基于物聯(lián)網(wǎng)的高檔花卉智慧大棚關(guān)鍵技術(shù)研究

隨著人們物質(zhì)和精神文化不斷提高，在各種場(chǎng)合，特別是喜慶布置，家庭裝飾和大型禮儀布置等方面，盆栽花卉深受大家喜歡，市場(chǎng)需求量較大，國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行廣泛栽培。在我國(guó)，由于高檔花卉生產(chǎn)起步較晚，生產(chǎn)設(shè)施較落后，栽培技術(shù)相對(duì)落后，難以規(guī)?；a(chǎn)出高品質(zhì)的花卉產(chǎn)品，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)，且主要以自然開(kāi)花為主，花期較短，供應(yīng)期相對(duì)集中，商品經(jīng)濟(jì)效益不高。

特別是一些高檔花卉，對(duì)環(huán)境要求較高，在華東地區(qū)無(wú)法在室外栽培，因此大多采用大棚栽培。但是大棚栽培對(duì)棚內(nèi)的光照、溫度和濕度等環(huán)境的控制要求比較高，傳統(tǒng)的人工檢測(cè)和調(diào)節(jié)難度較大，且精度不高，這樣使得溫室的利用率比較低。目前隨著科技的不斷發(fā)展，有些大棚也已經(jīng)開(kāi)始使用一些傳感器監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)的環(huán)境，但也只局限于環(huán)境的監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，技術(shù)人員才會(huì)對(duì)大棚的環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。

本課題提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧大棚主要是是利用物聯(lián)網(wǎng)及分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)將溫室內(nèi)的光照、溫度、濕度、二氧化碳含量、作物長(zhǎng)勢(shì)、土壤質(zhì)地和養(yǎng)分水分狀況等進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、傳輸、處理和輸出，再與信息轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)控制、專家系統(tǒng)相配合，按區(qū)內(nèi)要素的空間變量數(shù)據(jù)精確設(shè)定最佳施肥、灌溉、光照控制、加濕等多種農(nóng)事操作，使傳統(tǒng)的粗放生產(chǎn)變?yōu)榫?xì)農(nóng)作，從而可以顯著提高水、肥等的利用效率，以最經(jīng)濟(jì)的投入獲得最佳產(chǎn)出。與傳統(tǒng)的溫室相比，智慧大棚，除了能夠保證棚內(nèi)花卉的高質(zhì)量外，還能夠?qū)厥噎h(huán)境的控制來(lái)調(diào)整高檔花卉的長(zhǎng)勢(shì)，使得這些花卉能夠提前或者滯后進(jìn)入花期，從而使得花卉提前上市，并延長(zhǎng)上市的時(shí)間從而獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。

本智慧大棚項(xiàng)目除了完成物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的基本應(yīng)用外，還包含以下三個(gè)平臺(tái)：

精準(zhǔn)花卉栽培管理平臺(tái) —— 建立環(huán)境參數(shù)分析控制模型，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)花卉溫室的局部環(huán)境參數(shù)和周邊地區(qū)的區(qū)域環(huán)境參數(shù)并加以分析，然后通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)溫室機(jī)械裝置的自動(dòng)控制，使花卉生長(zhǎng)在適宜的溫度、濕度、光照和CO2環(huán)境中。

精準(zhǔn)花卉栽培專家系統(tǒng) —— 建立花卉栽培專家知識(shí)庫(kù)，建立花卉栽培環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，通過(guò)人工智能和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實(shí)現(xiàn)花卉栽培管理、生長(zhǎng)發(fā)育診斷和病蟲(chóng)害診斷。

精準(zhǔn)生態(tài)農(nóng)業(yè)公共服務(wù)互動(dòng)平臺(tái) —— 建設(shè)互聯(lián)網(wǎng)互動(dòng)平臺(tái)，使消費(fèi)者體驗(yàn)精準(zhǔn)花卉栽培全過(guò)程，了解花卉知識(shí)，促進(jìn)花卉市場(chǎng)健康化發(fā)展；使種植戶獲得園藝專家技術(shù)支持，提升花卉栽培產(chǎn)業(yè)水平。

通過(guò)智慧大棚的應(yīng)用，能夠有效的提高花卉的成品質(zhì)量，在脫葉、花卉長(zhǎng)勢(shì)、花期控制等方面有很好的效果。這使得花卉產(chǎn)品在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)里更加明顯，提高市場(chǎng)的占有率。

1、具體研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容和重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

（1）構(gòu)建智慧大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在本項(xiàng)目中，我們將利用先進(jìn)的高可靠低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，采集精準(zhǔn)溫室花卉栽培的數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、光照、CO2濃度等。通過(guò)專有協(xié)議及互聯(lián)互通網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴a(chǎn)管理中心。對(duì)于一個(gè)精準(zhǔn)溫室花卉栽培環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)會(huì)面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)部分是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，一部分是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)本身的自身特性所導(dǎo)致的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

（2）建立健全花卉栽培專家數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

專家系統(tǒng)技術(shù)是人工智能中面向應(yīng)用的重要分支之一。專家系統(tǒng)與一般人工智能系統(tǒng)又有所區(qū)別。最重要的特征是它的研究對(duì)象不是普通人的職能，而是某個(gè)領(lǐng)域具有技術(shù)特長(zhǎng)的專家解決專門問(wèn)題的本領(lǐng)。知識(shí)和推理構(gòu)成專家系統(tǒng)的兩大要素。因此，專家系統(tǒng)是一個(gè)由存放專門領(lǐng)域知識(shí)的知識(shí)庫(kù)，以及一個(gè)能選擇和運(yùn)用知識(shí)的推理機(jī)制組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)專家?guī)斓奶攸c(diǎn)，邀請(qǐng)花卉栽培方面的專家組與公司技術(shù)骨干完成花卉栽培的專家系統(tǒng)。

（3）智慧大棚精確反饋全自動(dòng)控制系統(tǒng)

當(dāng)溫室環(huán)境參數(shù)發(fā)生異常時(shí)，必須及時(shí)對(duì)該環(huán)境參數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，也就是必須及時(shí)地啟動(dòng)相應(yīng)設(shè)備來(lái)改變溫室環(huán)境，體現(xiàn)出實(shí)時(shí)性。同時(shí)，溫室的環(huán)境控制通過(guò)不同配套設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就包含多個(gè)控制任務(wù)，其中有些是定時(shí)任務(wù)（如灌溉等），有些是隨即任務(wù)（如降溫等），只有它們互相協(xié)調(diào)，并發(fā)執(zhí)行，才能達(dá)到好的控制效果，體現(xiàn)出多任務(wù)和并發(fā)性。不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)溫室環(huán)境可能產(chǎn)生相同影響，因此對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制要考慮一定的順序問(wèn)題，以提高控制效果，減少運(yùn)營(yíng)成本。為此針對(duì)本項(xiàng)目的一些特點(diǎn)，將采用一種基于反饋量的智慧大棚精確自動(dòng)控制系統(tǒng)。

（4）構(gòu)建WEB服務(wù)器平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程登錄訪問(wèn)

消費(fèi)者通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)不僅僅可以購(gòu)買到自己需要的商品，同時(shí)在該項(xiàng)目所提供的參與性網(wǎng)站中，消費(fèi)者還可以全過(guò)程體驗(yàn)花卉栽培，不但可以了解花卉栽培的全過(guò)程，同時(shí)也加深對(duì)于高附加值生態(tài)農(nóng)產(chǎn)品的認(rèn)知。在該平臺(tái)所提供的在線品種展示中，消費(fèi)者可以了解到不同品種花卉的具體信息，從而對(duì)于消費(fèi)者的購(gòu)買選擇起到導(dǎo)引的作用。同時(shí)，在花卉的栽培過(guò)程中，如遇到突發(fā)或者專家數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法解決的問(wèn)題時(shí)，可以請(qǐng)專家通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程登錄并提供技術(shù)支持，查看問(wèn)題的實(shí)際情況，以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，共同分析原因解決問(wèn)題。

（5）構(gòu)建花卉成長(zhǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)追溯功能

通過(guò)對(duì)花卉栽培的全過(guò)程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，從種子、基土的選擇到花卉的上市。該數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)將記錄所有的信息，包括日常環(huán)境變量、花卉長(zhǎng)勢(shì)，施肥等。通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)記錄，能夠分析花卉的各成長(zhǎng)階段對(duì)環(huán)境的要求，通過(guò)不斷改善專家數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)能夠更加高效的實(shí)現(xiàn)花卉的人工智能栽培。

2、項(xiàng)目的特色和創(chuàng)新之處

“基于物聯(lián)網(wǎng)的高檔花卉智慧大棚關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目的創(chuàng)新之處在于：

（1）建立溫室花卉栽培專家系統(tǒng)

該專家系統(tǒng)主要包括花卉知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、推理機(jī)構(gòu)、解析機(jī)構(gòu)和人機(jī)交互接口，通過(guò)獲取到得環(huán)境參數(shù)，自適應(yīng)計(jì)算及調(diào)整環(huán)境溫度，使得花卉始終在最佳的環(huán)境中生產(chǎn)。

（2）基于反饋環(huán)境變量的精確控制

在普通的溫室控制系統(tǒng)中，大部門控制技術(shù)都是基于開(kāi)關(guān)量的，而基于反饋的精確控制則是通過(guò)對(duì)環(huán)境變化的增量來(lái)不斷調(diào)整控制信號(hào)，使得調(diào)節(jié)能夠快速、穩(wěn)定的到達(dá)預(yù)定環(huán)境。

（3）花卉溯源系統(tǒng)

該系統(tǒng)的主要功能是記錄花卉栽培的全過(guò)程，并記錄成長(zhǎng)過(guò)程中所有的環(huán)境變量情況以及花卉成長(zhǎng)情況。對(duì)以后改善花卉的栽培技術(shù)提供參考，并能夠?yàn)閷＜蚁到y(tǒng)提供幫助。

（4）專家系統(tǒng)的云服務(wù)功能

在該項(xiàng)目中，為了能夠達(dá)到環(huán)境的自動(dòng)控制，我們建立了專家系統(tǒng)，但是作為一個(gè)專家系統(tǒng)不應(yīng)該僅僅為本公司的作物栽培提供幫助，同時(shí)也可以通過(guò)服務(wù)器開(kāi)放一個(gè)接口，為本地其他花卉種植戶也提供服務(wù)。只要將他們的溫室環(huán)境變量上傳給專家系統(tǒng)，專家系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算返回一個(gè)控制結(jié)果，從起到調(diào)節(jié)的功能。

遼寧科技大學(xué)校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：201810146307。