基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚探究

苗子涵　張福熊　張　晟

基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚探究

苗子涵張福熊張晟

（荊楚理工學(xué)院湖北荊門(mén)448000）

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，各種現(xiàn)代化高新科技發(fā)展速度也呈現(xiàn)逐年加快趨勢(shì)，比如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)大棚領(lǐng)域快速發(fā)展，在提升農(nóng)作物產(chǎn)量的同時(shí)提高了生產(chǎn)效率。文章基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際做好相應(yīng)整理和總結(jié)。

物聯(lián)網(wǎng)；光伏農(nóng)業(yè)大棚；研究

現(xiàn)階段我國(guó)溫室大棚栽植已經(jīng)形成規(guī)模，近年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也進(jìn)一步加速了農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的持續(xù)更新和完善，基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚開(kāi)始逐漸成為主流趨勢(shì)，這也為不斷提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動(dòng)化水平奠定了基礎(chǔ)。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚的特征

基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)溫室大棚控制系統(tǒng)，主要以光伏供電、監(jiān)測(cè)模塊、微機(jī)處理中心、ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等共同組成系統(tǒng)架構(gòu)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)農(nóng)業(yè)溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、調(diào)控的目的，期間搭配存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理設(shè)備，保障無(wú)線傳感網(wǎng)與傳統(tǒng)信息網(wǎng)可以交互連接，農(nóng)戶(hù)可隨時(shí)隨地用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器或者智能手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管控大棚，從而在解放人力、減輕作業(yè)壓力的基礎(chǔ)上有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，實(shí)現(xiàn)高效、低耗的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式[1]。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚的價(jià)值優(yōu)勢(shì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚的價(jià)值優(yōu)勢(shì)十分突出，其本身集太陽(yáng)能光伏、風(fēng)電、WSN等先進(jìn)技術(shù)于一體，可形成嚴(yán)格按照農(nóng)作物生長(zhǎng)條件創(chuàng)設(shè)生長(zhǎng)環(huán)境的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚多采取燒煤甚至電能保溫形式為農(nóng)作物生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的生長(zhǎng)環(huán)境，但其負(fù)面特性也比較明顯。比如傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚一旦實(shí)施保溫方案，農(nóng)戶(hù)經(jīng)濟(jì)投入成本便會(huì)不斷增加，尤其是采取燒煤保溫時(shí)極易造成有害氣體填充區(qū)域，環(huán)境遭受污染，安全隱患極大。而基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚以太陽(yáng)能為核心能源開(kāi)展相關(guān)工作，太陽(yáng)能又屬于清潔能源，取之不盡用之不竭，環(huán)保無(wú)公害無(wú)污染效果顯著。以此使相應(yīng)光伏農(nóng)業(yè)大棚經(jīng)太陽(yáng)能所發(fā)電能安全轉(zhuǎn)化為農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的光合輻射能，滿(mǎn)足農(nóng)作物生長(zhǎng)同時(shí)保障光電轉(zhuǎn)換效率，以提升區(qū)域電力水平。綜合來(lái)看，基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚有降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的根本優(yōu)勢(shì)，為開(kāi)拓太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品提供了參考依據(jù)。總體來(lái)看，基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚實(shí)踐，通過(guò)在溫室大棚向陽(yáng)側(cè)做太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備布控，按照智能化控制系統(tǒng)搭配不同傳感器采集農(nóng)作物溫濕度、水分、光照等信息，再由計(jì)算機(jī)集中處理分析，最終便可營(yíng)造完全適合大棚內(nèi)作物生長(zhǎng)的環(huán)境，有效防控作物生長(zhǎng)期間可能遭受的病蟲(chóng)害風(fēng)險(xiǎn)，使之達(dá)到生產(chǎn)效益預(yù)期，并且進(jìn)一步為我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的培育發(fā)展指明方向。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐

3.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚運(yùn)行模式

基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐必須突出光伏大棚的功能作用，實(shí)際操作時(shí)必須在大棚向陽(yáng)面棚頂鋪設(shè)光伏裝置，保障充分開(kāi)發(fā)利用能源，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在此期間需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況積極調(diào)整適合棚內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境條件，全面監(jiān)控整個(gè)大棚，利用各種無(wú)線傳感器及時(shí)收集農(nóng)作物數(shù)據(jù)，將之上傳至微機(jī)處理中心進(jìn)行處理分析，最終達(dá)到有效提高大棚農(nóng)作物產(chǎn)量的目的。

3.2 明確系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)原則要點(diǎn)

基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則要點(diǎn)是從創(chuàng)新、可持續(xù)、環(huán)保等層面出發(fā)合理設(shè)計(jì)，就目前的現(xiàn)實(shí)情況而言，我國(guó)市場(chǎng)上智能化農(nóng)業(yè)大棚和光伏大棚都屬于創(chuàng)新研究的產(chǎn)物，因此基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須體現(xiàn)創(chuàng)新性原則，即充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的功能特性。除此之外必須綜合考量未來(lái)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展方向和發(fā)展需求，突出現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)模式的可持續(xù)發(fā)展特質(zhì)，最后在設(shè)計(jì)實(shí)踐的所有環(huán)節(jié)都需遵循環(huán)保性標(biāo)準(zhǔn)，保障光伏發(fā)電系統(tǒng)順利施行、穩(wěn)步投運(yùn)，從而達(dá)到有效降低環(huán)境污染的目的。

3.3 溫濕度控制模塊的合理設(shè)置

（1）注意溫度控制設(shè)置合理性，嚴(yán)格按照農(nóng)作物三基點(diǎn)溫度（農(nóng)作物生長(zhǎng)期間的最低耐受溫度、最佳溫度、最高耐受溫度），實(shí)時(shí)控制基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)溫度，以大幅提升棚內(nèi)農(nóng)作物發(fā)育速率和產(chǎn)出質(zhì)量，任何植物一旦生長(zhǎng)發(fā)育期長(zhǎng)時(shí)間處在最低溫或最高溫附近，就只能維系基本的生命活性，生長(zhǎng)效率便會(huì)因此大打折扣。所以在冬季，對(duì)大棚內(nèi)部進(jìn)行適度升溫控制設(shè)定時(shí)，必須按照棚內(nèi)溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫度值并借助ZigBee組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)向控制器傳輸，以此保障控制器可依據(jù)作物最佳生長(zhǎng)溫度并結(jié)合實(shí)際室溫偏差進(jìn)行及時(shí)調(diào)控。

在夏季時(shí)，則要注意降溫控制，這個(gè)過(guò)程中主要以自然通風(fēng)、強(qiáng)制性通風(fēng)、混合型通風(fēng)的形式體現(xiàn)，控制器仍舊依據(jù)棚內(nèi)溫度和實(shí)際室溫偏差進(jìn)行調(diào)控，可開(kāi)啟兩側(cè)風(fēng)簾進(jìn)行自然通風(fēng)，也可使用鼓風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)，甚至可采取濕簾水泵和人工聯(lián)合降溫等舉措，保障棚內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程的環(huán)境溫度始終處在舒適區(qū)。

（2）對(duì)于濕度控制，必須全面分析農(nóng)作物生命活動(dòng)特征，了解其屬于哪一類(lèi)作物，比如濕潤(rùn)型作物、半濕潤(rùn)型作物、干燥型作物、半干燥型作物，明確良好的空氣濕度也是決定作物的生長(zhǎng)質(zhì)量和生長(zhǎng)效率的關(guān)鍵因素，空氣濕度低便會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物光合作用減弱，濕度高作物植株散熱就會(huì)減少。所以此期間基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)必須通過(guò)計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)濕度，傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)棚內(nèi)濕度，濕度低時(shí)開(kāi)啟噴霧閥門(mén)，濕度高時(shí)關(guān)閉噴霧閥門(mén)，并搭配風(fēng)簾控制棚內(nèi)氣體流暢度，根據(jù)濕度把控噴灌速率和時(shí)間段，以此提升棚內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)時(shí)效性[2]。

3.4 光照及水分控制功能的專(zhuān)業(yè)布控

3.4.1 光照控制功能的專(zhuān)業(yè)布控

光照是農(nóng)作物有效光合作用的基礎(chǔ)要素，基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐必須針對(duì)不同階段各農(nóng)作物對(duì)光的需求標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)設(shè)置棚內(nèi)光照強(qiáng)度，按照分區(qū)種植，分區(qū)域劃分棚內(nèi)溫室系統(tǒng)，以提供不同的光照強(qiáng)度給相應(yīng)作物，使之生長(zhǎng)效益能夠完全達(dá)到預(yù)期。

按照對(duì)光的需求不同，植物大體可分為兩類(lèi)，即陽(yáng)性植物和陰性植物，陽(yáng)性農(nóng)作物在強(qiáng)光照環(huán)境下自身生命活動(dòng)會(huì)顯著提升，產(chǎn)量和品質(zhì)就會(huì)因此逐漸提高；陰性農(nóng)作物在弱光甚至蔭蔽環(huán)境下長(zhǎng)勢(shì)較好。但需要注意的是，很多成株農(nóng)作物不同生長(zhǎng)階段可能對(duì)于光照需求會(huì)有明顯差異，比如作物幼苗期畏強(qiáng)光，成熟期又喜強(qiáng)光等。所以從實(shí)際出發(fā)，深度分析研究不同農(nóng)作物光照強(qiáng)度需求標(biāo)準(zhǔn)，基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚在此期間以區(qū)域所種植不同作物需求，分段、分區(qū)設(shè)置光照強(qiáng)度，便可在促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)效率的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增產(chǎn)。

也可按照植物對(duì)光照周期反應(yīng)各異的原則，合理設(shè)置相應(yīng)的農(nóng)作物光照時(shí)限、類(lèi)型等。比如所需光照較長(zhǎng)的植物在生長(zhǎng)期間往往需要適度延長(zhǎng)光照時(shí)間，確保其24 小時(shí)內(nèi)至少有2/3左右的時(shí)間處于強(qiáng)光照環(huán)境，以此方能迅速生長(zhǎng)發(fā)育。與之相對(duì)的部分陰性農(nóng)作物需要在降低光照強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，縮短光照時(shí)間，從而使之長(zhǎng)勢(shì)能夠完全達(dá)到預(yù)期。需要注意的是，一些中間性農(nóng)作物對(duì)于光照強(qiáng)弱、時(shí)間并沒(méi)有較大反應(yīng)，只需周?chē)鷳B(tài)環(huán)境穩(wěn)定即可正常生長(zhǎng)發(fā)育，在其種植過(guò)程中便不用過(guò)度追求光照控制，只需模擬自然光照，為其提供良好的發(fā)育條件，即可達(dá)到提質(zhì)增產(chǎn)的目的。

該系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)應(yīng)以遮光、補(bǔ)光模塊控制來(lái)體現(xiàn)，遮光布控需在實(shí)時(shí)判定農(nóng)作物類(lèi)型特征，明確其關(guān)照時(shí)限的基礎(chǔ)上，將內(nèi)置傳感器采集的數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)規(guī)定光照目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，若高于目標(biāo)值則自動(dòng)開(kāi)啟外部遮陰網(wǎng)濾光，未達(dá)到目標(biāo)值則收攏遮陰網(wǎng)，做自然補(bǔ)光即可。而補(bǔ)光布控，則是在天氣陰沉或者晝短夜長(zhǎng)環(huán)境下，全方位分析判斷農(nóng)作物類(lèi)型及其所需光照強(qiáng)弱、時(shí)間，然后以大棚內(nèi)置傳感器所采集數(shù)據(jù)為依托，對(duì)比計(jì)算機(jī)原始所設(shè)光照標(biāo)準(zhǔn)，高于目標(biāo)值時(shí)關(guān)停補(bǔ)光燈，未達(dá)到目標(biāo)值時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟補(bǔ)光燈。最終體現(xiàn)農(nóng)作物生長(zhǎng)效益、發(fā)育品質(zhì)。

3.4.2 水分控制功能的專(zhuān)業(yè)布控

水分控制功能的專(zhuān)業(yè)布控則以計(jì)算機(jī)分控自動(dòng)灌溉、定時(shí)灌溉的設(shè)計(jì)來(lái)呈現(xiàn)，明確土壤濕度的前提下，選擇滴灌、噴灌、微噴、滲灌等方式，以保障棚內(nèi)土壤充分吸收水分。需要注意的是，該功能模塊應(yīng)由自動(dòng)灌溉和定時(shí)灌溉兩大塊組成，自動(dòng)灌溉即計(jì)算機(jī)內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)土壤濕度記錄器，依據(jù)傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)全面對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)土壤濕度，高于限值時(shí)關(guān)閉自動(dòng)灌溉，未達(dá)限值時(shí)開(kāi)啟自動(dòng)灌溉。而定時(shí)灌溉即按照不同時(shí)段，選擇合理灌溉方式，并科學(xué)設(shè)定灌溉次數(shù)，使區(qū)域內(nèi)土壤充分吸收水分，最終達(dá)到促進(jìn)光伏大棚農(nóng)作物提質(zhì)增產(chǎn)的目的[3]。

3.5 客戶(hù)端內(nèi)容

按照數(shù)據(jù)層、后端層、分析層、用戶(hù)層組構(gòu)客戶(hù)端，使物聯(lián)網(wǎng)可以和PC、智能手機(jī)端做實(shí)時(shí)交互連接，農(nóng)戶(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可直接查驗(yàn)管理光伏大棚內(nèi)農(nóng)作物，了解棚內(nèi)實(shí)際情況，從而快速解決各種問(wèn)題。

4 小結(jié)

通過(guò)基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚的研究分析，可以看出實(shí)踐期間必須關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的光伏農(nóng)業(yè)大棚運(yùn)行模式，明確系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)原則要點(diǎn)，合理設(shè)置溫濕度控制模塊，以及專(zhuān)業(yè)布控光照及水分控制功能，科學(xué)開(kāi)發(fā)客戶(hù)端，才能保障實(shí)踐應(yīng)用效益，這也是我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)得以穩(wěn)定、高效、快速發(fā)展的必要依據(jù)。

[1]余金潤(rùn),劉雅莉,謝衛(wèi)鋆,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚的研究[J].現(xiàn)代信息科技,2020,4(10):162-165.

[2]楊玉霞,湯金金.太陽(yáng)能農(nóng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)——基于智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息采集[J].農(nóng)機(jī)化研究,2018,40(5):259-263.

[3]郭琳,張孝存,韓文霆,等.基于多能互補(bǔ)的光伏木耳大棚智慧控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2020,48(4):146-154.

苗子涵（1998- ），男，漢族，湖北宜昌人，本科在讀，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

10.3969/j.issn.2095-1205.2020.11.45

S625

A

2095-1205(2020)11-93-02