室內(nèi)無土栽培農(nóng)作物生長環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)

孫 興 馬冰冰 雷印勝

一、前言

不忘初心，砥礪前行。我國作為一個人口超過14 億的世界人口第一大國，有著廣袤的國土資源，有超過18 億畝的可耕種農(nóng)田，按照第七次人口普查資料，大陸31 個省、自治區(qū)、直轄市和現(xiàn)役軍人中，居住在鄉(xiāng)村的人口為50979 萬人，占總?cè)丝诘?6.11%，農(nóng)民生活水平的提高，對提升全國人民的幸福指數(shù)具有重要的戰(zhàn)略意義。然而隨著我國人口數(shù)量的不斷增加和城市建設的擴張，對可耕種農(nóng)田的數(shù)量要求將帶來很大的壓力，為有效解決這一矛盾，就需要用新的技術(shù)和方法來解決這一矛盾。第一種措施就是利用新的種植技術(shù)增加單位畝產(chǎn)量，另一種就是增加種植面積。因此室內(nèi)無土栽培農(nóng)作物就是一種有效的途徑，它等同于增加了有效種植面積，并且已經(jīng)在國外不同的國家取得了成功的經(jīng)驗。室內(nèi)無土栽培農(nóng)作物是一個復雜的系統(tǒng)工程，不僅需要創(chuàng)造適合農(nóng)作物生長的環(huán)境，還涉及農(nóng)作物生長的養(yǎng)分配比等構(gòu)成。本文重點介紹室內(nèi)無土栽培農(nóng)作物生長環(huán)境智能監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)的實現(xiàn)。

二、室內(nèi)無土栽培農(nóng)作物生長環(huán)境智能監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀分析

自從1946 年2 月在美國的賓夕法尼亞大學第一臺正式投入運行的電子計算機問世以來，經(jīng)過近75 年的發(fā)展，使數(shù)字信息技術(shù)得到了快速發(fā)展，不僅實現(xiàn)有線和無線的萬物互聯(lián)，而且人工智能和云計算技術(shù)促進了各種智能農(nóng)業(yè)機械研制和生產(chǎn)，使用各種APP 應用程序便于操作人員可以通過移動智能終端設備實現(xiàn)近距離和遠程操控，大大提高了勞動生產(chǎn)效率，現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)已經(jīng)在逐步實現(xiàn)，為實現(xiàn)我國的農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化奠定了堅實的基礎(chǔ)。

在世界經(jīng)濟全球化、現(xiàn)代信息技術(shù)互通共融的時代背景下，世界正經(jīng)歷百年未有之大變局，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)正在從傳統(tǒng)的種植模式進入現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)時代，各種無人操控的智能農(nóng)業(yè)機械設備正在逐步開發(fā)生產(chǎn)和使用，北斗衛(wèi)星的成功組網(wǎng)為智慧農(nóng)業(yè)插上了騰飛的翅膀，真正的農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化正在實現(xiàn)的路上。例如，通過人工智能技術(shù)可以實現(xiàn)無人看守農(nóng)場、無土栽培種植、無人機播種和收割、無人駕駛飛機實施噴灑農(nóng)藥、無人駕駛飛機施肥和自動灌溉等等，不僅降低了傳統(tǒng)種植模式的勞動強度，而且提高了勞動生產(chǎn)率，能釋放更多的勞動力從事其它更有價值的工作，從而大幅提高了人們的生活質(zhì)量和幸福指數(shù)。

自然界的農(nóng)作物生長需要室外有適合的環(huán)境溫度、充足的日照光合作用、進行授粉所需的自然風速、土壤環(huán)境濕度、土壤養(yǎng)分等等。室內(nèi)無土栽培農(nóng)作物生長環(huán)境雖然是在一個相對密閉的空間內(nèi)，同樣需要一個適合農(nóng)作物生長的環(huán)境，因此就需要通過人為創(chuàng)造一個模擬生態(tài)環(huán)境，通過調(diào)控各種環(huán)境參數(shù)才能滿足農(nóng)作物的茁壯成長。室內(nèi)無土栽培農(nóng)作物生長環(huán)境智能監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)就是利用現(xiàn)代信息技術(shù)，通過對室內(nèi)環(huán)境溫度、風速、環(huán)境濕度、日照光線和環(huán)境光強度、養(yǎng)分檢測等的各種環(huán)境參數(shù)進行自動測量，并通過云計算的大數(shù)據(jù)進行智能控制，創(chuàng)造一個適合農(nóng)作物生長的環(huán)境。

世界上許多農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)達的國家都十分重視無土栽培設施工程與環(huán)境調(diào)控技術(shù)的研究。例如國外的以色列、日本、荷蘭、丹麥等國家的蔬菜無土栽培已經(jīng)進入工廠化生產(chǎn)的高級階段。由于以色列的無土栽培技術(shù)處于世界先進水平，成就了一大批該領(lǐng)域的尖端人才，為我國的農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化生產(chǎn)做出了表率。目前國內(nèi)多家蔬菜生產(chǎn)基地都引進了以色列的無土栽培技術(shù)，但是由于該系統(tǒng)的初裝成本造價偏高，難于得到大面積的推廣，因此盡快研制出具有自有知識產(chǎn)權(quán)的室內(nèi)無土栽培農(nóng)作物生長環(huán)境智能監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)成為必然，它將成為實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)時代到來的必經(jīng)之路。

三、室內(nèi)無土栽培農(nóng)作物生長環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

下面以作者研制開發(fā)的室內(nèi)無土栽培農(nóng)作物生長環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)為例，簡單介紹室內(nèi)無土栽培農(nóng)作物生長環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)的組成，該系統(tǒng)整體設計結(jié)構(gòu)見圖1 所示。該系統(tǒng)具有近端和遠程監(jiān)控能力的無線通信功能，能訪問和處理云端大數(shù)據(jù)、實現(xiàn)自動測量室內(nèi)環(huán)境溫度、風速、環(huán)境濕度、日照光光線和環(huán)境光強度、養(yǎng)分檢測等參數(shù)，并通過利用“藍牙”無線通信技術(shù)實現(xiàn)近距離多站點的數(shù)據(jù)采集。

圖1 系統(tǒng)整體設計結(jié)構(gòu)框圖

（一）智能控制中心，簡稱中央處理器，采用16位的單片機，選用STM32F103C8T6。它是智能設備的控制中心，類同于人的大腦，具有邏輯處理和算術(shù)運算功能，還有少量的記憶和存儲能力，負責最終決策的形成，負責系統(tǒng)的指令輸出和輸入，能進行少量的指令和數(shù)據(jù)存儲，進行各種復雜算法和數(shù)據(jù)處理，指揮完成近端和遠程通信。在中央處理器控制指揮下，各個功能模塊完成各自的數(shù)據(jù)采集和控制任務。如果該部件出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)就會癱瘓。

（二）顯示模塊。是在中央處理器的控制下完成人機交互的部分，既能顯示系統(tǒng)檢測到的各種參數(shù)，也能顯示輸入的各種操作命令。通俗講就是完成人和計算機之間的對話。為降低成本和減少空間位置，一般采用液晶顯示。如果該部件出現(xiàn)故障，不會影響整個系統(tǒng)的其它功能操作。

（三）鍵盤輸入模塊。是在中央處理器的控制下完成控制命令或其它參數(shù)的輸入，和我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C輸入功能類同。如果該部件出現(xiàn)故障，不會影響整個系統(tǒng)的其它功能操作。

（四）環(huán)境溫度實時監(jiān)測模塊。相當于人的皮膚，能感知冷暖。環(huán)境溫度傳感器在中央處理器的控制下，將采集到的數(shù)據(jù)以電平的形式傳送給中央處理器，中央處理器依據(jù)實時測量溫度對控制設備發(fā)出指令，完成對環(huán)境溫度的調(diào)制。它是單方向操作，只能完成把檢測到的溫度數(shù)據(jù)信號傳送給中央處理器，不能輸出調(diào)控溫度。如果該部件出現(xiàn)故障，同樣不會影響整個系統(tǒng)的其它功能。

（五）環(huán)境光實時監(jiān)測模塊。相當于人的眼睛，能感受到周邊環(huán)境的光線強弱。環(huán)境光傳感器在中央處理器的控制下將采集到的信號傳給中央處理器，中央處理器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并處理，并依據(jù)實時測量環(huán)境光對控制設備發(fā)出指令，完成對環(huán)境光的調(diào)制。如果該部件出現(xiàn)故障，和前面一樣不會影響整個系統(tǒng)的其它部分功能。

（六）測量風速處理模塊。在中央處理器的控制下測量室內(nèi)的風速，主要功能是完成調(diào)節(jié)風速大小的變化。通過測量風速的變化，預測對農(nóng)作物生長的影響。如果室內(nèi)風速過大，會影響農(nóng)作物的授粉，也需要采取相應的措施，避免造成授粉不足造成減產(chǎn)。如果該功能部件出現(xiàn)故障，也不會影響整個系統(tǒng)的其它部分功能操作。

（七）環(huán)境濕度測量模塊。農(nóng)作物的生長和環(huán)境濕度有密切的聯(lián)系，如果濕度過大，需要調(diào)節(jié)空氣濕度，利于農(nóng)作物的生長。在中央處理器的控制下環(huán)境濕度傳感器將采集到的模擬信號傳給中央處理器，中央處理器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并處理，中央處理器依據(jù)實時測量環(huán)境濕度對控制設備發(fā)出指令，完成對環(huán)境濕度的調(diào)制。如果該部件出現(xiàn)功能障礙，對整個系統(tǒng)的其它部分操作沒有影響。

（八）養(yǎng)分檢測模塊。該部分是系統(tǒng)的重要核心部分，需要分析養(yǎng)分(養(yǎng)分的酸堿度、氮、磷、鉀)的變化，對農(nóng)作物的茁壯生長產(chǎn)生關(guān)鍵作用。在中央處理器的控制下養(yǎng)分傳感器將采集到的信號傳給中央處理器，中央處理器將采集到的信息通過遠程通信將數(shù)據(jù)傳送到云端，經(jīng)過云端的大數(shù)據(jù)分析，依據(jù)農(nóng)作物不同生長時期對養(yǎng)分的需要分析當前的土壤養(yǎng)分是否滿足要求，再把處理結(jié)果反饋回來。系統(tǒng)依據(jù)計算結(jié)果分別施加不同的養(yǎng)分。如果該部件工作不正常，同樣不會影響整個系統(tǒng)的其它功能操作。

（九）控制系統(tǒng)模塊。在中央處理器的控制下，完成對各個控制執(zhí)行系統(tǒng)的操作。例如啟動空調(diào)通風系統(tǒng)、噴水和施肥等等。

（十）系統(tǒng)故障自動報警系統(tǒng)。智能控制設備系統(tǒng)自動檢測報警功能，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)報警信號，一定要找出故障源，并消除故障，否則會產(chǎn)生不可預計的結(jié)果。如果該部件出現(xiàn)故障，將會影響整個系統(tǒng)的其它功能操作，一定要嚴肅對待和妥善處理。

（十一）局域通信技術(shù)。為降低布線和施工難度，對近距離的多個站點數(shù)據(jù)采集使用藍牙無線通信技術(shù)。

四、綜述

該系統(tǒng)具有完全自有知識產(chǎn)權(quán)，并采用北斗衛(wèi)星通信，為提高系統(tǒng)的使用壽命，采取了防水處理技術(shù)，增加了系統(tǒng)的抗干擾能力。