環境數字化信息系統在日光溫室蔬菜生產中的應用

章鐵軍，宮彬彬，劉永泉，高洪波，吳曉蕾

（1.河北農業大學現代教育技術中心，保定，071001；2.河北農業大學園藝學院；3.保定市科技局草莓所）

環境數字化信息系統在日光溫室蔬菜生產中的應用

章鐵軍1，宮彬彬2，劉永泉3，高洪波2，吳曉蕾2

（1.河北農業大學現代教育技術中心，保定，071001；2.河北農業大學園藝學院；3.保定市科技局草莓所）

2011年全國蔬菜日光溫室面積約80萬hm2，日光溫室在我國設施蔬菜中占有很重要的地位，既適合以家庭承包經營為主的小規模生產，也適合企業和種植大戶的專業化生產。日光溫室內蔬菜的生長發育，一方面取決于作物的遺傳特性，另一方面由溫室內的溫度、濕度、光照度和CO2濃度等環境因子決定。但是，我國現有日光溫室結構不合理且骨架、立柱多，影響室內光照和保溫效果，而且日光溫室內環境調控能力較差，受天氣和自然環境影響較大，尚維持在靠水銀溫度計監測環境的水平，很難做到根據蔬菜生長所需的溫度科學調控，影響蔬菜植株的生長、產量和品質。因此，設施蔬菜的可持續發展要從合理的日光溫室結構設計出發，對現有日光溫室結構性能進一步研究、改進和完善，在此基礎上初步建立能對日光溫室的環境因子進行實時、準確監測的系統，為蔬菜提供適宜的環境條件，確保日光溫室蔬菜的健康、持續、高效發展。

目前的溫室測控系統大多采用有線布網、人工測量，導致現場安裝困難，工作效率偏低，測量精度差，這不僅大大增加了電氣工程施工費用，也導致施肥等工作困難；此外，系統中的每個監控點沒有自組織功能和自愈能力，維護工作量大，也不利于系統升級。因此，為了實現溫室農作物的優質、高產和高效，開發和研制一種新型的溫室環境測控系統十分必要。用無線傳感器網絡構建監控系統，具有部署方便、成本低廉等優勢，同時可以有效實現環境信息的采集和傳輸，及時調整管理策略，保證作物生長處于最佳狀態，為溫室環境參數檢測提供一種新穎的、低成本的解決方案。

環境數字化信息系統就是要實現溫室作物生長環境的溫度、空氣相對濕度、土壤溫度以及光照度等環境因子的實時數據獲取，并對這些數據進行實時顯示、存儲、分析和處理，實現對溫室內作物生長的各種環境參數的控制，達到現代化管理、精準化作業和獲取更高效益的目的。

1 環境數字化信息系統的組成和功能

蔬菜日光溫室環境數字化信息系統主要由無線網絡溫室環境采集控制單元、無線型室外微型氣象站、調頻編碼發射臺組件和系統上位機組成。

①無線網絡溫室環境采集控制單元連接6個環境傳感器，包括1個光照傳感器、1個濕度傳感器、4個溫度傳感器，可實現日光溫室內主要環境因子（光照、溫度、濕度）的實時監測（根據經濟承受能力可加裝土壤水分、二氧化碳等傳感器），并實現環境數據的存儲（4 000～24 000條數據）。

②無線型室外微型氣象站置于室外，可實現室外環境數據的實時采集，為室內環境管理提供參考。

③無線網絡溫室環境采集控制單元和無線型室外微型氣象站可通過無線射頻實現環境數據的無線傳輸至系統上位機。

④系統上位機是一臺數據服務器，可實現實時數據查看與數據庫存儲、歷史數據查詢、曲線分析、極值查詢、數據統計等功能；可通過Internet網絡連接遠程登錄系統上位機，實現管理人員對遠程溫室環境參數進行集中監視、遠程監控、參數設定、問題追溯等；根據溫室栽培蔬菜種類的差異，設定蔬菜所需環境參數范圍，若環境實時數據超出設定范圍，可實現超限報警功能。另外，系統上位機與短信模塊連接，可實現手機短信實時數據召喚，便于種植者和管理者了解溫室內環境變化情況。

該系統是一個數字化的環境信息系統，是種植者、管理者監測、查詢日光溫室環境數據可靠、便捷、高效的技術手段，而且根據溫室內外環境的變化適時發出各種農事操作提示，使溫室環境調控和相關栽培操作準確到位，同時超限報警可使不當操作和極端天氣所造成的損失降到最小，提高栽培效果，增加生產效益。

2 環境數字化信息系統的特點

2.1 實現日光溫室內環境信息的準確、穩定的采集

日光溫室內空間緊湊，目前智能溫室內使用的有線傳感器布線復雜，直接在日光溫室內使用會嚴重影響日常的生產管理。傳統的無線傳感器技術通常是一個微型的嵌入式系統，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電，數據傳輸不穩定，破損數據較多且通信距離有限。

無線傳感器網絡系統是現代傳感器技術、微電子技術、通信技術、嵌入式計算技術和分布式信息處理技術等多項技術的綜合，它把無線傳感器網絡技術引入到溫室蔬菜生產中來，逐步建立以信息和軟件為中心的數字化環境管理模式，從而實現溫室實時環境數據的自動采集與傳輸。為了更適用于日光溫室的環境采集，針對無線傳感器技術的弊端，從技術上進行了無線傳感器網絡技術的改良，首先，采用直流電源代替電池，給系統提供穩定的能源，從而保證了較穩定的數據傳輸和較遠的通信距離，同時，免去了更換電池的繁瑣；其次，采用數據融合技術，即在傳輸過程中對數據進行綜合處理，避免了由于環境和能量因素，導致無線傳輸的數據易受干擾，傳感器節點易失效等問題，得出更為準確完整、更符合用戶需求的信息。該系統可以在日光溫室高溫高濕環境下良好工作，日光溫室蔬菜生產的環境控制可以逐漸擺脫人為經驗判斷，使用壽命可達5～8 a，大幅度提高單位面積的勞動生產率和工作效率，對實現日光溫室蔬菜的高產、穩產具有重要意義。

2.2 符合我國農村日光溫室生產現狀

目前，我國大部分的溫室管理者專業素質較低、電腦知識水平缺乏，復雜的控制系統即使技術完善，也沒有辦法在實際生產中應用。因此該系統設計為自啟動、自加載、自運行、可斷電恢復的實時系統，簡單實用，系統不直接面對農民，農民也不需要面對電腦進行任何操作。通過前期的系統設置、報警設置，系統可以向農民手機發送實時的數據，農民通過查看手機短訊，就可以了解相關的溫室環境信息，從而進行相關的管理。該系統符合了我國農業生產的國情，更利用推廣。

2.3 便于管理者和科研工作者查詢與分析數據

本系統除了能夠勝任溫室的日常生產管理以外，還可以為科研工作者提供便利的數據信息和數據統計。本系統可以讓工作者通過電腦的遠程登陸界面進入系統的控制界面，進行數據觀測、數據下載、參數修改等控制，真正實現足不出戶的遠程控制，避免由于時間原因無法及時采集數據的問題。同時，本系統還可以對采集的數據進行統計分析，結合生產科研的需要，對積溫、積光、溫濕度的極值大小、極值范圍等科研參數進行統計。

3 展望

本系統通過匯聚節點與傳感器網絡進行雙向通信，實現了環境信息的自動采集、無線傳輸、信息的圖表顯示、查詢、統計分析和報警等，特別是通過遠程網絡傳輸和可視化顯示技術，達到系統易用性與功能性的統一，初步實現了日光溫室蔬菜生產的數字化管理。而且，隨著我國日光溫室的機械如配備卷簾機等外部執行設備的增加，該系統也可通過繼電器實現設備自動運行與智能控制，顯著提高溫室環境的管理能力和生產能力，提高蔬菜栽培效果，同時短信超限報警等功能可使不當操作和極端天氣所造成的損失降到最小，對實現日光溫室蔬菜生產的可持續發展發揮重要作用。

10.3865/j.issn.1001-3547.2012.18.024

章鐵軍（1976－），男，學士，講師，從事計算機程序開發及農業環境控制研究，電話：13463689878，E-mail：zhangtiejun@hebau.edu.cn

2012-05-28