小型智能蔬菜大棚模型的設(shè)計(jì)

孫志明　趙國(guó)飛　蔡金鵬

摘 要：隨著生活水平的提高，老百姓期待一年四季都能吃到各種綠色蔬菜，溫室大棚也隨之逐漸在各地普及。但傳統(tǒng)溫室大棚人工管理，成本高，效率低。本項(xiàng)目利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)模擬真實(shí)蔬菜大棚各種參數(shù)的檢測(cè)及監(jiān)控情況。在大棚各個(gè)點(diǎn)放置安裝有傳感器的小節(jié)點(diǎn)，小節(jié)點(diǎn)將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)每隔一段時(shí)間通過(guò)無(wú)線傳輸傳送給Zigbee協(xié)調(diào)器，當(dāng)有參數(shù)超限時(shí)，可用LED燈及蜂鳴器實(shí)現(xiàn)模擬報(bào)警。

關(guān)鍵詞：智能大棚；物聯(lián)網(wǎng)；Zigbee

引言：智能溫室大棚是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，是以全面感知、可靠傳輸和智能處理等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐和手段，以溫室大棚的自動(dòng)化生產(chǎn)、最優(yōu)化控制、智能化管理為主要目標(biāo)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的具體應(yīng)用領(lǐng)域，也是目前應(yīng)用需求最為迫切的領(lǐng)域之一。溫室大棚以日光溫室為主，溫室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，環(huán)境控制能力低。我國(guó)溫室大棚的技術(shù)裝備盡管有了較大發(fā)展，但是溫室大棚種植普遍存在管理粗放、技術(shù)設(shè)施落實(shí)不到位、智能化水平低，導(dǎo)致單位生產(chǎn)效率低、投入產(chǎn)出比不高、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量安全水平起伏較大的現(xiàn)狀，在溫室環(huán)境、栽培管理技術(shù)、生物技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)等方面和發(fā)達(dá)國(guó)家存在著較大差距。我國(guó)建設(shè)在南方的大型智能溫室以生產(chǎn)花卉為主，北方的則以栽培蔬菜為主，少部分智能溫室用于栽培苗木。

目前智能大棚存在一部分問(wèn)題比如首先是成本較高。一般來(lái)講，一套智能化的控制系統(tǒng)成本主要包括硬件成本、運(yùn)行成本和維護(hù)成本。硬件成本包括各儀器儀表、通信線纜等。整個(gè)系統(tǒng)也不能自由組合或者裁剪應(yīng)用于不同的對(duì)象，使得難以得到推廣和普及。同時(shí)，由于系統(tǒng)復(fù)雜、布線繁多、故障率高而且使得故障后的維修成本極大。另外，系統(tǒng)龐大造成的運(yùn)行成本也不是一筆小費(fèi)用。其次是布線復(fù)雜。溫室中有大量分散的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這些設(shè)備可能隨著作物的改變而進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)錯(cuò)綜復(fù)雜的線纜也需要重新鋪設(shè)，工作量較大。為了科學(xué)、合理地實(shí)現(xiàn)大面積溫室環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)與控制，電子檢測(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)置不僅數(shù)量大而且分布廣，連接著各個(gè)裝置與機(jī)構(gòu)的線纜，也因此縱橫交錯(cuò)。當(dāng)溫室內(nèi)生產(chǎn)的果蔬作物更替時(shí)，相應(yīng)的電子檢測(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置常常需要調(diào)整，連接著各個(gè)裝置與機(jī)構(gòu)的線纜有時(shí)也需要重新布置。這不僅增大了溫室的額外投資成本和安裝與維護(hù)的難度，有時(shí)也影響了作物的良好生長(zhǎng)。第三，故障解決難。當(dāng)數(shù)據(jù)無(wú)法正常接收時(shí)，檢查人員不知道是線路問(wèn)題還是節(jié)點(diǎn)故障。另外，目前的控制系統(tǒng)多采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式模式，當(dāng)總線出現(xiàn)故障時(shí)，雖然各控制節(jié)點(diǎn)尚能正常工作，但是上位機(jī)卻無(wú)法正常管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，專(zhuān)家控制策略無(wú)法實(shí)施。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的小型智能蔬菜大棚模型擬實(shí)現(xiàn)：

（1）廣范圍的測(cè)量，需求傳感器節(jié)點(diǎn)多當(dāng)前溫室生產(chǎn)的首要特點(diǎn)就是監(jiān)控區(qū)域很大，普通單個(gè)連棟溫室都有幾千平方米，而一個(gè)園區(qū)溫室群的面積可能會(huì)在幾百畝以上，因此需要大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，在每個(gè)溫室中采集諸如空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度、等信息，除此以外，目前對(duì)作物生理參數(shù)的檢測(cè)也逐漸受到人們的重視，因此將會(huì)有更多的傳感器節(jié)點(diǎn)被用于溫室生產(chǎn)。另外，用于驅(qū)動(dòng)溫室中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)量也不能忽略。由此可見(jiàn)，溫室對(duì)其監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的首要需求就是網(wǎng)絡(luò)容量大。

（2）檢測(cè)點(diǎn)位置靈活變動(dòng)：溫室中大量分散的傳感器，但隨著作物的生長(zhǎng)而需要不斷調(diào)整位置；或者當(dāng)溫室內(nèi)生產(chǎn)的作物更替時(shí)，相應(yīng)的電子檢測(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置也常常需要調(diào)整；另外，溫室的利用結(jié)構(gòu)也會(huì)經(jīng)常根據(jù)用戶需要而不斷改變，這就要求系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)能根據(jù)需要隨意變換位置而不影響系統(tǒng)工作。

（3）節(jié)點(diǎn)數(shù)目可隨意增減：作物生長(zhǎng)階段不同，環(huán)境因子對(duì)作物的影響可能也不同，生長(zhǎng)初期可能對(duì)溫度比較敏感，而后期可能對(duì)光照比較敏感，這就要求系統(tǒng)可以隨意改變節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型和數(shù)量。除此以外，隨著作物的生長(zhǎng)，用戶可能還需要對(duì)植物的生理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)而需要不斷增加傳感器節(jié)點(diǎn)。在某些科研溫室中，也經(jīng)常需要改變傳感器節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型和數(shù)量，以達(dá)到精確監(jiān)測(cè)與控制。上述這些情況都需要所用的監(jiān)控系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)能隨意增減。

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)及配套設(shè)施：主體骨架為熱鍍鋅型組裝、覆蓋材料、通風(fēng)模塊、遮陽(yáng)模塊、風(fēng)機(jī)模塊、溫濕度模塊、CO2模塊、電源模塊、上位機(jī)界面。該模型是一個(gè)半封閉系統(tǒng)，依靠覆蓋材料形成與外界相對(duì)隔離的室內(nèi)空間，一方面要以通風(fēng)換氣創(chuàng)造植物生長(zhǎng)優(yōu)于室外自然環(huán)境的條件；另一方面，室內(nèi)產(chǎn)生的高溫高濕和低二氧化碳濃度，通過(guò)通風(fēng)換氣來(lái)調(diào)控，創(chuàng)造植物生長(zhǎng)的最佳環(huán)境。

本系統(tǒng)分為感知層、傳輸層與應(yīng)用層。感知層可檢測(cè)溫濕度、光、CO2等，傳輸層選用ZIGBEE模塊進(jìn)行信息的無(wú)線傳輸，在應(yīng)用層簡(jiǎn)單界面，可顯示出當(dāng)前檢測(cè)到的各項(xiàng)參數(shù)。經(jīng)運(yùn)行調(diào)試，證實(shí)本系統(tǒng)可作為智慧大棚部分參數(shù)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)方法的參考，為真實(shí)布線提供依據(jù)。

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基金項(xiàng)目：山東協(xié)和學(xué)院實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放項(xiàng)目（2017SYKF71）