基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周智 王璞 楊想響 曾杰 宋家豪 楊文武 李雪梅

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與當(dāng)前的大棚種植技術(shù)相結(jié)合，可使大棚蔬菜的產(chǎn)量和質(zhì)量有顯著提高。文章介紹了將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與大棚種植相結(jié)合，作用于大棚內(nèi)部環(huán)境，改善植物的生長(zhǎng)條件，并對(duì)可能存在的問(wèn)題提出了解決方法，總結(jié)了物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)結(jié)合的發(fā)展前景及意義。

關(guān)鍵詞：大棚蔬菜;種植技術(shù);物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

0 ? 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與大棚種植技術(shù)相結(jié)合，將灌溉、溫控等設(shè)備通過(guò)傳感器和檢測(cè)裝置與計(jì)算機(jī)互相連接，研究制造適于植物生長(zhǎng)的人工環(huán)境，形成植物種植控制系統(tǒng)，是本文研究的主要目的。

1?近年大棚的發(fā)展情況

借助科技的發(fā)展，西方國(guó)家對(duì)大棚種植技術(shù)研究的很早。比如美國(guó)，早在1949年就搭建了一個(gè)人工氣候室，通過(guò)研究植物的生長(zhǎng)環(huán)境開(kāi)發(fā)出了“新型高級(jí)蔬菜控制系統(tǒng)”。隨后，其他國(guó)家在大棚種植方面的研究也有所突破。隨著科技的不斷發(fā)展，應(yīng)用在大棚蔬菜上的技術(shù)也在不斷更新迭代。相較于其他國(guó)家，我國(guó)對(duì)于大棚技術(shù)的研究和發(fā)展都比較晚，直至20世紀(jì)70年代國(guó)家才開(kāi)始著重開(kāi)展大棚技術(shù)，但是在當(dāng)時(shí)主要的研發(fā)設(shè)備依然是來(lái)自國(guó)外。進(jìn)入90年代后，我國(guó)開(kāi)始自主研發(fā)大棚種植技術(shù)，截止到2019年，中國(guó)大棚種植面積已達(dá)到1 090千公頃，溫室種植面積有373千公頃（如圖1所示），預(yù)計(jì)到2025年大棚面積約為1 285千公頃，溫室面積約為493千公頃。但由于我國(guó)起步晚，所以在此方面仍然任重道遠(yuǎn)。

筆者目標(biāo)是研究出一套能夠使大棚蔬菜的產(chǎn)量、質(zhì)量都能達(dá)到優(yōu)品的系統(tǒng)。當(dāng)下最好的方法就是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與大棚種植技術(shù)相結(jié)合，將大棚的設(shè)備，如灌溉系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)等通過(guò)傳感器和檢測(cè)裝置與計(jì)算機(jī)相連接，即可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有大棚的各項(xiàng)數(shù)據(jù)并記錄、保存、分析，可對(duì)大棚內(nèi)的異?，F(xiàn)象進(jìn)行修正。這樣的運(yùn)行方式使工作人員即使不在大棚基地也可對(duì)大棚進(jìn)行各種操作，大大提高了工作的效率[1]。

2 ? 大棚的基礎(chǔ)設(shè)施

無(wú)論是剛開(kāi)始的大棚蔬菜種植技術(shù)還是以后即將研究的新技術(shù)，總要有良好的基礎(chǔ)來(lái)為研究做鋪墊。首先是土地的選擇。無(wú)論是有土栽培還是無(wú)土種植，良好的土地條件才能種出好蔬菜。大棚種植對(duì)土地有著較高的要求，需要平整的、精細(xì)的土地，還要對(duì)土地進(jìn)行翻新、除蟲(chóng)等其他整理。另外，由于大棚環(huán)境與外界不同，所以應(yīng)適量施肥。其次是大棚結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。大棚結(jié)構(gòu)關(guān)系到以后給大棚配置什么樣的控制系統(tǒng)。再就是選擇合適的蔬菜品種，應(yīng)根據(jù)大棚的位置和規(guī)模來(lái)選擇。比如說(shuō)棚型跨度8～12 m的，最好選擇耐低溫、耐高濕、生長(zhǎng)周期較短的品種，如黃瓜、番茄等。另外，要合理利用“棚氣”。大棚有密閉性，要合理通風(fēng)，還要在早上和其他時(shí)間補(bǔ)充CO氣體肥料或其他養(yǎng)分來(lái)促進(jìn)蔬菜生長(zhǎng);要控制大棚內(nèi)的溫度，大棚蔬菜以喜溫型為主，最佳溫度在? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 25～33 ℃，最低溫度不能低于0 ℃，最高不能超過(guò)44 ℃，超過(guò)33 ℃時(shí)要降溫;要定期給大棚通風(fēng)，改善大棚濕度。還有就是灌溉方法，由于大棚內(nèi)水分蒸發(fā)和擴(kuò)散的速度比較慢，所以采用滴灌澆水，尤其在陰天和晚上，大棚的濕度基本上是飽和的，所以采用滴灌澆水是更經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的灌溉方法。

3物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的大棚種植大都依賴(lài)人工操作，通常是在大棚內(nèi)部放置溫度計(jì)、氣體檢測(cè)裝置、濕度計(jì)等，然后由工作人員在固定時(shí)間內(nèi)對(duì)其進(jìn)行讀數(shù)并記錄，之后將這些數(shù)據(jù)與之前所測(cè)得的數(shù)據(jù)作對(duì)比，若有異常情況，則要采取相關(guān)措施來(lái)修正。例如，當(dāng)大棚內(nèi)部濕度不足時(shí)就要對(duì)大棚內(nèi)的蔬菜進(jìn)行澆灌，提高室內(nèi)濕度。這些操作若在小面積的大棚內(nèi)實(shí)施可以較好地管理蔬菜，但是大棚的目的是高質(zhì)高量的種植蔬菜，前述方法就顯得不方便了，故采用物聯(lián)網(wǎng)與大棚結(jié)合的技術(shù)。在完成大棚的基礎(chǔ)建設(shè)后，就要開(kāi)始搭建與大棚相應(yīng)的智能環(huán)境控制系統(tǒng)，通過(guò)這套系統(tǒng)調(diào)控大棚的氣溫、空氣濕度、病蟲(chóng)害防治等。通過(guò)控制這些因素可以使蔬菜的生長(zhǎng)環(huán)境處于最佳狀態(tài)[2]。

4 物聯(lián)網(wǎng)在大棚的具體應(yīng)用

這套系統(tǒng)由信號(hào)監(jiān)控及采集系統(tǒng)、中央計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)組成。通過(guò)這3個(gè)部分之間的配合，實(shí)時(shí)監(jiān)控大棚的內(nèi)部環(huán)境，當(dāng)某一項(xiàng)生長(zhǎng)因素的變化不利于蔬菜生長(zhǎng)時(shí)，由控制系統(tǒng)對(duì)大棚進(jìn)行干預(yù)，使得這一生長(zhǎng)因素恢復(fù)正常。大棚的各種生長(zhǎng)條件，如溫度、濕度、光照強(qiáng)度等一直在影響著蔬菜的生長(zhǎng)。采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)對(duì)大棚內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的檢測(cè)，具體可以細(xì)分到土壤溫度、氣體溫度、水流量、土壤水分、相對(duì)濕度等，通過(guò)調(diào)控這些參數(shù)，使大棚的環(huán)境接近蔬菜的最佳生長(zhǎng)條件。這套系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用在蔬菜的種植上，同樣可以應(yīng)用在花卉種植以及幼苗繁育上[3]。

5 ? 物聯(lián)網(wǎng)+大棚的工作原理

這套系統(tǒng)的主要原理是使用不同的傳感器采集大棚內(nèi)部的各種參數(shù)，再將收集到的所有參數(shù)信息通過(guò)RS485總線輸送給232的轉(zhuǎn)換器，然后將各項(xiàng)信息以表格的形式顯示在計(jì)算機(jī)上并保存數(shù)據(jù)，同時(shí)將測(cè)得的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)置好的數(shù)值進(jìn)行比較，判斷此時(shí)的環(huán)境是否已經(jīng)不適合蔬菜生長(zhǎng)，若此時(shí)某項(xiàng)參數(shù)不在正常范圍內(nèi)，那么監(jiān)控中心將立刻對(duì)控制系統(tǒng)發(fā)出指令，控制水泵、照明系統(tǒng)等來(lái)為大棚內(nèi)部調(diào)整濕度、光照強(qiáng)度等參數(shù)，使大棚內(nèi)部環(huán)境回歸至正常水平。如果有必要，也可以在檢測(cè)到大棚環(huán)境出現(xiàn)不正常現(xiàn)象時(shí)發(fā)出警報(bào)，以此來(lái)通知管理人員采取相應(yīng)措施，維護(hù)大棚內(nèi)部環(huán)境。

6 物聯(lián)網(wǎng)+大棚系統(tǒng)的分析

物聯(lián)網(wǎng)的定義就是將所有的末端設(shè)備，包括傳感器、移動(dòng)端、工業(yè)系統(tǒng)等與外在的車(chē)輛、個(gè)人攜帶的無(wú)線終端等通過(guò)有線或無(wú)線的長(zhǎng)距離或短距離通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，在大棚種植上也盡可能的使用。在單棟大棚內(nèi)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，用簡(jiǎn)單的執(zhí)行模塊，如電機(jī)、風(fēng)機(jī)等，組成有線或者無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)采集大棚內(nèi)的參數(shù)，再通過(guò)記錄、分析進(jìn)而對(duì)大棚執(zhí)行灌溉、換氣、調(diào)整光照強(qiáng)度等指令，使大棚恢復(fù)適宜蔬菜生長(zhǎng)的條件。對(duì)于大片的大棚園區(qū)，可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)信息實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的檢測(cè)與調(diào)控，通過(guò)配備各類(lèi)傳感器，可同時(shí)檢測(cè)各種參數(shù)，利用傳感器采集的各種數(shù)據(jù)更詳細(xì)地了解蔬菜的生長(zhǎng)狀態(tài)。大量的采集數(shù)據(jù)不僅可以實(shí)時(shí)對(duì)大棚環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還可以對(duì)當(dāng)?shù)貐^(qū)域大棚種植的情況進(jìn)行詳細(xì)分析，從而使人們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)下的大棚運(yùn)營(yíng)有清楚的認(rèn)知，從整套系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)缺點(diǎn)及不足并改進(jìn)。

7 物聯(lián)網(wǎng)+大棚的前景和意義

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以使得大棚種植的效率大幅提升。由于大棚內(nèi)傳感器監(jiān)測(cè)到的所有數(shù)據(jù)都會(huì)匯集到控制中心，并且會(huì)由控制系統(tǒng)對(duì)大棚環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，所以可以節(jié)省很多人力，同時(shí)也節(jié)省很多時(shí)間。而且通過(guò)大棚的控制系統(tǒng)對(duì)大棚環(huán)境調(diào)控，可以更加高效。在溫室大棚應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也可以提高產(chǎn)物的品質(zhì)，把控植物的生長(zhǎng)周期，使利益最大化，特別是可以高效而又精準(zhǔn)的調(diào)控溫室環(huán)境，這也是行業(yè)內(nèi)很多人看好“物聯(lián)網(wǎng)+溫室大棚”的原因之一。在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也使得大棚種植技術(shù)更加適用。同時(shí)，智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，使大棚用戶可以更加方便地接收溫室大棚的數(shù)據(jù)信息，分析和調(diào)控植物的生長(zhǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)大棚蔬菜的產(chǎn)量、質(zhì)量都能達(dá)到優(yōu)品的目標(biāo)。相信物聯(lián)網(wǎng)與溫室大棚智能監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)未來(lái)在農(nóng)業(yè)上會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王向軍.日光溫室物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)研究—基于傳感器智能網(wǎng)絡(luò)操控系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014（8）：189-192.

[2]馬君嶺.大棚蔬菜越夏高產(chǎn)栽培技術(shù)[J].農(nóng)家顧問(wèn)，2014（6）：41-42.

[3]駱秀斌.智能溫室大棚系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2017.

（編輯 姚 鑫）