智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚系統(tǒng)研究

趙東杰 葉開勉 溫富道 代青紅 高國麗

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 吉林吉林 132101）

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技的不斷進(jìn)步，智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚逐漸成為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重要組成部分。智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚是通過信息化技術(shù)為溫室大棚生產(chǎn)把控最合適的溫度、濕度、光照度、水肥等環(huán)境條件。智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚系統(tǒng)的開發(fā)是集集約化生產(chǎn)、智能化遠(yuǎn)程控制、精細(xì)化調(diào)節(jié)、科學(xué)化管理、數(shù)據(jù)化分析和扁平化經(jīng)營于一體的農(nóng)業(yè)高階發(fā)展階段的主要措施。

1 智慧農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀

我國是農(nóng)業(yè)大國但不是農(nóng)業(yè)強(qiáng)國，是因?yàn)槲覈r(nóng)業(yè)的發(fā)展受到了嚴(yán)重的限制，主要是由于人口基數(shù)大導(dǎo)致人均耕地資源相對不足，且耕地分布較為分散，無法實(shí)現(xiàn)大范圍機(jī)械化耕種，也間接導(dǎo)致農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢。因此規(guī)模化和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)是當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要目標(biāo)，智慧農(nóng)業(yè)是未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向[1]。

步入信息化時代，中國在各大智能領(lǐng)域先后取得了重大突破，尤其在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域突破了技術(shù)封鎖和技術(shù)限制。在這樣的科研背景下，中國智慧農(nóng)業(yè)有著極大的發(fā)展動力。諸如荷蘭、美國等國家在智能溫室大棚領(lǐng)域已經(jīng)取得了巨大突破，研究成果相對成熟，我國在對國外智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚系統(tǒng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)行引進(jìn)與學(xué)習(xí)的同時，也開辟了在新農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重要研究方向。

目前我國的智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚系統(tǒng)大多從國外引進(jìn)，但國外的智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚系統(tǒng)環(huán)境設(shè)定并不完全適用于我國的農(nóng)業(yè)環(huán)境。而我國傳統(tǒng)溫室大棚內(nèi)部環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)設(shè)備多數(shù)通過手動按鈕現(xiàn)場控制，科技水平較低，使得傳統(tǒng)智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的精確度低、系統(tǒng)抗干擾能力差，成為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)豐收、農(nóng)民提高收入的障礙[2]。所以，研發(fā)一套適合我國農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚系統(tǒng)對我國農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展有著非常重要的意義。

2 智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚的系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的設(shè)計主要是針對智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚內(nèi)的測控系統(tǒng)、微型控制器系統(tǒng)、傳感器以及各個設(shè)備之間的通信采集來進(jìn)行的[3]。構(gòu)建智慧農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的核心目的是通過分布在大棚內(nèi)的各種傳感器模塊采集環(huán)境參數(shù)，然后利用無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與匯聚，將數(shù)據(jù)有效地發(fā)送到服務(wù)器端，使得用戶可以通過可視化界面進(jìn)行在線監(jiān)控和管理，實(shí)現(xiàn)更好的監(jiān)測和管理。

智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能是對棚內(nèi)影響農(nóng)作物生長的環(huán)境參數(shù)的采集功能，并實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)各區(qū)采集節(jié)點(diǎn)的無線通信組網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。

3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集功能模塊的作用主要是對數(shù)據(jù)采集傳感器的感知節(jié)點(diǎn)構(gòu)建、獲取數(shù)據(jù)模式、監(jiān)控大棚內(nèi)溫濕度變化、傳送數(shù)據(jù)的解析與存儲等。要實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物生長環(huán)境以及生長信息的自動感知，首先必須配備無線傳感器節(jié)點(diǎn)并完成對其的構(gòu)建，包括對節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計，然后通過分布在棚內(nèi)的各類傳感器來監(jiān)測植物生長環(huán)境的信息，主要采集大棚內(nèi)CO2濃度、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫濕度等參數(shù)。獲取數(shù)據(jù)的采集模式是通過路由設(shè)備配備無線傳感傳輸系統(tǒng)的主動采集模式。傳送數(shù)據(jù)的解析與儲存是借助傳感器將數(shù)據(jù)在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中通過特定的編碼方式進(jìn)行，最后處理器接收到具有特定編碼格式的數(shù)據(jù)之后，再將這些編碼進(jìn)行保存，保存前需要將數(shù)據(jù)編碼進(jìn)行解析[4]。

4 模塊功能及應(yīng)用

4.1 網(wǎng)關(guān)模塊

網(wǎng)關(guān)（Gateway）又稱網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器，是連接兩個不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)端的設(shè)備。在智能溫室大棚中主要用于溫室大棚內(nèi)部多種傳感器采集的數(shù)據(jù)數(shù)字化后傳輸過程中的信息交互，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相互連接。

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)

利用傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)獲取大棚內(nèi)部CO2濃度、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫濕度等參數(shù)。并根據(jù)以上環(huán)境因素的信息反饋，對溫室大棚待定電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)灑水、施肥、噴藥、遮陽板的開關(guān)等動作，從而實(shí)現(xiàn)對溫室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)控。

4.3 4G 通信模塊

4G LTE 是TD-LTE 和FDD-LTE 等LTE 網(wǎng)絡(luò)制式的統(tǒng)稱，具有通信速度快、網(wǎng)絡(luò)頻譜寬、通信靈活等特點(diǎn)[5]。4G 模塊是指硬件將射頻、基帶集成在一塊PCB 小板上，實(shí)現(xiàn)無線接收、發(fā)射、基帶信號處理功能。軟件支持語音撥號、短信收發(fā)、撥號聯(lián)網(wǎng)等功能[6]。無線通信選取4G 模塊作為主要的通信手段，是由于其通信速度快，使用靈活方便，不會受地點(diǎn)、環(huán)境等客觀因素的影響，兼容性高。將4G 通信模塊安裝在嵌入式控制板上作為數(shù)據(jù)傳輸模塊，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制等功能。

4.4 傳感器組的選擇安裝及應(yīng)用

傳感器大多由敏感元件、轉(zhuǎn)化元件、輔助電源和變換電路組成。在智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計中，了解傳感器的特性以及如何安裝傳感器是獲取溫室大棚中的實(shí)時數(shù)據(jù)參數(shù)必不可少的一步。每一類傳感器的安裝由其作用決定，其監(jiān)測的數(shù)據(jù)參數(shù)影響著整個溫室大棚的運(yùn)作和植物的生長，傳感器的安裝位置也決定著監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)失真所造成的后果十分嚴(yán)重，因此對不同種類傳感器的選擇和安裝要慎重考慮。

4.4.1 CO2傳感器

在智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚中，實(shí)時監(jiān)測CO2濃度很有必要。CO2傳感器是農(nóng)業(yè)溫室大棚中負(fù)責(zé)監(jiān)測空氣中CO2濃度的傳感器。CO2不僅影響植物的呼吸作用還影響植物的光合作用，因此安裝CO2傳感器很有必要。由于空氣流動性較大，所以只需要安裝1 個～2 個CO2傳感器即可。安裝CO2傳感器時，還要考慮經(jīng)濟(jì)、便捷、準(zhǔn)確、高效等因素[7]。

MH-Z14A 紅外CO2傳感器依靠O2，通過紅外吸收室內(nèi)氣體的方法監(jiān)測空氣中的CO2，不需要經(jīng)常調(diào)試校準(zhǔn)，而且使用壽命長，外部接入輔助電路即可成為CO2傳感器模塊，很適合用于溫室大棚內(nèi)部CO2濃度數(shù)據(jù)的采集。

4.4.2 空氣溫濕度傳感器

智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚中的空氣溫濕度對植物生長的影響很大，有時需要對空氣中的溫濕度進(jìn)行一定調(diào)整，所以需要安裝空氣溫濕度傳感器，監(jiān)測大棚內(nèi)溫濕度的變化。這類傳感器需要安裝在大棚中部的位置，不能過高和過低，還要根據(jù)實(shí)際作物種類來進(jìn)行調(diào)整。

DHT22 溫濕度傳感器可以輸出數(shù)字信號，與DHT11 溫濕度傳感器相比具有更高的精度和更大的量程，而且體積小，方便使用，與一個單片機(jī)和外圍電路相連就能用于采集智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)。

4.4.3 土壤溫濕度傳感器

種植作物需要土壤，土壤的溫濕度對植物根部的水分吸收有影響，因此監(jiān)測和調(diào)整土壤的溫濕度也尤為重要。要監(jiān)測土壤的溫濕度，需要將土壤溫濕度傳感器安裝在植物根部附近的土壤中，一般安裝3 個～4 個即可。根據(jù)傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，管理者可以及時對土壤進(jìn)行適量的灌溉作業(yè)。

Yl-69 型土壤溫濕度傳感器具有使用簡單、使用壽命長、能與土壤長時間接觸、外圍電路設(shè)計簡便等特點(diǎn)，能與STM32 單片機(jī)配合使用，準(zhǔn)確監(jiān)測土壤溫濕度數(shù)據(jù)，能滿足監(jiān)測多種作物的種植土壤溫濕度的需求。

4.4.4 光照傳感器

為了使植物更好地進(jìn)行光合作用，充分利用光能，需要獲得光照強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，并根據(jù)當(dāng)天的光照強(qiáng)度，來決定是否需要用補(bǔ)光燈進(jìn)行補(bǔ)光。而光照傳感器安裝的位置應(yīng)與植物的高度一致，根據(jù)不同位置，應(yīng)安裝多個光照傳感器。

溫室大棚中一般選擇BH1750 光照傳感器，其具有很高的分辨率，監(jiān)測的光照強(qiáng)度范圍廣，在溫室大棚中可以充分發(fā)揮作用。

5 電機(jī)及其拖動控制

智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚內(nèi)部的數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果經(jīng)過匯總分析與預(yù)期值進(jìn)行比較，進(jìn)而可通過控制器輸出端對溫室大棚內(nèi)外的拖動電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)拉幕遮陽、灌溉、噴灑、施肥等工作。例如，當(dāng)大棚內(nèi)部光照強(qiáng)度過高時，經(jīng)過光照傳感器的監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳入控制端，通過數(shù)據(jù)對比，控制器能對光照強(qiáng)度過高區(qū)域的電機(jī)發(fā)出指令，電機(jī)拖動拉幕以減少智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚周圍的光線射入。對電機(jī)的控制還要重點(diǎn)考慮電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，主要體現(xiàn)在灌溉和藥物噴灑等方面，需要能夠根據(jù)作物種類、所需藥物或水的劑量、噴施面積的大小進(jìn)行灌溉或者噴灑。

6 結(jié)語

本文敘述了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚中的重要應(yīng)用，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，利用軟件設(shè)計和硬件設(shè)備相結(jié)合，設(shè)計出可以監(jiān)測溫室大棚內(nèi)部CO2濃度、空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境數(shù)據(jù)的智能溫室大棚控制系統(tǒng)，一定程度解決了目前智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚領(lǐng)域系統(tǒng)監(jiān)測精度不足、控制操作煩瑣等問題。提供了在選擇和安裝傳感器方面的建議，為后續(xù)調(diào)試提供了參考。其中對于安裝傳感器的數(shù)量以及安放位置的選擇，可以降低成本，提高測量精度。通過4G 網(wǎng)絡(luò)通信，可實(shí)時數(shù)字化監(jiān)測智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚內(nèi)環(huán)境變化，降低了人工成本，提高了監(jiān)測精度。