基于阿里云的無土栽培營養(yǎng)液信息采集系統(tǒng)

王 瑩，喬曉軍，姚世元，王志彬

（1北京市農(nóng)林科學(xué)院信息技術(shù)研究中心，北京 100197；2農(nóng)芯科技（北京）有限責(zé)任公司，北京 100097）

0 引言

無土栽培以人工制造的作物根系環(huán)境替代了土壤環(huán)境，營造適合作物生長的光、溫、水、氣、肥等條件，使作物充分發(fā)揮生長潛力，達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的目標(biāo)，解決了用地緊張的難題[1-4]。因其節(jié)約資源、有效提高產(chǎn)量等優(yōu)勢，在國內(nèi)得到了較快發(fā)展。目前根據(jù)栽培介質(zhì)的不同可以分為水培、霧（氣）培和基質(zhì)栽培。水培是指植物根系直接與營養(yǎng)液接觸，營養(yǎng)液栽培代替了天然土壤為作物提供所需養(yǎng)分，營養(yǎng)液養(yǎng)分含量可人為控制，只要作物生長環(huán)境控制到位，作物的產(chǎn)量就能得到一定的保障[5-7]。因此，根據(jù)無土栽培作物生長對營養(yǎng)液的需求，適時調(diào)整營養(yǎng)液的供給時間及各個組分的供給量，可使無土栽培系統(tǒng)更加智能化。

無土栽培環(huán)境中自動化水平還很低，而且營養(yǎng)液易受光照等外界因素影響導(dǎo)致營養(yǎng)液中組分改變，因此常常需要對營養(yǎng)液進(jìn)行遮蔽處理，給工作人員的監(jiān)測帶來了很多麻煩[8-10]。目前，信息傳感器、射頻技術(shù)、定位系統(tǒng)等裝置和技術(shù)，可通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息交換和通信，智能地感知、識別和管理物體和過程，實現(xiàn)物與物、物與人之間的遠(yuǎn)程聯(lián)系。這些技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能家居、公共智能交通等領(lǐng)域[11-13]。

針對營養(yǎng)液信息采集存在的問題，筆者以技術(shù)成熟的阿里云平臺為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種基于阿里云的無土栽培營養(yǎng)液信息采集系統(tǒng)，以期實現(xiàn)對封閉式存儲的營養(yǎng)液信息進(jìn)行實時、自動采集，并可以對以往數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以便用戶能夠隨時查看數(shù)據(jù)。

1 阿里云平臺

物聯(lián)網(wǎng)可以作為某一領(lǐng)域的公共平臺為這一領(lǐng)域的不同應(yīng)用提供解決方案和相關(guān)服務(wù)。隨著云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的企業(yè)將核心業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到云端，而終端設(shè)備以物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的形式和終端用戶交互[15]，通過接入多種應(yīng)用設(shè)備，向上支持?jǐn)?shù)據(jù)分析和展示，實現(xiàn)用戶和設(shè)備之間的互聯(lián)。

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺是一款公共、開放的服務(wù)平臺，擁有全國最大的內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，可以為企業(yè)和個人提供便于操作的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。該平臺不僅能夠?qū)崿F(xiàn)終端和云端的雙向通信，還提供了設(shè)備管理、數(shù)據(jù)分析等功能，為用戶構(gòu)建數(shù)字化控制并管理資源、收集分析歷史信息、基于數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行業(yè)務(wù)決策等提供技術(shù)和方法。同時阿里云建有完備的安全機制，能夠確保用戶存儲數(shù)據(jù)的安全。

目前，由于溫室內(nèi)無土栽培區(qū)域面積大，營養(yǎng)液供給裝置的數(shù)量和分布區(qū)域有限，受到維護成本和技術(shù)的限制，從事無土栽培的個人及企業(yè)難以獨立維護營養(yǎng)液監(jiān)測平臺[16-18]，阿里云為筆者提供了一個集成了設(shè)備管理、數(shù)據(jù)安全通信和消息訂閱等功能的一體化平臺，很好地解決了這些問題。其體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺體系架構(gòu)

2 總體結(jié)構(gòu)

無土栽培營養(yǎng)液信息采集系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示，包含了采集模塊、控制模塊、顯示模塊及阿里云平臺。采集模塊負(fù)責(zé)完成對營養(yǎng)液溫度、液位、pH、EC、溶解氧濃度等基本信息的實時采集?？刂颇K負(fù)責(zé)對栽培環(huán)境中其他外部設(shè)備（如通風(fēng)裝置）的啟停進(jìn)行控制。顯示模塊主要完成對數(shù)據(jù)的接收、實時顯示等。阿里云平臺負(fù)責(zé)對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并分析。它們之間則通過有線和無線通訊模塊來進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸。

圖2 基于阿里云的無土栽培營養(yǎng)液監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工作流程為通過液溫、液位、pH、EC、溶解氧濃度采集模塊將采集到的信息通過RS485發(fā)送給系統(tǒng)級芯片，芯片對多路接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將數(shù)據(jù)顯示在觸控屏幕上，然后通過4G通訊模塊將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到阿里云平臺的特定端口，由于阿里云上運行的數(shù)據(jù)接收程序始終處于對該特定端口的監(jiān)聽狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)來臨時，就可以完成數(shù)據(jù)的接收和解碼，解析出所需信息后將其存入數(shù)據(jù)庫。同時，利用阿里云Web可視化開發(fā)工作臺與云端子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，便于用戶通過數(shù)據(jù)訪問終端PC機上的軟件系統(tǒng)完成對營養(yǎng)液信息的遠(yuǎn)程訪問、本地存儲和處理等操作。

3 系統(tǒng)設(shè)計

無土栽培營養(yǎng)液監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對營養(yǎng)液情況全天候的智能化監(jiān)控，具有實時采集、遠(yuǎn)程控制設(shè)備的功能。在待測營養(yǎng)液中投入各項采集傳感器，通過RS485總線傳輸數(shù)據(jù)至顯示模塊。采集到的數(shù)據(jù)通過顯示模塊內(nèi)嵌的4G模塊傳輸至物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺。用戶可根據(jù)顯示模塊實時監(jiān)測營養(yǎng)液內(nèi)的多種信息，同時調(diào)控設(shè)施內(nèi)的其他設(shè)備，通過可視化web平臺，對封閉狀態(tài)下的營養(yǎng)液供給裝置內(nèi)的pH、EC和溶氧量等信息進(jìn)行實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的查詢，根據(jù)生成趨勢變化曲線分析數(shù)據(jù)。

3.1 主控制器

控制器選用400M SOC處理器。該處理器集成了各種功能模塊，外圍電路包括RS485串口電路、音頻輸出、時鐘、天線和4G通訊模塊等，支持LUA腳本編程。觸控屏內(nèi)運行邏輯和算法將傳感器送來的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，寫入緩存后送入觸控屏就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3.2 采集模塊

采集模塊由液位傳感器(SIN-P260)、pH傳感器(SIN-PH-8001)、EC傳感器(SIN-TDS-8001)、溶解氧濃度傳感器(SIN-DO-7013)組成。該采集系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 采集系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 液位信息采集模塊 營養(yǎng)液液位高低的自動監(jiān)測對于營養(yǎng)液配制、消耗以及水分添加至關(guān)重要。由于沒有土壤緩沖，營養(yǎng)液使用量不好控制，用量過低作物長勢差[19]，過量的營養(yǎng)液就會引起燒苗問題，因此要實時進(jìn)行監(jiān)控并調(diào)整。

選擇的投入式液位傳感器(SIN-P260)采用不銹鋼隔離膜片的OEM感壓探頭作為測量元件，具有抗干擾、溫度漂移小、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢。

3.2.2 酸堿度信息采集模塊 酸堿度(pH)是營養(yǎng)液的基本特性，不同類型的作物對營養(yǎng)液pH的要求也是不同的，它會直接影響到作物根系細(xì)胞對養(yǎng)分元素的透過性。一般地，pH過低會對鈣離子產(chǎn)生拮抗作用，從而影響作物對鈣離子的吸收；pH過高則容易沉淀磷酸鹽離子和一些微量元素[20-21]。

選擇工業(yè)級在線pH傳感器(SIN-PH-8001)，采用了Modbus RTU協(xié)議RS485，隔離電源設(shè)計，具有數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好、抗干擾能力強的優(yōu)點。

3.2.3 電導(dǎo)率信息采集模塊 電導(dǎo)率(EC)是一個表征營養(yǎng)液中總鹽分含量的參數(shù)，不同生長時期，作物對營養(yǎng)液總鹽分濃度的需求也不盡相同[22-23]。通常情況下，當(dāng)作物處在苗期時，需要使用低濃度營養(yǎng)液來促進(jìn)根葉生長，之后逐漸增大營養(yǎng)液濃度；當(dāng)作物處在結(jié)果期時，需要使用高濃度營養(yǎng)液來促進(jìn)果實的成長發(fā)育。類似于酸堿度，每種農(nóng)作物都有適宜的電導(dǎo)率范圍，即使是同一種作物也要根據(jù)生長階段和氣候條件等需要進(jìn)行調(diào)整。

3.2.4 含氧量信息采集模塊 氧氣供給是否充足和及時是作物生長的重要限制因子，如果營養(yǎng)液中的溶解氧無法達(dá)到作物正常生長所需的水平，植物根系就會產(chǎn)生缺氧現(xiàn)象，從而影響到根系的吸收和作物生長。

3.2.5 液溫信息采集模塊 水溫是無土栽培作物生長過程中非常重要的環(huán)境因子。無土栽培營養(yǎng)液溫度是模擬土壤栽培的地溫，一般基質(zhì)溫度和營養(yǎng)液溫度應(yīng)穩(wěn)定在18～20℃，過高過低都會影響根系正常吸收，因此需要實時監(jiān)測營養(yǎng)液的溫度是否處于正常狀態(tài)。溫度的變化不僅直接影響營養(yǎng)液中氧的濃度、肥料溶解度等，還會影響病菌繁殖速度[24-25]。

3.3 繼電器模塊

本系統(tǒng)配置了繼電器驅(qū)動電路，可以控制設(shè)施內(nèi)通風(fēng)設(shè)備的啟停。溫室大棚的通風(fēng)控制是一項保障農(nóng)作物生長環(huán)境的技術(shù)，多風(fēng)機通風(fēng)可以起到良好的調(diào)節(jié)作業(yè)。繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。本系統(tǒng)采用的是因諾信息技術(shù)有限公司的繼電器(INNO-8R8I-485-DIN)，考慮到兼容性與擴展性，控制系統(tǒng)中RS485通訊單元、顯示模塊通信設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議格式。

3.4 顯示模塊

采集端通過顯示模塊實時顯示數(shù)據(jù)及外部設(shè)備開關(guān)。觸控屏幕通過串口與主控制器交互指令，點擊觸摸屏上的外部開關(guān)按鈕，反饋輸出信號給繼電器模組，就可以控制外部執(zhí)行機構(gòu)的動作，各地的圖標(biāo)也會同步更新。

3.5 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊主要由2個部分組成。（1）短距離數(shù)據(jù)傳輸。顯示模塊通過RS485(Modbus)與采集模塊、控制模塊通信連接，各種傳感器采集到的信息進(jìn)行多路數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理后，按照指定的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳到監(jiān)測中心云服務(wù)器。（2）遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸采用4G模塊，通過MQTT協(xié)議配置進(jìn)入阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。

3.6 云平臺

本系統(tǒng)利用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺作為云端數(shù)據(jù)中心，主要起到系統(tǒng)的監(jiān)測和控制作用。平臺允許采集設(shè)備將數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云端，同時可以下發(fā)指令數(shù)據(jù)到達(dá)設(shè)備端，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計流程

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)(IoT Studio)為阿里云平臺提供可視化搭建能力，解決物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)定制化程度高、投入產(chǎn)出比低、技術(shù)棧復(fù)雜等問題。開發(fā)人員拖拽組件到畫布就可以對監(jiān)測界面進(jìn)行設(shè)計，通過自定義配置組件樣式、設(shè)置實時曲線和卡片，創(chuàng)建水培作物營養(yǎng)液監(jiān)測系統(tǒng)界面。工作人員在Web界面能夠直觀地觀察動態(tài)pH、EC值和溶氧數(shù)據(jù)，以及這些測量值在一段時間內(nèi)的變化趨勢。另外，通過增加控制系統(tǒng)按鈕，可以將外部設(shè)備控制的工作情況顯示在云端界面，實現(xiàn)對無土栽培環(huán)境的統(tǒng)一管理。物聯(lián)網(wǎng)平臺可視化界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)控制主界面

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)首先在實驗室內(nèi)調(diào)試成功，并經(jīng)過一段時間的穩(wěn)定運行。軟硬件性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠后在北京市農(nóng)林科學(xué)院植保所內(nèi)的無土栽培系統(tǒng)中進(jìn)行測試。測試人員將一套水培作物營養(yǎng)液監(jiān)控系統(tǒng)投入待測營養(yǎng)液。對液溫、液位、pH、EC和溶氧度值進(jìn)行監(jiān)測后，每2 min采集并上傳一次數(shù)據(jù)，還可根據(jù)需要設(shè)置采集時間。在數(shù)據(jù)訪問終端PC機上運行水培作物營養(yǎng)液監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時查看到各采集器所采集的數(shù)據(jù)，并以圖表形式顯示。圖6為該系統(tǒng)的連接圖。

圖6 測試系統(tǒng)連接圖

在阿里云平臺上點擊某一采集設(shè)備，可查看任意時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，圖7所示為1周內(nèi)的溶解氧數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

圖7 1周內(nèi)的溶解氧含量監(jiān)測數(shù)據(jù)

由實驗結(jié)果可見，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作。通過使用無土栽培營養(yǎng)液信息采集系統(tǒng)，在溫室內(nèi)安裝傳感器、控制器等搭建起無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，采集封閉式營養(yǎng)液的液位、液溫、溶解氧、pH、EC等數(shù)據(jù)，借助免費的開放式平臺，降低了開發(fā)成本，工作人員不用在炎熱的溫室內(nèi)頻繁穿梭，只需通過電腦登錄阿里云平臺，進(jìn)入營養(yǎng)液信息采集系統(tǒng)，就能夠輕松對無土栽培進(jìn)行管理。經(jīng)驗證，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的采集精確度高，并且數(shù)據(jù)具有實時性，上傳后可在云平臺中進(jìn)行自動分析，繪制出易于查看的曲線圖，便于工作人員隨時查看各項數(shù)據(jù)，從而及時地對營養(yǎng)液進(jìn)行補充、調(diào)整，大大提高了工作效率。

5 結(jié)論

筆者基于傳感器、4G網(wǎng)絡(luò)以及阿里云平臺提出了面向無土栽培營養(yǎng)液的監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對封閉式營養(yǎng)液信息的實時采集、遠(yuǎn)程傳輸、歷史數(shù)據(jù)管理等功能，解決了當(dāng)前系統(tǒng)開發(fā)復(fù)雜度高、效率低的問題。在以后的工作中，可通過對系統(tǒng)公共需求分析，研究基于數(shù)據(jù)模型建立通用的營養(yǎng)液監(jiān)測數(shù)據(jù)，可對無土栽培中營養(yǎng)液的管理做出快速決策，系統(tǒng)將更加適應(yīng)未來智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。