基于物聯(lián)網(wǎng)的大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究

曹 俊

(重慶能源職業(yè)學(xué)院，重慶 402260)

0 引言

我國是世界第一人口大國，但是耕地很少，人均耕地面積只有世界平均水平的1/3。因此，利用現(xiàn)有的土地來養(yǎng)活數(shù)量龐大的人口一直都是重要的研究內(nèi)容。近年來，我國的人口持續(xù)增長，而耕地面積卻在不斷縮小，使得耕地與人口之間協(xié)調(diào)發(fā)展的問題更加嚴(yán)峻[1]。為了解決上述矛盾，在加大耕地保護(hù)力度的同時(shí)，還需要提高耕地的單位面積產(chǎn)量及耕地的利用率。作物的生長依賴于自然環(huán)境，受地域和季節(jié)的影響較大。對(duì)于某個(gè)地區(qū)的特定作物來說，在純自然條件下的大部分時(shí)間是不能正常生長的，限制了耕地的產(chǎn)量潛力。

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式革新，出現(xiàn)了設(shè)施農(nóng)業(yè)這種新型的模式。設(shè)施農(nóng)業(yè)將各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素整合在一起，以高度集中的資金、技術(shù)和勞動(dòng)力為支撐，是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的一種重要形式[2-3]。設(shè)施農(nóng)業(yè)的平臺(tái)是人工建造的設(shè)施，因此種植的作物能夠擺脫自然條件限制，實(shí)現(xiàn)反季節(jié)上市。設(shè)施農(nóng)業(yè)不僅可以滿足人們多元化和多層次的消費(fèi)需求，還能進(jìn)行程序化生產(chǎn)，從而提高土地利用率，對(duì)于緩解人口與耕地矛盾具有重要意義[4]。

我國的設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，有塑料大棚、玻璃溫室和現(xiàn)代化植物工廠等多種形式，分別適用于不同自然條件的地區(qū)。受技術(shù)水平和發(fā)展時(shí)間的限制，目前的設(shè)施農(nóng)業(yè)仍然以大棚和溫室這兩種形式為主。與溫室相比，大棚的缺點(diǎn)在于技術(shù)含量相對(duì)較少，隔熱能力差，使用的年限也短。但是，大棚的結(jié)構(gòu)簡單，建造、運(yùn)行和維護(hù)所需的投入少，適合在經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度相對(duì)較慢、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的地域應(yīng)用。

目前的大棚作物種植技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但在實(shí)際生產(chǎn)中也存在一些問題，給農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量帶來了不利影響。首先，大棚是封閉的空間，內(nèi)部的溫濕度都很大，成為各種害蟲和病菌滋生的理想場所，因此大棚內(nèi)的病蟲害一般都較為嚴(yán)重[5]；其次，大棚內(nèi)的環(huán)境因素與外界缺乏交流，土壤的連作障礙隨著使用時(shí)間逐漸變得嚴(yán)重，作物對(duì)肥料的吸收能力大幅減弱，阻礙了大棚的可持續(xù)利用[6]；再次，大棚屬于經(jīng)濟(jì)型的農(nóng)業(yè)設(shè)施，總體建造成本不高，附帶的高技術(shù)含量設(shè)備較少，自動(dòng)化和智能化程度與溫室存在很大差距。這些因素使大棚種植效益提升及持續(xù)應(yīng)用的難度增加，是種植者和農(nóng)業(yè)科研人員重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。上述問題既與大棚的固有屬性相關(guān)，也受經(jīng)濟(jì)投入的影響。通過增加經(jīng)濟(jì)投入、改進(jìn)管理方法及完善設(shè)施設(shè)備，可以在一定程度上提高大棚的使用效能。

人工的可控環(huán)境是大棚生產(chǎn)的基礎(chǔ)，對(duì)大棚內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控可以保證作物在理想條件下正常生長，是解決大棚生產(chǎn)所面臨問題的有效方法。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控是通過人工觀察并記載各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)，然后以作物的生長狀態(tài)為依據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)環(huán)境條件進(jìn)行控制。這種方法受監(jiān)控人員的主觀感受和知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的影響較大，監(jiān)控精確度不高，且耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力，不能滿足農(nóng)業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)的要求[7]。

隨著科學(xué)的發(fā)展，人們?cè)O(shè)計(jì)了多種新型的大棚環(huán)境監(jiān)控方法，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮出明顯的效果。侯玉佳設(shè)計(jì)了一種基于DSP的大棚病蟲害監(jiān)控系統(tǒng)，采集病蟲害的發(fā)生面積和動(dòng)態(tài)，提高了病蟲害的管理水平[8]。柳軍等設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境因子的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，且在降低功耗的同時(shí)提高了穩(wěn)定性[9]。在這些技術(shù)的基礎(chǔ)上誕生的物聯(lián)網(wǎng)是將大量傳感器和信息處理器通過無線網(wǎng)絡(luò)整合成一個(gè)系統(tǒng)，用于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行智能識(shí)別和精準(zhǔn)管理的方法[10]。環(huán)境監(jiān)控是物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重要應(yīng)用內(nèi)容，其通過傳感器采集環(huán)境參數(shù)，經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳遞給應(yīng)用分析模塊后形成管理決策，提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量[11]。物聯(lián)網(wǎng)也推動(dòng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的升級(jí)，當(dāng)前的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)和設(shè)施農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)模式都引入物聯(lián)網(wǎng)用于環(huán)境的監(jiān)控[12-16]。

大棚是一種較為簡易的農(nóng)業(yè)設(shè)施，建設(shè)和運(yùn)行的成本較低，在安裝基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)會(huì)面臨設(shè)備費(fèi)用高昂的問題。為此，根據(jù)農(nóng)業(yè)大棚的實(shí)際特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，在滿足監(jiān)控功能的前提下盡可能地降低成本，提高性價(jià)比，使監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)運(yùn)行成本與大棚生產(chǎn)相適應(yīng)。

1 總體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由感知控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用管理層組成，如圖1所示。感知控制層安裝在大棚內(nèi)，包括感知終端和控制終端。感知終端是各種傳感器，用于監(jiān)測環(huán)境中的空氣溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度等參數(shù)，作為物聯(lián)網(wǎng)決策的原始依據(jù)?？刂平K端為電磁閥、繼電器和步進(jìn)電機(jī)，用于操作執(zhí)行裝置的開啟和關(guān)閉，對(duì)上述環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。網(wǎng)絡(luò)傳輸層采用ZigBee無線通訊方式，將感知終端采集的環(huán)境信息匯聚到路由節(jié)點(diǎn)后傳輸給應(yīng)用管理層。應(yīng)用管理層的核心是一個(gè)臺(tái)式計(jì)算機(jī)，對(duì)監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后形成控制決策，以指令的形式經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸層返回到控制終端，達(dá)到調(diào)節(jié)大棚環(huán)境的效果。

圖1 大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的組成

2 組成部分

2.1 感知控制層

感知終端用于采集大棚溫度的設(shè)備為LM-879型空氣溫度傳感器，土壤濕度由歐速OSA-1型土壤水分傳感器采集，光照強(qiáng)度由武漢中科能慧的NHZD10型傳感器采集，CO2濃度由美國FIGARO公司的TGS4160型傳感器采集。將大棚均勻劃分為多個(gè)監(jiān)測區(qū)域，每個(gè)監(jiān)測區(qū)域面積約為200m2，安裝1個(gè)感知節(jié)點(diǎn)。上述傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過AD6673型轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)碼信號(hào)后匯聚到感知節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)傳輸層。傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的RTU通訊協(xié)議，可以通過RS232和RS485型的接口輸出。

大棚的空氣溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度及CO2濃度一旦超過系統(tǒng)設(shè)定的閾值，相應(yīng)的控制終端便會(huì)開啟，對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行調(diào)節(jié)。大棚中空氣溫度過高時(shí)，開啟蒸發(fā)降溫裝置，根據(jù)溫差大小啟動(dòng)相應(yīng)的蒸發(fā)裝置；空氣溫度過低時(shí)，則開啟熱風(fēng)采暖裝置，暖氣由通道輸送到所監(jiān)測區(qū)域的各個(gè)部分。溫度控制的設(shè)備簡單，成本較低，還具有預(yù)熱時(shí)間短和均勻加熱的特點(diǎn)。系統(tǒng)改變傳統(tǒng)的漫灌方式，通過水噴霧法控制大棚土壤濕度。土壤含水量低于作物基本需求時(shí)，GAG型電磁閥開啟安裝在末端管道上的噴頭，實(shí)現(xiàn)局部的變量灌溉；土壤含水量過高時(shí)開啟排水口，同時(shí)啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)快速降低大棚內(nèi)的濕度。光照強(qiáng)度過低時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)鍺燈補(bǔ)充光照；光照強(qiáng)度過高時(shí)，則通過步進(jìn)電機(jī)展開遮陽網(wǎng)增加覆蓋面積，以降低大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度。系統(tǒng)以灌裝的液態(tài)CO2為氣源，用繼電器控制儲(chǔ)存罐的開啟，來實(shí)現(xiàn)定量釋放，以提高CO2濃度。當(dāng)CO2濃度過高時(shí)，則開啟通風(fēng)裝置?？刂平K端所接收的指令來于控制節(jié)點(diǎn)，由DAC7631E型轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為可識(shí)別的模擬信號(hào)。控制終端及節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的大棚區(qū)域與感知終端及節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的區(qū)域一致。

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層負(fù)責(zé)將環(huán)境信息傳輸給應(yīng)用管理層，同時(shí)將控制指令反向傳輸給控制終端，如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)無線傳輸可以采用WiFi、藍(lán)牙和ZigBee這3種通信方式。其中，ZigBee技術(shù)的維護(hù)成本和功率消耗低，還具有較遠(yuǎn)的通信距離和較強(qiáng)的抗干擾能力，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建。系統(tǒng)的ZigBee傳輸采用樹形組網(wǎng)方式，以Cortex A8處理器為核心，通過協(xié)調(diào)器與感知控制層連接，利用Android系統(tǒng)的TCP/IP通信協(xié)議在智能手機(jī)上顯示大棚的環(huán)境信息，同時(shí)基于Socket通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)和存儲(chǔ)。

圖2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層的結(jié)構(gòu)

2.3 應(yīng)用管理層

應(yīng)用管理層的核心計(jì)算機(jī)為聯(lián)想揚(yáng)天4000型電腦，配置包括Intel i7處理器、16G內(nèi)存、2T硬盤和LS2223WC型顯示器。計(jì)算機(jī)安裝Windows10操作系統(tǒng)，在界面上設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)和各項(xiàng)閾值，并實(shí)時(shí)顯示大棚環(huán)境監(jiān)控狀態(tài)。計(jì)算機(jī)中的專家數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫可以分析采集的數(shù)據(jù)并生成專家決策和控制指令。本系統(tǒng)提升了計(jì)算機(jī)的運(yùn)行能力和存儲(chǔ)空間，使其能夠代替服務(wù)器的功能，簡化了系統(tǒng)設(shè)備，降低了物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)成本。

3 功能測試

在蔬菜大棚中測試系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)控效果，種植的蔬菜為西紅柿，測試的對(duì)象包括4個(gè)監(jiān)控區(qū)域，各個(gè)區(qū)域中的西紅柿處于不同的生長階段。因此，根據(jù)各階段的最適生長條件設(shè)定環(huán)境因子閾值，然后觀察系統(tǒng)監(jiān)控所獲得的實(shí)際值。試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠精確控制大棚內(nèi)的空氣溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度，為西紅柿的正常生長提供最適的環(huán)境條件，如表1所示。

表1 系統(tǒng)的功能測試效果

在實(shí)際應(yīng)用過程中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，監(jiān)控的精確度高，并且功率消耗小，體現(xiàn)出較高的性價(jià)比。

4 結(jié)論

根據(jù)農(nóng)業(yè)大棚的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，用于對(duì)大棚內(nèi)的空氣溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度等因子進(jìn)行控制。系統(tǒng)以各類傳感器采集環(huán)境信息，網(wǎng)絡(luò)傳輸層采用ZigBee無線通訊技術(shù)，應(yīng)用管理層以臺(tái)式計(jì)算機(jī)為核心，能夠精確控制大棚內(nèi)的環(huán)境因子，為蔬菜的正常生長提供最適的條件。系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)行穩(wěn)定，監(jiān)控的精確度高，且功率消耗小，具有較高的性價(jià)比，可以提高大棚的生產(chǎn)效率。