監(jiān)控診斷會議的成功舉辦，基于Internet的遠程監(jiān)控診斷示范系統(tǒng)被開發(fā)并得到了制造行業(yè)、計算機行業(yè)和儀器儀表行業(yè)等多家公司的大力支持。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化程度較高的控制系統(tǒng)不但在工業(yè)領(lǐng)域得到較大的發(fā)展，也逐漸的滲透到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。而我們原來采用的傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)不夠精細和高度數(shù)字化，已經(jīng)無法滿足國家社會發(fā)展步伐對現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精細要求，因此人們也越來越認識和重視到數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的巨大作用，監(jiān)控系統(tǒng)也發(fā)生了很大的改變，正在向遠程監(jiān)控逐漸過渡，這使得農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控自動化生產(chǎn)成為現(xiàn)實。

2數(shù)字化溫室大棚的實現(xiàn)總體方案研究

數(shù)字化溫室大棚為了實現(xiàn)遠程環(huán)境監(jiān)控，必須借助網(wǎng)絡(luò)對遠程端進行監(jiān)視和控制，完成環(huán)境參數(shù)采集、參數(shù)調(diào)節(jié)、遠程控制和故障恢復等操作。因此系統(tǒng)方案采取基于B/S結(jié)構(gòu)的模型來實現(xiàn)，其中的服務器端運行在Web服務器上，是搭建在主控制端的；而客戶端運行在遠程本地客戶機上，主要用來采集環(huán)境信息數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)分析。數(shù)字化遠程監(jiān)控系統(tǒng)是以網(wǎng)絡(luò)作為通信平臺，以HTTP技術(shù)為基礎(chǔ)，充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，實現(xiàn)信息的實時獲取和實時控制以及信息、資源的合理化配置，能夠簡單、高效的實現(xiàn)系統(tǒng)配置控制目標，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍應用網(wǎng)絡(luò)實施的遠程監(jiān)控模式。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能感知芯片技術(shù)的結(jié)合和飛速發(fā)展，為數(shù)字化溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了極大的便利。數(shù)字化溫室大棚環(huán)境參數(shù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)總體方案主要包括信息采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)等，其中布置有各種傳感器、無線射頻節(jié)點、噴灌、風機等農(nóng)業(yè)設(shè)施和采集節(jié)點，能夠?qū)崟r并及時采集溫濕度、光照度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理作為下一步處理的依據(jù)，進一步的進行排風祛濕、灌溉加濕、遮蓋避光或采光等活動，自動、智能和科學的改善溫室內(nèi)作物的生長環(huán)境，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化水平。當大棚出現(xiàn)異常情況時，用戶既可以人工手動控制大棚內(nèi)的設(shè)備，也可以通過手機或者電腦遠程控制設(shè)備。數(shù)字化溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)備的選擇和系統(tǒng)的設(shè)計直接關(guān)系到溫室大棚是否可以高效運作，也影響到溫室大棚的智能化和自動化程度。數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)的控制采取流程化，主要是指“信息感知→數(shù)據(jù)傳輸→分析處理→設(shè)備控制→信息反饋”的這樣一個完整的流程，任何一個環(huán)節(jié)都不能缺少。

實現(xiàn)數(shù)字化溫室大棚環(huán)境自動測量與調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，在采集點分布上實行多點采集并平均數(shù)處理的方法來提高測量的精度，同時將采集的數(shù)據(jù)通過無線射頻節(jié)點傳送到本地計算機和手機上，本地計算機上的數(shù)據(jù)還可以通過網(wǎng)絡(luò)傳送到遠程的控制服務器上，結(jié)合服務器端的軟件中設(shè)定的控制原始數(shù)據(jù)的對比來對溫室中的作物進行環(huán)境參數(shù)調(diào)控，如灌溉、通風、采光等措施進行調(diào)控，實現(xiàn)溫室大棚的數(shù)字化、自動化的管理，不僅節(jié)約了人力物力成本，而且提高了采取措施的反應速度。

3實現(xiàn)數(shù)字化溫室大棚控制的基本功能要求

隨著數(shù)字化時代的來臨，數(shù)字化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)越來越被國內(nèi)外研究學者廣泛關(guān)注。發(fā)展數(shù)字化農(nóng)業(yè)的自動化水平，就是在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)設(shè)備和農(nóng)業(yè)科學技術(shù)的輔助下，應用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)整個過程的投入產(chǎn)出都得到全程的科學的數(shù)字化控制，達到高效、快速的目標。數(shù)字化智能監(jiān)控系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)分析、設(shè)施控制、視頻監(jiān)控、終端應用等幾部分。其中數(shù)據(jù)分析主要指光照度、濕度、溫度、CO2濃度等；設(shè)施控制主要指噴灌控制、加熱設(shè)備、采光設(shè)備、風機設(shè)備、遮陽設(shè)備等的控制；視頻監(jiān)控主要實現(xiàn)作物長勢監(jiān)控、安全防控、生產(chǎn)監(jiān)控等；終端應用主要體現(xiàn)在用戶管理、種植交流、信息顯示等方面。

3.1信息采集系統(tǒng)的實現(xiàn)方案

在數(shù)字化智能溫室大棚的環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)中，信息采集系統(tǒng)的實現(xiàn)需要結(jié)合農(nóng)作物的種類、生長特點和不同傳感器的作用范圍，部署所需的溫度傳感器、濕度傳感器、傳感器、CO2傳感器和光照傳感器等設(shè)備，實時采集大棚內(nèi)的環(huán)境信息。采集到的信息通過RFID無線射頻裝置和WSN無線傳感網(wǎng)絡(luò)實時傳遞至數(shù)據(jù)分析獲取單元計算機上，由控制端對數(shù)據(jù)進行分析處理后上報到服務器。

溫室大棚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尤其特殊性，是一個相對半封閉的生長環(huán)境系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)對溫室的內(nèi)部溫度有一定的制約和影響著，形成了有區(qū)別與外界的特殊小環(huán)境，而根據(jù)不同作物生長所需要的環(huán)境不同制定出信息采集監(jiān)控方案是溫室環(huán)境控制的關(guān)鍵。通常選擇基本的環(huán)境因子作為控制數(shù)據(jù)，如：溫室內(nèi)土壤溫濕度、空氣濕度、空氣溫度、CO2濃度等。在設(shè)置監(jiān)控采集點時要根據(jù)溫室大棚的面積和結(jié)構(gòu)在相應位置設(shè)置多個監(jiān)測采集點，基本可以準確的反映整個溫室大棚的環(huán)境情況。并且設(shè)置的每個點都能獨立完成環(huán)境信息參數(shù)的采集和控制，通過采集的環(huán)境參數(shù)，可以在監(jiān)測點附近實施局部調(diào)控，如噴淋加濕、卷簾遮蓋降溫、通風換氣、CO2發(fā)生器等環(huán)境因子的調(diào)節(jié)。

3.2數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)方案

為了更好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，更為了適應溫室大棚惡劣的環(huán)境，數(shù)字化溫室大棚的數(shù)據(jù)傳輸采用以單片機為主要部件來控制無線射頻模塊的方法來實現(xiàn)，系列芯片使用目前主流的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案，將處理器和射頻發(fā)射集成起來的無線微控制器，傳輸距離大約在100m左右。采用無線射頻技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時，由于溫室大棚結(jié)構(gòu)的特點需要在不同的監(jiān)測場合設(shè)置了多種專用的WSN節(jié)點，構(gòu)建一個無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，組成由土壤溫濕度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和遠程數(shù)據(jù)中心兩部分組成的數(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)。

3.3數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案

在數(shù)字化智能溫室大棚環(huán)境參數(shù)的自動控制部分實現(xiàn)方案中，針對實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)設(shè)置的相應噴灌、排風、采光及遮蓋等農(nóng)業(yè)設(shè)備，在控制系統(tǒng)軟件中配備相應的自動化控制面板，既可以按照事先在數(shù)據(jù)庫中設(shè)定的環(huán)境參數(shù)進行自動調(diào)控，也可以依據(jù)具體的作物不同生長周期的特殊性進行手動控制，達到自動控制與手動控制相結(jié)合的目標，實現(xiàn)溫室環(huán)境的智能調(diào)控。

為了能夠?qū)崟r查看棚內(nèi)農(nóng)作物的長勢情況，也為了實現(xiàn)溫室大棚的安全防盜，在控制系統(tǒng)中還采用視頻監(jiān)控技術(shù)，即在大棚的入口或兩側(cè)安裝攝像頭，隨時采集溫室大棚現(xiàn)場的視頻圖像，實現(xiàn)采集的視頻的轉(zhuǎn)發(fā)和分發(fā)功能，完成視頻的多路輸入、多路輸出。

為了實時查看數(shù)據(jù)和作物長勢的方便，數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)還可以實現(xiàn)在一些應用終端上顯示，如智能手機、iPDA等。通過接入Internet的任意一臺遠程PC機或智能手機的瀏覽器可實時監(jiān)控棚內(nèi)環(huán)境狀況并發(fā)送控制命令，真正實現(xiàn)溫室作物種植網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理。

4總結(jié)

數(shù)字化溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)主要是為了改善傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)溫室大棚中存在的資源浪費、精確性不高、產(chǎn)量低等問題，通過智能控制，在網(wǎng)絡(luò)的作用下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多點采集、無線傳輸、網(wǎng)絡(luò)備份、遠程監(jiān)測與管理等功能，極大地簡化了工作流程，降低了勞動強度，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。數(shù)據(jù)精確、實時性強，可以監(jiān)測溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)并控制農(nóng)業(yè)設(shè)施，實現(xiàn)溫室大棚的智能化、自動化，符合農(nóng)業(yè)信息化未來發(fā)展的趨勢。