基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室智能系統(tǒng)研究

楊靖峰

（天津市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，天津300061）

1 概述

溫室智能系統(tǒng)，是在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用逐漸廣泛的情況下提出來的，基于此而研制出的一套用于溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。國(guó)外的溫室智能系統(tǒng)起步較早，特別是荷蘭、以色列等國(guó)。荷蘭在19世紀(jì)70年代就研制出計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)CECS，該系統(tǒng)配備了一系列計(jì)算機(jī)軟硬件，實(shí)現(xiàn)了溫室供水、施肥和環(huán)境自動(dòng)化控制。以色列利用計(jì)算機(jī)通過滴灌方式進(jìn)行施肥，肥料可直接施在植物的根部，從而避免浪費(fèi)；在以色列，已經(jīng)出現(xiàn)了在家里利用電腦對(duì)灌溉過程進(jìn)行全部控制(無(wú)線、有線)的農(nóng)場(chǎng)主，他們一個(gè)種子種下去，便可放心交給“電子保姆”照顧。在美國(guó)，目前有80%以上的溫室使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，60%以上的農(nóng)戶使用計(jì)算機(jī)，其中27%的農(nóng)戶還運(yùn)用了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。英國(guó)的溫室管理幾乎全部采用計(jì)算機(jī)管理，其中倫敦大學(xué)農(nóng)學(xué)院研制的溫室計(jì)算機(jī)遙控技術(shù)，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控50km外溫室的溫、光、濕、氣、水等的環(huán)境狀況。

溫室智能系統(tǒng)

我國(guó)大規(guī)模的溫室生產(chǎn)始于20世紀(jì)70年代末，20世紀(jì)80年代計(jì)算機(jī)才開始應(yīng)用于溫室的生產(chǎn)管理。我國(guó)政府非常重視設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，2001年“工廠化農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”被列入國(guó)家科技部“十五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，“設(shè)施園藝可控環(huán)境生產(chǎn)技術(shù)”被首次列入國(guó)家“863”計(jì)劃。近些年，我國(guó)各地開始大規(guī)模研究溫室智能系統(tǒng)，但都處于研究階段，真正大規(guī)模應(yīng)用的還沒有。

2 總體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室智能系統(tǒng)，采用三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖1所示。

底層是信息獲取與控制設(shè)備：用于溫室內(nèi)外的環(huán)境采集、溫室內(nèi)部環(huán)境調(diào)控、灌溉閥門和水源控制、視頻采集等。

中間層是網(wǎng)絡(luò)傳輸與云平臺(tái)：用于溫室園區(qū)內(nèi)的低功耗自組無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)上的集中管理、存儲(chǔ)和處理。

上層是應(yīng)用層：用于溫室智能管理和人際交互硬件設(shè)備，支持智能手機(jī)、便攜式電腦等多種層次和種類設(shè)備。

溫室智能系統(tǒng)依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，融合作物栽培知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)溫室綜合環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警管理等功能，保證溫室內(nèi)作物處于適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，為作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效和安全創(chuàng)造條件。溫室智能系統(tǒng)功能模塊可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，適用于連棟溫室、日光溫室及塑料大棚等。

3 溫室智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

溫室智能系統(tǒng)包括傳感器模塊和無(wú)線網(wǎng)關(guān)。傳感器模塊用于對(duì)溫室空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照、C2O等影響作物生長(zhǎng)因子的探測(cè)，無(wú)線網(wǎng)關(guān)用于將傳感器探測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用中心。

3.1 傳感器模塊

針對(duì)溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用的隨意布點(diǎn)、低采集傳輸頻率的特點(diǎn)，溫室智能系統(tǒng)中的傳感器模塊應(yīng)用UWS330系列無(wú)線傳感器，該傳感器集空氣溫濕度傳感器、光照度傳感器、無(wú)線模塊、供電電池于一體，通過無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，將溫室內(nèi)的實(shí)時(shí)環(huán)境信息傳輸至網(wǎng)關(guān)。

3.1.1 溫濕度 光照傳感器

UWS330系列無(wú)線傳感器將溫濕度和光照傳感器整合在一起。UWS330系列無(wú)線傳感器應(yīng)用SHTxx系列芯片，SHTxx系列單芯片傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。

3.1.2 二氧化碳傳感器

C2O濃度的測(cè)量采用非分光紅外(NDIR，Non Dispersive Infra-Red)技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用CO2在紅外線波長(zhǎng)區(qū)域具有吸收光譜的特性。當(dāng)對(duì)應(yīng)CO2氣體特征吸收波長(zhǎng)的光波通過CO2氣體時(shí)，其強(qiáng)度將明顯減弱，強(qiáng)度衰減程度與CO2氣體濃度有關(guān)，兩者之間的關(guān)系遵守朗伯-比爾定律。

3.1.3 土壤溫濕度傳感器

土壤水分測(cè)量方法眾多，常用方法包括介電原理測(cè)量法、中子儀測(cè)量法及張力計(jì)測(cè)量法等。溫室智能系統(tǒng)中的土壤濕度傳感器應(yīng)用的是介電原理測(cè)量法。介電原理測(cè)量法是根據(jù)土壤介電常數(shù)的變化情況來確定土壤的水分含量，此原理是目前國(guó)際上最流行的土壤水分傳感器測(cè)量方法。

3.2 無(wú)線網(wǎng)關(guān)

無(wú)線網(wǎng)關(guān)是無(wú)線自組網(wǎng)的匯聚節(jié)點(diǎn)，也是無(wú)線自組網(wǎng)與Internet網(wǎng)絡(luò)的接口，起到網(wǎng)絡(luò)通訊轉(zhuǎn)換的功能。無(wú)線網(wǎng)關(guān)一般是具有一個(gè)10Mbps或100Mbps的廣域網(wǎng)口 (WAN)、多個(gè)10/100 Mbps的局域網(wǎng)口 (LAN)、一個(gè)支IEEE802.11b、802.11g或802.11a/g標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)接入點(diǎn)、具網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換功能（NAT）以實(shí)現(xiàn)多用戶的Internet共享接入的硬件設(shè)備?？紤]到溫室智能系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境不太方便使用電源，該系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)關(guān)還包括一個(gè)太陽(yáng)能供電組件：太陽(yáng)能板和電池。

[1]張飛霞.基于無(wú)線通信及WEB的溫室智能控制系統(tǒng)研究[C].福州：福建農(nóng)林大學(xué)，2012.

[2]農(nóng)機(jī)通[EB/OL].http://www.nongjitong.com/blog/2006/15035.html.

[3]曾光輝.便攜式非分光紅外吸收型二氧化碳傳感器的研究[J].廣東技術(shù)示范學(xué)院學(xué)報(bào),2008,3:67-70.