淺析智能大棚在重慶市永川區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

摘 要 智能溫室大棚采用全封閉的建筑形式，可以隔絕外界環(huán)境，控制溫度、濕度和光照等環(huán)境參數(shù)，從而為植物提供更加穩(wěn)定、安全的生長環(huán)境。重慶市永川區(qū)蔬菜生產(chǎn)中的智能大棚主要是利用物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，以無線傳輸為中心，靈活增設(shè)節(jié)點(diǎn)，遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)控蔬菜生長環(huán)境。從需求、內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)與效果等方面，探索智能大棚在重慶市永川區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 智能大棚；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；重慶市永川區(qū)

中圖分類號：S625.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.12.048

永川區(qū)位于長江上游北岸、重慶市西部，是當(dāng)?shù)刂匾卟朔N植基地之一，全年蔬菜播種面積超42.6 hm2。近年來，永川區(qū)積極探索“智能大棚+高標(biāo)準(zhǔn)綠色蔬菜”建設(shè)模式，全面打造集多種智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)于一體的人工智能蔬菜生產(chǎn)示范點(diǎn)，帶動蔬菜生產(chǎn)效益提升。因此，探索智能大棚在重慶市永川區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的運(yùn)用具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

1 智能大棚的應(yīng)用需求

在永川區(qū)蔬菜生產(chǎn)中，智能大棚需要將監(jiān)測數(shù)據(jù)（見表1）及時(shí)傳輸?shù)缴蠈?，由上層專家?guī)炷M最適宜大棚內(nèi)蔬菜生長的環(huán)境，最終發(fā)出遠(yuǎn)程調(diào)控指令，變更大棚內(nèi)部環(huán)境參數(shù)，為蔬菜維持最佳生長狀態(tài)提供充足支持[1]。表1中的土壤電導(dǎo)率（Electrical Conductivity，EC）主要用于反映土壤中可溶性離子濃度，濃度過高易造成反滲透壓，致使蔬菜根系水分流失，根尖干枯。

2 功能介紹

2.1 智能溫控

適宜的溫度是保障蔬菜健康生長的必要條件，蔬菜生育時(shí)期不同，對溫度的要求也有所不同。日間，蔬菜大棚內(nèi)溫度一般應(yīng)控制在（25±5）℃，以促使維持蔬菜光合作用的各種酶發(fā)揮最大效能，促進(jìn)有機(jī)物積累；夜間，蔬菜大棚內(nèi)溫度應(yīng)控制在（14±4）℃，抑制蔬菜的呼吸作用，減少有機(jī)物的消耗。

根據(jù)永川區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型，菜農(nóng)可以提前了解蔬菜生產(chǎn)中對溫度的要求，與標(biāo)準(zhǔn)溫度值對比。根據(jù)對比值，開啟正反饋調(diào)節(jié)（或負(fù)反饋調(diào)節(jié)），促使溫度無限接近蔬菜生長適宜值。例如，在溫度低于蔬菜生長適宜值時(shí)，借助智能大棚微控制中心，驅(qū)動電動機(jī)縮小通風(fēng)口，并開啟增溫設(shè)備；而在溫度高于蔬菜生長適宜值時(shí)，可以經(jīng)大棚微控制中心驅(qū)動電動機(jī)增大通風(fēng)口，開始換氣降溫。

2.2 自動灌溉

在專家?guī)焓卟松L模型內(nèi)，集成實(shí)際調(diào)研環(huán)境變量與蔬菜生長的關(guān)系，以土壤濕度這一環(huán)境影響因素為自變量，以蔬菜質(zhì)量或大小為因變量，建立坐標(biāo)系，自動調(diào)控智能大棚內(nèi)相對濕度。同時(shí)，在智能大棚監(jiān)控端顯示界面顯示大棚空氣溫濕度、土壤濕度等信息，建立手動控制端口，允許菜農(nóng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動操作水泵的控制開關(guān)[2]。

根據(jù)大棚內(nèi)蔬菜種植區(qū)分區(qū)灌溉需求，智能大棚內(nèi)使用若干水泵。在灌溉期間，大棚內(nèi)部土壤濕度傳感器與空氣濕度傳感器可以將濕度信息實(shí)時(shí)傳遞至后臺，經(jīng)后臺服務(wù)器自動分析，輸出蔬菜種植區(qū)域需要補(bǔ)充的土壤水分，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至智能大棚液晶監(jiān)控面板、遠(yuǎn)程移動監(jiān)控設(shè)備，便于菜農(nóng)依據(jù)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行定時(shí)、定量的灌溉。

2.3 智能通風(fēng)

永川區(qū)智能大棚多采用內(nèi)外雙層透光膜，可實(shí)現(xiàn)自動卷膜。卷膜電機(jī)由系統(tǒng)控制，可以根據(jù)系統(tǒng)指令帶動卷膜軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)窗的自由開啟或閉合，為蔬菜提供良好的通風(fēng)環(huán)境[3]。同時(shí)，菜農(nóng)可以根據(jù)所種植蔬菜種類對通風(fēng)的要求，自行設(shè)置卷膜電機(jī)開啟、閉合時(shí)間與位置，為蔬菜高產(chǎn)提供依據(jù)。

2.4 智能光照

光照是蔬菜生長的能量來源，光照時(shí)間、光照強(qiáng)度對蔬菜生長具有直接的影響。根據(jù)專家?guī)靸?nèi)收集的蔬菜最適宜光照數(shù)據(jù)，可以利用蔬菜大棚微控制單元，向伺服電機(jī)發(fā)送指令，調(diào)整遮陽簾的開啟角度，控制光照強(qiáng)度（見圖1）。在光照強(qiáng)度嚴(yán)重不足時(shí)，開啟補(bǔ)光燈，額外補(bǔ)充光照，促進(jìn)蔬菜生長（見圖2）。

智能大棚補(bǔ)光設(shè)備由補(bǔ)光燈、手機(jī)端2個(gè)部分組成，手機(jī)端可24 h實(shí)時(shí)收集傳感器采集的大棚光照數(shù)據(jù)，并在互聯(lián)網(wǎng)支持下監(jiān)測大棚內(nèi)光照環(huán)境，便于菜農(nóng)準(zhǔn)確感知棚內(nèi)光照信息。同時(shí)，手機(jī)端可根據(jù)前期設(shè)定的光照程序和不同蔬菜生長所需的光照數(shù)值推送補(bǔ)光參考數(shù)值，菜農(nóng)可以根據(jù)補(bǔ)光參考數(shù)值從手機(jī)端發(fā)送指令，開啟補(bǔ)光燈。

2.5 病蟲害識別

病蟲害識別是永川區(qū)農(nóng)業(yè)智能大棚的重要功能之一。其以圖像識別為基礎(chǔ)，借助高清攝像頭定期采集蔬菜圖像，并將圖像實(shí)時(shí)傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)提取圖像中的顏色、紋理特征，生成特征向量。獲得特征向量后，利用已建立的蔬菜病蟲害數(shù)據(jù)庫，診斷大棚內(nèi)蔬菜生長過程中發(fā)生的病蟲害。根據(jù)診斷結(jié)果，發(fā)送控制命令，進(jìn)行針對性防治，減輕菜農(nóng)的工作量。

以永川區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常見蔬菜小番茄為例。1）顏色變換需要先利用高清攝像頭攝取紅色-綠色-藍(lán)色（Red-Green-Blue，RGB）格式彩圖（見圖3），再在色調(diào)-飽和度-明度（Hue-Saturation-Value，HSV）顏色模型內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)化RGB三通道取值，將小番茄圖像轉(zhuǎn)換為HSV格式，消除自然光照影響。2）將原圖中像素灰度轉(zhuǎn)換為新灰度值，進(jìn)一步減少光照影響。3）利用均值濾波法，經(jīng)上位機(jī)平滑處理圖像，消除噪聲，提高病蟲害識別準(zhǔn)確率。4）借助中值濾波，對圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，去除個(gè)別非必要信息，突出關(guān)鍵信息。5）在HSV顏色直方圖（見圖4）內(nèi)，經(jīng)過選擇顏色空間、量化顏色空間、統(tǒng)計(jì)直方圖、推導(dǎo)直方圖距離、索引指出相近圖像等操作，提取小番茄葉部病害圖像特征與紋理特征。在顏色直方圖維度較高時(shí)，為減少統(tǒng)計(jì)值，可提前進(jìn)行圖像的分層級索引。6）在機(jī)器學(xué)習(xí)算法（UPLBP算法）的支持下，識別小番茄病蟲害，尤其可準(zhǔn)確識別小番茄灰斑病、葉霉病、晚疫病等病害。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 整體結(jié)構(gòu)

永川區(qū)應(yīng)用的智能大棚系統(tǒng)為分層結(jié)構(gòu)（見圖5），最底端為檢測終端，由若干無線終端設(shè)備組成，用于大棚內(nèi)部環(huán)境參數(shù)的檢測；中間層為控制層，由若干網(wǎng)關(guān)控制系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)將終端數(shù)據(jù)匯集到上層；最上層為服務(wù)層，由一個(gè)服務(wù)器和上位機(jī)組成，負(fù)責(zé)顯示控制參數(shù)并發(fā)出控制指令。

3.2 硬件構(gòu)成

3.2.1 檢測終端

在檢測終端，信號采集模塊、通信模塊、微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）模塊、電源模塊共同組成了檢測硬件[4]。

信號采集模塊為環(huán)境參數(shù)采集的基礎(chǔ)，包括傳感器（溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、照度傳感器、土壤EC值傳感器等）和信號調(diào)理電路。傳感器檢測信號經(jīng)信號調(diào)理電路傳遞給微控制單元。根據(jù)實(shí)際要求，每一個(gè)檢測終端可設(shè)計(jì)的信號采集通道具有一定差異，每一路信號采集通道均可采集智能大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)。

通信模塊以遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio，LoRa）射頻電路為支撐，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、發(fā)送。遠(yuǎn)距離無線電收發(fā)器最大鏈路預(yù)算168 dB，可編程比特率為300 Kb·s-1，支持137～525 MHz，通信系統(tǒng)所選頻段為低頻433 MHz。

微控制單元是整個(gè)檢測終端的中心，核心芯片可選擇32位ARM（Advanced RISC Machines）微控制芯片。微控制單元支撐低功耗模式，可集成模擬傳感器外圍設(shè)備、通用異步收發(fā)器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）端口，可與無線電通信。

電源模塊為直流（Direct Current，DC）24.0 V供電。同時(shí)，考慮微控制單元為3.3 V供電，運(yùn)算放大器為5.0 V供電，需要額外設(shè)置1個(gè)LM2596-5電源轉(zhuǎn)換芯片（24.0 V→5.0 V）和1個(gè)LD1117S33電源轉(zhuǎn)換芯片（5.0 V→3.3 V）。

3.2.2 網(wǎng)關(guān)控制

網(wǎng)關(guān)控制是整個(gè)蔬菜智能大棚控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)接收終端數(shù)據(jù)并與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)關(guān)控制系統(tǒng)硬件由微控制單元、數(shù)字量輸入（Digital Input，DI）模塊、數(shù)字量輸出（Digital Output，DO）模塊、模擬量輸入（Analogue Output，AO）模塊、模擬量輸出（Analogue Input，AI）模塊、射頻收發(fā)模塊等構(gòu)成。

1）微控制單元是整個(gè)控制系統(tǒng)的中心，可選擇高性能32位低功耗芯片，中央處理器（Central ProcessingUnit，CPU）運(yùn)行頻率超出72 MHz，片內(nèi)FLASH達(dá)到216 K，12位數(shù)模轉(zhuǎn)換，支持片外獨(dú)立電壓。2）數(shù)字量輸出模塊是開關(guān)量控制工具，負(fù)責(zé)控制蔬菜智能大棚通風(fēng)系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、灑水系統(tǒng)、光照系統(tǒng)等。3）數(shù)字量輸入模塊是開關(guān)量信號采集工具，處于備用狀態(tài)。4）模擬量輸入模塊是模擬量數(shù)據(jù)采集工具，處于備用狀態(tài)。5）模擬量輸出模塊是備用工具。6）射頻收發(fā)模塊是終端數(shù)據(jù)信號接收與云端通信工具，可選擇具有8個(gè)射頻通道的SX1301，也可以選擇窄帶（Narrow Band，NB）射頻工具[5]。其中，SX1301以LoRa調(diào)制為基礎(chǔ)，可在-142.5 dBm范圍內(nèi)提供無線節(jié)點(diǎn)基站，并借助若干解調(diào)器支撐遠(yuǎn)程ISM（Industrial Scientific Medica）通信的智能基帶處理；窄帶射頻以蜂窩網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，可直接部署，上行帶寬可以達(dá)到45 kHz，最大功率支持200 MW，在200 kHz帶寬內(nèi)前后具有10 kHz保護(hù)帶，可實(shí)現(xiàn)低成本、大連接。

3.3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.3.1 檢測終端軟件

在MDK（Microcontroller Development Kit）平臺內(nèi)，安裝開發(fā)套件單片機(jī)型號對應(yīng)Pack包和ST-Link驅(qū)動，完成程序下載。在開發(fā)環(huán)境內(nèi)，添加Apollo2固件包，設(shè)置初始化、AD采樣、遠(yuǎn)距離無線電收發(fā)幾個(gè)程序。各個(gè)程序均選擇模塊化編程，每一模塊預(yù)留接口，獨(dú)立運(yùn)行[6]。

檢測終端包括空中喚醒、定時(shí)發(fā)送2種模式。其中，空中喚醒是在開始后初始化系統(tǒng)，促使終端休眠并開啟實(shí)時(shí)時(shí)鐘（Real-Time Clock，RTC）定時(shí)器。1）判定是否產(chǎn)生定時(shí)器中斷，若中斷，則喚醒終端，監(jiān)測信號；2）判定是否是自身數(shù)據(jù)，若是，則接收數(shù)據(jù)并開啟采樣，反之則返回上一層；3）發(fā)送數(shù)據(jù)，判定是否收到應(yīng)答，若是，則結(jié)束，反之則重傳數(shù)據(jù)。

定時(shí)發(fā)送模式下，網(wǎng)關(guān)主動輪詢終端。1）初始化，在終端休眠狀態(tài)下開啟RTC定時(shí)器，判定是否到達(dá)定時(shí)時(shí)間，是則繼續(xù)判定信道是否空閑，反之返回上一層；2）判定信道空閑后，開啟采樣，發(fā)送數(shù)據(jù)；3）判定是否收到應(yīng)答，是則結(jié)束，反之則重發(fā)數(shù)據(jù)；4）判定是否收到應(yīng)答，是則傳輸完成，反之保存數(shù)據(jù)。

3.3.2 網(wǎng)關(guān)控制軟件

在MDK開發(fā)環(huán)境內(nèi)，手動添加Cortex微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)（Cortex Microcontroller Software InterfaceStandard，CMSIS）庫，調(diào)用CMSIS庫內(nèi)相關(guān)接口函數(shù)，直觀選擇微控制器[7]。在安裝完畢的微控制軟件內(nèi)，進(jìn)入庫管理界面，選擇列表中需要安裝的固件庫。在庫管理界面點(diǎn)擊開啟，解壓安裝本地離線包。安裝成功后，組建系統(tǒng)初始化、DO模塊、DI模塊、AO模塊、AI模塊、射頻接收傳感器等功能，為網(wǎng)關(guān)通信與過程通道控制提供依據(jù)。

在主控程序規(guī)劃后，第1步，以網(wǎng)關(guān)控制系統(tǒng)上電為節(jié)點(diǎn)，初始化時(shí)鐘、通用輸入輸出（General-Purpose Input/Output，GPIO）口、射頻收發(fā)口、串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、過程通道；第2步，射頻收發(fā)入網(wǎng)，調(diào)用微控制網(wǎng)關(guān)程序；第3步，判定是否接收數(shù)據(jù)，是則調(diào)用射頻收發(fā)程序，否則返回上一層；第4步，判定是否有數(shù)據(jù)接收，是則接收數(shù)據(jù)，否則直接結(jié)束；第5步，接收數(shù)據(jù)并置入數(shù)據(jù)存儲標(biāo)志位，發(fā)送應(yīng)答后結(jié)束。

3.3.3 移動調(diào)控軟件

移動調(diào)控軟件是實(shí)現(xiàn)手機(jī)管理智能大棚的核心，也是集約化、規(guī)?；r(nóng)業(yè)種植的核心。為確保移動調(diào)控軟件覆蓋施肥、通風(fēng)、澆水、補(bǔ)光、打藥等多項(xiàng)作業(yè)，可以基于全天候每分鐘傳感檢測程序，開發(fā)手機(jī)端軟件。根據(jù)軟件應(yīng)用需求，設(shè)置水肥管理、溫濕度調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)管理、光照管理、病蟲害防控等功能模塊（見圖6）。圖6所示各功能模塊數(shù)值實(shí)時(shí)更新，包括空氣濕度、空氣溫度、風(fēng)速、氣壓、紫外線及光照度等。同時(shí)，可在數(shù)值超限時(shí)發(fā)出警報(bào)，確保移動調(diào)控作業(yè)精準(zhǔn)開展。

4 應(yīng)用效果

大棚栽培對永川區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境溫度影響較大。例如，在智能大棚運(yùn)行過程中，菜農(nóng)可以提前在終端設(shè)置溫度上下限，并設(shè)置夜間保溫模式，使卷簾處于閉合狀態(tài)，抑制蔬菜呼吸作用，從而在一定程度上縮短蔬菜成熟期。

根據(jù)智能大棚濕度傳感器數(shù)據(jù)，在濕度過高時(shí)，可自動開啟通風(fēng)模式，保證棚內(nèi)濕度穩(wěn)定。在蔬菜病蟲害發(fā)生初期，后臺可及時(shí)發(fā)現(xiàn)病蟲害，自動判定病蟲害類型，并由現(xiàn)場輔助工具提取病蟲害圖片中的關(guān)鍵信息，自動執(zhí)行藥物噴施、光控誘殺燈開啟、性誘劑放置等作業(yè)，縮小蔬菜大棚病蟲害危害范圍。應(yīng)用智能大棚一段時(shí)間后，永川區(qū)蔬菜生產(chǎn)周期顯著縮短3 d，蔬菜各種病蟲害發(fā)生頻率顯著降低，蔬菜增收增產(chǎn)效果明顯。

5 結(jié)語

智能大棚是深度融合溫室技術(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成果，以智能大棚為核心科技推動蔬菜現(xiàn)代化生產(chǎn)，可以減少蔬菜管理壓力。因此，永川區(qū)可根據(jù)蔬菜生產(chǎn)要求，大范圍打造集智能溫控、自動灌溉等功能于一體的智能大棚。

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（責(zé)任編輯：張春雨）