智能溫室的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

龐利民

【摘 要】隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向著精細(xì)化、智能化的方向發(fā)展，而溫室自動(dòng)化生產(chǎn)監(jiān)控技術(shù)是智能農(nóng)業(yè)的代表技術(shù)之一，通過對(duì)智能溫室的遠(yuǎn)程監(jiān)控可以對(duì)地塊中的土壤信息、農(nóng)作物的生長信息等進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，對(duì)作物的長勢(shì)、產(chǎn)量做出分析及預(yù)測(cè)，并對(duì)每個(gè)小區(qū)做出科學(xué)決策，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精確性和生產(chǎn)效益。

【關(guān)鍵詞】智能；溫室；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)；設(shè)計(jì)研究

前言：農(nóng)作物的生長一方面取決于農(nóng)作物本身的遺傳特性，另一方面取決于外界環(huán)境因素。只有在具有良好遺傳特性的前提下，同時(shí)具備適宜農(nóng)作物生長的外界環(huán)境因素，農(nóng)作物才能健康生長。同時(shí)，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和大棚技術(shù)的不斷普及，溫室大棚數(shù)量不斷增多。許多溫室大棚的業(yè)主希望能隨時(shí)了解溫室的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，為決策工作提供技術(shù)支持，但目前溫室管理信息化、智能化程度低，大部分管理工作仍需人工完成，隨著人工成本的增加和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，提高溫室的自動(dòng)化程度和普及率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)、高效和高產(chǎn)的要求越來越迫切，溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究逐漸成為熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)要求操作者必須親臨現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)溫度濕度和通風(fēng)系統(tǒng)等的控測(cè)。這種方法不但增加了勞動(dòng)力成本和工作強(qiáng)度，還不利于溫室的實(shí)時(shí)管理。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用也日益廣泛，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；谢芾?、智能化精準(zhǔn)化監(jiān)控是我國溫室發(fā)展的方向。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中也被不斷廣泛應(yīng)用，基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)在溫室管理中的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)溫室的遠(yuǎn)程化和智能化管理，在提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)、降低人工生產(chǎn)成本等方面具有重要作用。

1 智能溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的基本要求

一般情況下智能溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需要滿足以下幾個(gè)要求：一是具備較好的可擴(kuò)展性，即根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)需求實(shí)現(xiàn)不同類型設(shè)備的遠(yuǎn)程控制；二是響應(yīng)速度快。系統(tǒng)要具備較強(qiáng)的時(shí)間控制精度，以迅速的完成各種數(shù)據(jù)采集及設(shè)備的控制，以保證遠(yuǎn)程控制的實(shí)時(shí)性與實(shí)效性；三是穩(wěn)定性。智能溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的工作環(huán)境相對(duì)惡劣，只有保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，才能進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、可靠性；四是較強(qiáng)的功能性及較低的投入成本。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益相對(duì)其他產(chǎn)業(yè)而言相對(duì)較低，如果智能監(jiān)控系統(tǒng)成本過高，會(huì)直接增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本，而影響其經(jīng)濟(jì)效益，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)要充分考慮系統(tǒng)的建設(shè)成本。此外，系統(tǒng)還要具備溫室數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)提取等多項(xiàng)功能，才能更好的滿足智能農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)需求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)涉及植物生理、環(huán)境和自動(dòng)控制技術(shù)等領(lǐng)域，包括加熱系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、簾幕系統(tǒng)、濕簾系統(tǒng)、營養(yǎng)液循環(huán)灌溉系統(tǒng)、施肥系統(tǒng)和光控制系統(tǒng)等，諸多因子組成的復(fù)雜系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)采集每一時(shí)刻的環(huán)境因子信息，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)在線處理分析，溫室控制已從單因子控制發(fā)展成多因子協(xié)調(diào)控制和網(wǎng)絡(luò)化的多溫區(qū)群控。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，工廠化、集約化程度的不斷提高，對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境工程調(diào)控技術(shù)與設(shè)施的要求也越來越高。

溫室環(huán)境控制是在充分利用自然資源的基礎(chǔ)上，通過改變植物生長的環(huán)境因子（溫度、濕度、光照、CO2和施肥等）來獲得作物最適宜的生長發(fā)育環(huán)境。溫室控制軟件系統(tǒng)是一個(gè)控制對(duì)象復(fù)雜，子系統(tǒng)繁多，多因子聯(lián)合控制的大型復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)主要的組成部分可以分解為：信息管理系統(tǒng)、模型管理系統(tǒng)、知識(shí)管理系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都連接到智能控制器，這些系統(tǒng)之間可相互聯(lián)系，這些系統(tǒng)又與數(shù)據(jù)庫、植物生長模型和知識(shí)庫連接，智能控制系統(tǒng)通過傳感器采集溫室內(nèi)環(huán)境和溫室內(nèi)植物生長發(fā)育狀況等信息，采用一定的控制算法，由智能控制器根據(jù)采集到的信息與作物生長模型等比較，通過綜合的運(yùn)算，決策各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，由智能控制器自適應(yīng)地驅(qū)動(dòng)不同的各種設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長環(huán)境智能控制的目的。

3 系統(tǒng)的架構(gòu)

本文所提出的智能溫室遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)，大大降低了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本，降低了系統(tǒng)建設(shè)成本，又保證了數(shù)據(jù)的可靠性。具體而言，該智能溫室遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)包括傳感器信息監(jiān)測(cè)模塊、溫室設(shè)備控制模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊及植物生長專家數(shù)據(jù)模塊、遠(yuǎn)程傳輸監(jiān)控模塊。

3.1傳感器的信息監(jiān)測(cè)模塊：作物生長所需要的各種信息，如溫度、濕度、光照、CO2、施肥的營養(yǎng)液成分、生長狀態(tài)等和生長環(huán)境設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的技術(shù)數(shù)據(jù)，通過不同類型的傳感器采集，并將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以數(shù)字或圖示的形式實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，使用者便于觀察和進(jìn)行反饋控制調(diào)節(jié)。

3.2溫室設(shè)備控制模塊：可以通過該模塊控制各種環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備，如電磁閥、灌溉泵、通風(fēng)機(jī)、營養(yǎng)液泵等等。根據(jù)設(shè)定的控制方式，可以采用手動(dòng)控制（直接從屏幕上點(diǎn)擊要控制的設(shè)備）、自動(dòng)控制兩種模式。而且不同的設(shè)備還可以單獨(dú)設(shè)定采用不同的控制策略。

3.3報(bào)警功能模塊：系統(tǒng)包含一套很優(yōu)越的報(bào)警系統(tǒng)，允許使用者設(shè)定不同類型的報(bào)警條件。基本報(bào)警功能包括：過高或者過低的絕對(duì)值報(bào)警（如溫度、EC值）；過高或者過低的漂浮值形式報(bào)警（如加溫設(shè)定）；有條件的連接式報(bào)警（如溫室內(nèi)外溫度比較）；有差異值設(shè)定形式報(bào)警（如控制設(shè)備）；太高或者太低傳感器讀數(shù)形式，壞掉報(bào)警（指傳感器數(shù)據(jù)超出了其測(cè)量范圍）。所有的報(bào)警功能可以設(shè)定他們的優(yōu)先級(jí)別，并且當(dāng)有警報(bào)時(shí)可以設(shè)定相關(guān)的設(shè)備自動(dòng)失效一段時(shí)間，使整個(gè)系統(tǒng)具有一定的安全性。

3.4數(shù)據(jù)記錄模塊：該模塊可以完成從控制器中下載已經(jīng)存儲(chǔ)的各種數(shù)據(jù)，既有傳感器數(shù)據(jù)，也有各種控制設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并且可以通過圖形的方式將其表現(xiàn)在屏幕上，有利于使用者觀察、分析數(shù)據(jù)。同時(shí)可以將數(shù)據(jù)保存成通用的文本格式，使用其他軟件來分析數(shù)據(jù)。

3.5事件記錄模塊：它可以保存設(shè)備操作的記錄，或者其他的任何事件的記錄，這些記錄可以提供使用者了解對(duì)該設(shè)備的操作次數(shù)和狀態(tài)；從而對(duì)設(shè)備的保養(yǎng)和維修進(jìn)行正確地判斷。例如：可以判斷馬達(dá)皮帶磨損和電風(fēng)扇馬達(dá)的損壞，可計(jì)算能源的消耗量等。

3.6植物生長專家數(shù)據(jù)模塊：根據(jù)不同生長環(huán)境對(duì)植物影響機(jī)理，建立了植物與環(huán)境影響的數(shù)據(jù)庫，根據(jù)不同生長環(huán)境對(duì)植物影響機(jī)理，建立基于層次型的“生長周期-環(huán)境參數(shù)-控制方式-作物影響” 植物生長環(huán)境適應(yīng)性的專家知識(shí)庫，為溫室環(huán)境的控制提供了依據(jù)。不同作物在植物生長周期不同階段所需的光照、溫度、水分、營養(yǎng)等環(huán)境參數(shù)都不一樣，通過光照、溫濕度、澆水、施肥、通風(fēng)等進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)作物生長提供最優(yōu)的生長環(huán)境。

3.7遠(yuǎn)程傳輸監(jiān)控模塊：根據(jù)遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)管要求，建立了基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸與環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)溫室的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)共享，解決了連棟溫室室內(nèi)環(huán)境遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的擴(kuò)展性問題，提高了系統(tǒng)的應(yīng)用性和推廣性。

參考文獻(xiàn)：

[1]于海業(yè)，馬成，王振華，等.遠(yuǎn)程控制技術(shù)在溫室環(huán)境控制中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，3（06）：160-163.

[2]張榮標(biāo)，谷國棟，馮友兵，等.基于 IEEE802.15.4的溫室無線監(jiān)控系統(tǒng)的通信實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，39（08）：119-124.

（作者單位：寧波大龍農(nóng)業(yè)科技有限公司）