張振東,張傲然
(1.遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,遼寧 營口 115009;2.西北農(nóng)林科技大學(xué),陜西 咸陽 712100)
傳統(tǒng)的溫室生產(chǎn)管理主要依賴人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行澆水、放風(fēng)、補(bǔ)光等操作,缺乏精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。當(dāng)前,物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)正逐步應(yīng)用到溫室生產(chǎn)管理中,但很多溫室控制系統(tǒng)存在控制功能單一、結(jié)構(gòu)難擴(kuò)展、價(jià)格較貴、難以推廣等缺陷?;诖?,在設(shè)施物聯(lián)網(wǎng)及云平臺的基礎(chǔ)上,結(jié)合CAN總線協(xié)議和組態(tài)王等技術(shù),集成設(shè)施園藝傳感器及灌溉、施肥、補(bǔ)光等控制設(shè)備,建設(shè)適用于北方日光溫室的環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備控制、過程監(jiān)控、云端分析、決策支持、異常信息預(yù)警等智能化、分布式綜合管理平臺[1]。該平臺已在遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校內(nèi)新型日光溫室群進(jìn)行實(shí)地測試使用,通過對溫室內(nèi)環(huán)境因素的監(jiān)測,將數(shù)據(jù)傳送至云端,管理者通過手機(jī)APP實(shí)時監(jiān)測溫室內(nèi)各項(xiàng)氣候數(shù)據(jù)和現(xiàn)場畫面,并對其進(jìn)行記錄與分析。同時,在監(jiān)管平臺上,對溫室里的各種設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)控制,實(shí)現(xiàn)了智能化、數(shù)字化管理和科學(xué)生產(chǎn)。目前系統(tǒng)已運(yùn)行兩年,應(yīng)用效果顯著,對北方日光溫室智能化管理系統(tǒng)研發(fā)和實(shí)踐應(yīng)用具有重要的借鑒價(jià)值和指導(dǎo)意義。
北方日光溫室智能監(jiān)管平臺采用分布式架構(gòu)[2-4](圖1),由現(xiàn)場輸入輸出模塊、下位機(jī)和上位機(jī)三級結(jié)構(gòu)組成。其中,輸入輸出模塊主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和信號調(diào)整、電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號驅(qū)動;下位機(jī)也作監(jiān)控器,主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場總線通信與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互;上位機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)組態(tài)配置、控制參數(shù)的設(shè)定、控制算法執(zhí)行、控制結(jié)果的顯示、圖表分析、數(shù)據(jù)庫的存入與管理和報(bào)警信息的顯示與處理。在設(shè)施園藝物聯(lián)網(wǎng)體系中,主要包括應(yīng)用層、感知層、傳輸層三部分。應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、響應(yīng)、處理和深度挖掘,實(shí)現(xiàn)對物理設(shè)備的實(shí)時控制、精準(zhǔn)管理和科學(xué)施策;感知層主要實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和作物的生長狀態(tài)感知及質(zhì)量檢測等;傳輸層主要實(shí)現(xiàn)將感知層所獲得的信息傳輸?shù)綉?yīng)用層。應(yīng)用層首先通過數(shù)據(jù)清洗和融合、模式識別等手段形成最終數(shù)據(jù),提供給生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、生長監(jiān)控系統(tǒng)、產(chǎn)品質(zhì)量追溯系統(tǒng)使用。平臺主要功能包含實(shí)時環(huán)境信息查詢、設(shè)備自動控制、運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測、室內(nèi)外環(huán)境實(shí)時監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量追溯、短信或微信報(bào)警、農(nóng)事操作記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)深度分析等系統(tǒng)模塊。
圖1 北方日光溫室智能監(jiān)管平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[3]
基于組態(tài)王技術(shù)開發(fā)北方溫室生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與設(shè)備控制系統(tǒng)[2-3](圖2),通過CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)連接控制器,對現(xiàn)場的傳感采集設(shè)備和環(huán)境、水肥調(diào)控設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測和動作控制?,F(xiàn)場設(shè)置數(shù)據(jù)采集控制箱,內(nèi)置數(shù)據(jù)采集模塊和設(shè)備控制信號輸出模塊。各傳感終端獲得設(shè)施內(nèi)的空氣溫濕度、光照強(qiáng)度和空氣CO2濃度等環(huán)境因子參數(shù),根據(jù)預(yù)設(shè)的生態(tài)因素參數(shù)范圍,使用手動或自動兩種方式啟停設(shè)施內(nèi)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),如控制內(nèi)外遮陽網(wǎng)、濕簾、霧噴、風(fēng)機(jī)、天窗、側(cè)窗、卷簾、灌溉、CO2發(fā)生器、補(bǔ)光燈、熱風(fēng)爐等生態(tài)因素調(diào)節(jié)設(shè)備,自動調(diào)控溫室內(nèi)生態(tài)環(huán)境,為作物生長提供最佳環(huán)境。系統(tǒng)用戶管理端可通過手機(jī)和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化遠(yuǎn)程精準(zhǔn)管控,結(jié)合室內(nèi)外環(huán)境差異,智能調(diào)控溫室內(nèi)部環(huán)境因素,實(shí)現(xiàn)不同溫室、不同作物、不同生長環(huán)境的獨(dú)立控制。
圖2 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與控制設(shè)備管控系統(tǒng)[3]
2.1.1 生態(tài)環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)
生態(tài)環(huán)境控制參數(shù)的設(shè)定,主要是依據(jù)不同作物在不同物候期對最佳環(huán)境因素閾值范圍的需求,在系統(tǒng)內(nèi)調(diào)整閾值參數(shù)方案,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化管理。依據(jù)閾值范圍,設(shè)定自動報(bào)警的峰值,當(dāng)實(shí)際環(huán)境因素?cái)?shù)值高于設(shè)定的閾值上限或低于下限值時,系統(tǒng)會自動顯示報(bào)警信息(如提示某項(xiàng)環(huán)境因素不正常、需要采取措施等),以便管理人員及時進(jìn)行人工干預(yù)。
2.1.2 生態(tài)因素自動調(diào)控系統(tǒng)
結(jié)合室外氣象站監(jiān)測到的數(shù)據(jù)與溫室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測數(shù)值進(jìn)行對照,綜合考量溫度、濕度、輻照度之間的耦合效應(yīng),統(tǒng)籌通風(fēng)窗、濕簾風(fēng)機(jī)、遮陽簾幕、加熱泵閥等設(shè)備之間的聯(lián)合動作,實(shí)施室內(nèi)溫濕度24 h的自動精準(zhǔn)調(diào)控。通過控制補(bǔ)光燈的光照時長和補(bǔ)光量兩種方式來對作物進(jìn)行精準(zhǔn)補(bǔ)光控制;通過控制氣體發(fā)生器、排氣新風(fēng)擋板的動作,實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)CO2濃度的自動調(diào)控。
系統(tǒng)將自動存儲環(huán)境調(diào)控過程中的實(shí)時傳感監(jiān)測值、關(guān)鍵設(shè)備調(diào)控狀態(tài)等數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)本地監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)查詢、分析、展示功能的同時,將遠(yuǎn)程匯總數(shù)據(jù)傳至園區(qū)物聯(lián)網(wǎng)綜合監(jiān)控平臺,構(gòu)建各生產(chǎn)園區(qū)的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控及產(chǎn)品溯源的環(huán)境數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
產(chǎn)品質(zhì)量溯源系統(tǒng)是結(jié)合一物一碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息流監(jiān)控及備案,通過大數(shù)據(jù)分析提升管理機(jī)制。通過傳感器,有效地對土壤水分、光照強(qiáng)度以及環(huán)境溫、濕度等參數(shù)進(jìn)行長期監(jiān)測并存儲;通過對歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,為精細(xì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持,協(xié)助開展產(chǎn)品質(zhì)量溯源、風(fēng)險(xiǎn)排查、科研分析等,落實(shí)安全主體責(zé)任,保障農(nóng)產(chǎn)品安全。
按照星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)部署視頻數(shù)據(jù)服務(wù)中心,安裝室內(nèi)外高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和室內(nèi)環(huán)境信息展示屏,通過手機(jī)APP或計(jì)算機(jī)客戶端Web方式遠(yuǎn)程與現(xiàn)場視頻監(jiān)控系統(tǒng)連接,為授權(quán)用戶提供可視化的各園區(qū)溫室群內(nèi)的總體概況,并對園區(qū)的作物整個生產(chǎn)過程(生長狀況、植株?duì)I養(yǎng)水平、種植、采摘、包裝等環(huán)節(jié))、安全巡查、設(shè)施設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行24 h監(jiān)控。視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可保留6個月以上,作為感應(yīng)數(shù)據(jù)信息的有效補(bǔ)充,為管理者提供可視化的管理窗口,利于質(zhì)量監(jiān)管部門對產(chǎn)品生產(chǎn)過程的有效監(jiān)督和及時干預(yù),為產(chǎn)品溯源獲取作物信息提供真實(shí)的基礎(chǔ)資料。
在日光溫室內(nèi)部署CAN總線網(wǎng)絡(luò)及通信模塊或RS485通信網(wǎng)絡(luò)及信號模塊,通過CAN通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的總體集成。
智能采集控制箱用來采集物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)以及對設(shè)備進(jìn)行自動控制的集成裝置,主要包含設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)指示、水肥灌溉調(diào)控模塊、嵌入式智能控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、設(shè)備驅(qū)動模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信接口、電源耦合控制模塊。
傳感器是智能監(jiān)控系統(tǒng)的感官器件,能夠?qū)崟r感知日光溫室內(nèi)外的氣候狀況,為設(shè)備控制提供調(diào)節(jié)參數(shù)和控制命令執(zhí)行數(shù)值。室外智能氣象站,實(shí)時采集室外環(huán)境氣象信息,主要采用適應(yīng)室外環(huán)境的小型傳感組件,為溫室內(nèi)部環(huán)境控制提供參考數(shù)值。日光溫室內(nèi)主要采用獨(dú)立的傳感器節(jié)點(diǎn),方便科學(xué)分布有代表性的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)位置,主要有土壤溫濕度傳感器、土壤EC傳感器、土壤EH傳感器、土壤PH傳感器、空氣溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照傳感器、ORP傳感器等。通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式,將數(shù)據(jù)接入智能監(jiān)管平臺,對溫室內(nèi)各類信息進(jìn)行存儲、分析及管理,實(shí)現(xiàn)傳感器與溫室內(nèi)環(huán)境控制設(shè)施聯(lián)動工作和遠(yuǎn)程控制。
溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng),是基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)技術(shù),通過傳感設(shè)備采集數(shù)據(jù),利用以太網(wǎng)、4G、WIFI的網(wǎng)絡(luò)信號傳輸?shù)娇刂浦行腫5],控制中心根據(jù)所設(shè)置的各種環(huán)境因素參數(shù)來進(jìn)行比較,判斷實(shí)時數(shù)據(jù)是否符合預(yù)設(shè)參數(shù)要求,一旦達(dá)到要求可自動/手動執(zhí)行預(yù)設(shè)動作,通過手機(jī)APP或電腦端應(yīng)用系統(tǒng),進(jìn)行遠(yuǎn)程查看和控制設(shè)備執(zhí)行情況。
空氣溫度控制主要是結(jié)合自然條件通過天窗、側(cè)窗、負(fù)壓風(fēng)機(jī)、濕簾、升溫設(shè)備進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)溫度過高,達(dá)到上限閾值時,適當(dāng)開啟天窗、側(cè)窗、濕簾以及負(fù)壓風(fēng)機(jī),降低溫度;當(dāng)溫度過低,達(dá)到下限閾值時,適當(dāng)關(guān)閉天窗和側(cè)窗,開啟升溫設(shè)備,提高溫度。
空氣濕度控制主要結(jié)合自然條件通過天窗、側(cè)窗、霧噴、環(huán)流風(fēng)機(jī)、負(fù)壓風(fēng)機(jī)、升溫設(shè)備進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)濕度過高,達(dá)到上限閾值時,適當(dāng)開啟天窗、側(cè)窗、環(huán)流風(fēng)機(jī)、負(fù)壓風(fēng)機(jī)和升溫設(shè)備,降低濕度;當(dāng)濕度過低,達(dá)到下限閾值時,適當(dāng)開啟高壓霧噴設(shè)備,提高濕度。高壓噴霧加濕系統(tǒng)不僅起到對日光溫室加濕的效果,還可以起到一定的降溫、防靜電、除塵等效果。
土壤濕度控制主要通過微噴、滴灌設(shè)備進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)土壤濕度過低,達(dá)到下限閾值時,適當(dāng)開啟微噴、滴灌設(shè)施電磁閥,提高土壤濕度。
光照強(qiáng)度控制主要通過內(nèi)外遮陽網(wǎng)、補(bǔ)光燈進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)光照強(qiáng)度過高,達(dá)到上限閾值時,適當(dāng)開啟內(nèi)外遮陽網(wǎng),降低光照強(qiáng)度;當(dāng)光照強(qiáng)度過低,達(dá)到下限閾值時,適當(dāng)開啟補(bǔ)光燈,提高光照強(qiáng)度。
CO2濃度控制主要通過天窗、側(cè)窗、負(fù)壓風(fēng)機(jī)、CO2發(fā)生器進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)環(huán)境CO2濃度過高,達(dá)到上限閾值時,適當(dāng)關(guān)閉天窗和側(cè)窗,打開內(nèi)外遮陽網(wǎng),促進(jìn)室內(nèi)作物光合作用,降低CO2濃度;當(dāng)CO2濃度過低,達(dá)到下限閾值時,適當(dāng)開啟天窗、側(cè)窗和負(fù)壓風(fēng)機(jī),啟動CO2發(fā)生器電磁閥,提高室內(nèi)CO2濃度。
通過中心控制器收集各類傳感器采集到的數(shù)據(jù),由本地環(huán)境監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器,再由云端服務(wù)器將數(shù)據(jù)反饋給終端用戶,為用戶提供遠(yuǎn)程實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)。
日志系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)平臺運(yùn)行、管理操控及農(nóng)事操作等日志記錄,為設(shè)備管理者和農(nóng)事生產(chǎn)者提供不同階段的工作日志,便于分析問題和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。
以“數(shù)字農(nóng)藝”APP應(yīng)用軟件為例,根據(jù)各園區(qū)管理人員需求,設(shè)置分區(qū)管理權(quán)限,在手機(jī)端可實(shí)時查看日光溫室現(xiàn)場數(shù)據(jù)、發(fā)布相關(guān)操作指令等。通過移動端5G或無線AP網(wǎng)絡(luò)[5],登陸物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)查看、設(shè)備控制等操作,為管理者提供園區(qū)實(shí)況、環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)分析、產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測、病蟲害預(yù)警、遠(yuǎn)程協(xié)助等功能,實(shí)時掌握基地環(huán)境動態(tài)。主要功能模塊有室內(nèi)外生態(tài)環(huán)境信息查詢、現(xiàn)場視頻、操作日志、設(shè)備控制(通風(fēng)、溫度、內(nèi)外遮陽、灌溉、加濕、內(nèi)循環(huán)、補(bǔ)光、噴淋)等。
組態(tài)設(shè)置是系統(tǒng)進(jìn)行算法、設(shè)備配置的核心模塊。按照界面組態(tài)配置步驟,進(jìn)行系統(tǒng)、設(shè)備、板卡等配置,在完成組態(tài)配置時,必須點(diǎn)擊相關(guān)按鈕進(jìn)行組態(tài)信息正確性匹配檢測,只有通過檢測的組態(tài)信息方視為有效,才會在上位機(jī)重啟后系統(tǒng)運(yùn)行時進(jìn)行加載顯示參與控制。
組態(tài)查詢,只有系統(tǒng)管理員及以上級別的用戶可以查看該模塊頁面。分為工程師頁面和最終用戶界面,工程師頁面可以對區(qū)域、系統(tǒng)設(shè)備、IO配置等重要信息進(jìn)行修改配置,最終用戶界面僅能進(jìn)行組態(tài)信息查詢和各區(qū)域重命名的操作。
包括環(huán)境設(shè)置、灌溉設(shè)置、調(diào)試和WEB配置4個部分。環(huán)境設(shè)置部分,包含環(huán)境子系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和手動控制界面;灌溉設(shè)置部分,包括灌溉設(shè)置和診斷設(shè)置,對每個灌區(qū)進(jìn)行反沖洗和肥前補(bǔ)償進(jìn)行設(shè)置,對各個首部進(jìn)行診斷;調(diào)試模塊是工程師調(diào)試現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的界面,也可以輔助進(jìn)行系統(tǒng)控制模塊的功能調(diào)試。
超級管理員可以對遠(yuǎn)程WEB配置和遠(yuǎn)程界面環(huán)境概貌、設(shè)備控制、視頻監(jiān)控權(quán)限等進(jìn)行設(shè)置。
在溫室群園區(qū)采用分散控制、中央監(jiān)控的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[4],每座溫室安裝物聯(lián)網(wǎng)傳感數(shù)據(jù)采集箱、動力控制電氣柜,通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)連接到智慧溫室主控平臺。物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)安裝在中央監(jiān)控室內(nèi),通過監(jiān)控管理軟件和計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò),與溫室智能環(huán)境設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信與管理控制。智慧溫室控制系統(tǒng)實(shí)時獲取傳感器數(shù)據(jù),通過系統(tǒng)設(shè)定的控制參數(shù)與閾值進(jìn)行控制動作判斷,將控制指令發(fā)送給動力控制電氣柜進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的啟動、停止動作,以達(dá)到對溫室環(huán)境精準(zhǔn)控制,實(shí)現(xiàn)整個園區(qū)的環(huán)境控制及水肥一體化智能調(diào)控、中央監(jiān)控與云端管理。系統(tǒng)具有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備控制、采集模塊的故障自動診斷、自動報(bào)警、模塊化組態(tài)再擴(kuò)展等功能,以保證管理區(qū)域的添加和控制功能的擴(kuò)展需求。
結(jié)合日光溫室生產(chǎn)實(shí)際,分析智能管理需求,應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)、CAN總線網(wǎng)絡(luò)、組態(tài)王、PLC可編程控制器[6]等技術(shù),搭建北方日光溫室分布式智能監(jiān)管平臺,通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺聯(lián)合智能溫室監(jiān)管系統(tǒng),在手機(jī)APP端移動監(jiān)視與控制管理,徹底實(shí)現(xiàn)通過控制生態(tài)環(huán)境因素調(diào)控作物生長品質(zhì)。今后進(jìn)一步開發(fā)智能種植生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫、深度挖掘智慧溫室大數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)各溫室的個性化管理,達(dá)到日光溫室群的整體智慧化管控,形成覆蓋全面、管控統(tǒng)一的智慧溫室園區(qū),全面打破園藝生產(chǎn)的季節(jié)限制,以節(jié)省成本、降低人力投入,滿足信息化、數(shù)字化、無人化的現(xiàn)代化設(shè)施園藝建設(shè)需求;進(jìn)一步通過物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建“智慧農(nóng)業(yè)”大數(shù)據(jù)管控決策平臺,有效整合資源,集農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、科學(xué)研究、水利氣象、災(zāi)情預(yù)警、農(nóng)產(chǎn)品安全追溯、電子商務(wù)、植保監(jiān)測、環(huán)境治理、生態(tài)循環(huán)、節(jié)能環(huán)保等功能為一體,構(gòu)建成“互聯(lián)網(wǎng)+智慧農(nóng)業(yè)”數(shù)字化信息服務(wù)體系,提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化運(yùn)營管理、政府決策監(jiān)管和社會公眾服務(wù)水平。