基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室終端控制研究與應(yīng)用

文/崔玉萍

近年來(lái)位于河西地區(qū)武威市古浪縣的日光溫室，在精準(zhǔn)扶貧產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)下發(fā)展迅速，但黃花灘移民區(qū)大多數(shù)日光溫室生產(chǎn)方式落后，科技含量低，生產(chǎn)自動(dòng)化程度有待提高，日光溫室產(chǎn)業(yè)急需融合科技控制技術(shù)，達(dá)到精準(zhǔn)控制生產(chǎn)要素，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。突出發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)種植業(yè)的發(fā)展。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日光溫室終端控制與應(yīng)用就是以日光溫室農(nóng)作物的生長(zhǎng)參數(shù)作為測(cè)控的主要對(duì)象，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)對(duì)作物的生長(zhǎng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、傳輸、存儲(chǔ)、分析和控制，提高設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的智能化控制和規(guī)范化管理水平,改變傳統(tǒng)日光溫室栽種中管理科技含量低、效率低、投入產(chǎn)出比低的狀況,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。本文選取武威市古浪縣黃花灘移民區(qū)9號(hào)點(diǎn)連棟日光溫室作為研究對(duì)象，研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室終端控制技術(shù)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)顯示與可視化的數(shù)據(jù)查詢及分析，并監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能控制，提高日光溫室生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能溫室大棚控制器是一種高性能監(jiān)控儀器，它具有“智能”、“記憶”、“遠(yuǎn)程控制”及“節(jié)省勞動(dòng)力”等四大顯著特點(diǎn)。設(shè)備采用先進(jìn)的微傳感器技術(shù)將日光溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度、二氧化碳、光照等多種環(huán)境參數(shù)采集到微電腦處理器中，微電腦通過智能設(shè)置及算法，自動(dòng)開啟或關(guān)閉風(fēng)機(jī)、濕簾、加熱設(shè)備等，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)整，濕度調(diào)整、通風(fēng)散熱，加熱保溫，定時(shí)光照、智能灌溉、故障報(bào)警等功能，使標(biāo)準(zhǔn)化大棚溫室內(nèi)環(huán)境在無(wú)人值守的情況下設(shè)備能自動(dòng)工作。系統(tǒng)主要包括輸入接口、模擬傳感器、輸出端口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、操作終端及軟件平臺(tái)。系統(tǒng)通過各種傳感器等監(jiān)測(cè)設(shè)備感知溫室內(nèi)的環(huán)境信息。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過通信終端進(jìn)入上位機(jī)系統(tǒng)，并對(duì)溫室監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算分析和共享，溫室環(huán)境控制算法通控制終端對(duì)調(diào)控設(shè)備進(jìn)行控制。該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)還可以通過手機(jī)APP或手機(jī)流量短信向用戶發(fā)送實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息、預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)日光溫室集成化、網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 智能控制系統(tǒng)

遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)使技術(shù)人員在辦公室就能對(duì)多個(gè)大棚的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)測(cè)量獲得作物生長(zhǎng)的最佳條件，可以為溫室精準(zhǔn)調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)，達(dá)到增產(chǎn)、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長(zhǎng)周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。日光溫室、連棟溫室控制設(shè)備包括內(nèi)遮陽(yáng)、外遮陽(yáng)、風(fēng)機(jī)、濕簾水泵、頂部通風(fēng)、電磁閥等設(shè)備，測(cè)控系統(tǒng)由平板電腦、測(cè)控模塊、各種傳感器、電磁閥、配電控制柜及安裝附件組成，通過無(wú)線Wi-Fi或GPRS模塊與綜合控制中心連接。通過傳感器檢測(cè)空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤水分、光照強(qiáng)度及二氧化碳等參數(shù)，構(gòu)建測(cè)控點(diǎn)實(shí)現(xiàn)日光溫室環(huán)境獲取、自動(dòng)灌溉、自動(dòng)控制等功能，提高設(shè)施生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化程度，具有較好的示范展示效果。

通過光照、溫度、濕度、日照數(shù)這些無(wú)線傳感器，對(duì)溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度、空氣和土壤溫度、空氣和土壤濕度、日照數(shù)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并進(jìn)行分析，依據(jù)分析結(jié)果，自動(dòng)開啟或者關(guān)閉指定設(shè)備(如遠(yuǎn)程控制澆灌、開關(guān)卷簾等)。同時(shí)在溫室現(xiàn)場(chǎng)布置攝像頭等監(jiān)控設(shè)備，適時(shí)采集視頻信號(hào)。用戶通過電腦或4G手機(jī)，隨時(shí)隨地觀察現(xiàn)場(chǎng)情況、查看現(xiàn)場(chǎng)溫濕度等數(shù)據(jù)和控制遠(yuǎn)程智能調(diào)節(jié)指定設(shè)備。

圖2：中央控制室

圖3：系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控圖

物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)不僅能對(duì)智能溫室大棚生產(chǎn)過程中的參數(shù)在線高精度測(cè)量,而且能實(shí)現(xiàn)棚內(nèi)調(diào)溫、灌溉等智能控制或報(bào)警提示，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)保濕、通風(fēng)、光照調(diào)節(jié)和歷史數(shù)據(jù)的記錄。主控中心和大棚控制器之間采用無(wú)線電臺(tái)或有線進(jìn)行連接，每棟大棚內(nèi)，溫度、濕度、光照等信號(hào)均模塊化，不僅擴(kuò)展靈活而且可多點(diǎn)取樣，大棚數(shù)據(jù)反映準(zhǔn)確迅速?？赏ㄟ^現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)更改大棚號(hào)和名稱。主控中心軟件界面采用數(shù)碼管和儀表盤顯示形式，顯示直觀、可視性好、界面精美。該軟件可顯示設(shè)置室內(nèi)外溫度、濕度、光照等參數(shù)，并能進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)控制和切換、自動(dòng)報(bào)警通知等。溫室測(cè)控點(diǎn)平板電腦、測(cè)控模塊、各種傳感器、電磁閥、配電控制柜及安裝附件組成，無(wú)線Wi-Fi或GPRS模塊與綜合控制中心連接。示范聯(lián)棟溫室內(nèi)傳感器檢測(cè)空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤水分、光照強(qiáng)度及二氧化碳等參數(shù)?？刂圃O(shè)備包括內(nèi)遮陽(yáng)、外遮陽(yáng)、風(fēng)機(jī)、濕簾水泵、頂部通風(fēng)、電磁閥等設(shè)備。并對(duì)基地設(shè)施條件較好的日光溫室，構(gòu)建測(cè)控點(diǎn)實(shí)現(xiàn)日光溫室環(huán)境獲取、自動(dòng)灌溉、自動(dòng)控制等功能。該日光溫室、連棟溫室測(cè)控點(diǎn)的建立進(jìn)一步提高設(shè)施生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化程度，具有較好的示范展示效果。中央控制室如圖2所示。

2.1 溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

選用二個(gè)聯(lián)棟溫室，在每個(gè)聯(lián)棟溫室內(nèi)分別裝置空氣溫度傳感器，夏天氣溫升高，如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)溫室內(nèi)某個(gè)空氣溫度傳感器監(jiān)測(cè)到溫室內(nèi)溫度超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的適合農(nóng)作物的溫度，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)相對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)和天窗進(jìn)行排風(fēng)，啟動(dòng)濕簾給溫室降溫，直至溫室溫度值達(dá)到預(yù)設(shè)的區(qū)間。

2.2 濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

系統(tǒng)通過溫室內(nèi)分布的空氣濕度傳感器，自動(dòng)定時(shí)監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)空氣濕度，如發(fā)現(xiàn)濕度過高，則會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)風(fēng)機(jī)工作，給溫室通風(fēng)換氣，降低溫室內(nèi)濕度，如發(fā)現(xiàn)空氣濕度過低，則會(huì)啟動(dòng)加濕水簾。直到空氣濕度滿足作物生長(zhǎng)要求。

2.3 光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

在大棚里布置多個(gè)光照強(qiáng)度傳感器，分別對(duì)應(yīng)溫室的內(nèi)外遮陽(yáng)系統(tǒng)，只要光照傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)內(nèi)設(shè)的數(shù)據(jù)發(fā)生了偏差，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)遮陽(yáng)或補(bǔ)光燈系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)調(diào)節(jié)，直到棚內(nèi)光照滿足作物所需。

2.4 自動(dòng)澆灌控制系統(tǒng)

智能澆灌系統(tǒng)是根據(jù)分布在溫室內(nèi)的土壤水分傳感器監(jiān)測(cè)到的即時(shí)土壤水分參數(shù)，根據(jù)不同的作物，在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定不同的土壤水分參數(shù)區(qū)間，只要實(shí)測(cè)參數(shù)偏離正常區(qū)間值，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)對(duì)各灌溉電磁閥精確控制，確保每塊種植區(qū)域的土壤水分都符合該區(qū)塊作物的生長(zhǎng)要求。可對(duì)智能灌溉、水肥一體化、大棚設(shè)施進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)控制。依據(jù)監(jiān)測(cè)信息和預(yù)先設(shè)定的控制閾值，啟動(dòng)自動(dòng)控制執(zhí)行設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)智能設(shè)置控制閾值，遠(yuǎn)程在線自動(dòng)控制、實(shí)時(shí)手動(dòng)控制，并能在參數(shù)達(dá)到正常合理值得時(shí)候，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)停。

3 系統(tǒng)應(yīng)用分析

該系統(tǒng)在武威市古浪縣黃花灘移民區(qū)9號(hào)點(diǎn)日光溫室園區(qū)進(jìn)行安裝調(diào)試，溫室內(nèi)種植辣椒、試驗(yàn)期間辣椒處于幼苗期，選擇兩棟日光溫室安裝基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室終端控制系統(tǒng)。

3.1 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的溫室內(nèi)的要素包括空氣相對(duì)濕度、溫度、土壤溫度、光照強(qiáng)度和CO2 濃度和六大要素以實(shí)時(shí)曲線的方式顯示，準(zhǔn)確記錄歷史數(shù)據(jù)同時(shí)及時(shí)分析各參數(shù)變化對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，確保實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)施作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)的精確監(jiān)測(cè)，圖 3所示為2019年 1月10 日（室外溫度為-3 ～-10℃）1# 實(shí)驗(yàn)日光溫室內(nèi)某一時(shí)刻的空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、CO2濃度變化曲線。從圖3所示中可以看出，通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)控，溫室內(nèi)溫度基本控制在 15 ～28℃范圍內(nèi)，空氣濕度在 50% ～70% 之間，均在辣椒植株地上部分生長(zhǎng)的適溫范圍內(nèi)。辣椒處于幼苗期時(shí)，土壤呼吸旺盛，群體光合較弱，且冬季日光溫室?guī)缀跆幱谌]狀態(tài)，因而辣椒 CO2水平較高，基本維持在 500ppm 以上，未發(fā)生 CO2虧缺，因此不需要進(jìn)行CO2施肥。

圖4

圖5

3.2 視頻監(jiān)控

從總體上來(lái)看，圖像和視頻提供的農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)信息更加豐富和直觀。運(yùn)用系統(tǒng)中的高清視頻設(shè)備，通過無(wú)線橋網(wǎng)傳輸，將作物生長(zhǎng)情況以及病害發(fā)生情況的圖片信息，為作物遠(yuǎn)程病蟲害診斷及環(huán)境信息采集控制系統(tǒng)提供有效的數(shù)據(jù)支持。相關(guān)專家可以通過互聯(lián)網(wǎng)對(duì)各地生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)與診斷，實(shí)現(xiàn)重大病蟲害的預(yù)防監(jiān)測(cè)，為最終實(shí)現(xiàn)武威市范圍內(nèi)規(guī)?；a(chǎn)的基地聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)奠定基礎(chǔ)。

安裝基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室終端控制系統(tǒng)能提高溫室作物生產(chǎn)效率，該項(xiàng)技術(shù)是溫室生產(chǎn)的核心競(jìng)爭(zhēng)力、融合了傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)通信以及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)被被河西地區(qū)越來(lái)越多地運(yùn)用到日光溫室生產(chǎn)，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)利用手機(jī)短信、電子顯示屏、網(wǎng)站等多媒體發(fā)布低溫預(yù)警服務(wù)，并采用遠(yuǎn)程智能控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室定時(shí)加溫。由此可以看出，我國(guó)河西地區(qū)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究廣泛深入，總體上處于試驗(yàn)示范階段，規(guī)模小且分散。本研究以連棟日光溫室作為應(yīng)用對(duì)象，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了日光溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溫室內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和農(nóng)業(yè)管理的自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)，結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性和實(shí)用性，對(duì)于實(shí)現(xiàn)溫室的智能化測(cè)控管理，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，創(chuàng)造大棚生產(chǎn)的最佳效益將產(chǎn)生積極作用。