基于物聯網技術的日光溫室黃瓜智能灌溉控制系統研究

呂雄杰等

摘 要：采用無線傳感器采集溫室內空氣溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度、光照強度等信息，利用無線傳輸協議實現數據的自動獲取、傳輸及控制。當土壤水分傳感器監測到土壤含水量低于設定閾值時，系統自動啟動電磁閥，進行滴灌作業，可實現黃瓜幼苗期、結果初期、結果盛期、結果后期智能灌溉控制，較常規滴灌作業節水15%～20%。

關鍵詞：物聯網；日光溫室；黃瓜；智能灌溉控制

中圖分類號：S642.2 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.09.008

Abstract： This study used wireless sensors to collect air temperature， air humidity， soil humidity， soil temperature， concentration of carbon dioxide and intensity of illumination and realized the automatic obtainment， transmission and control of the data by using wireless transmission protocol .When the soil humidity was under the threshold， the system would start the magnetic valve and carry on drip irrigation operation. The intelligent irrigation control system could be used at the seedling stage， early-fruit stage， fruit stage and late-fruit stage. The results showd that the use of the system could save 15～20 percent water than ordinary drip irrigation operation.

Key words： internet of things； greenhouse； cucumber； intelligent irrigation control

物聯網是由多項信息技術融合而成的新型技術體系，被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮[1-2]。在美國、澳大利亞、法國、加拿大等一些國家，物聯網在大田糧食作物種植精準作業、設施農業環境監測和灌溉施肥控制、果園生產不同尺度的信息采集和灌溉控制、畜禽水產精細化養殖監測網絡和精細養殖等方面應用廣泛[3]。2002年英特爾公司率先在俄勒岡州建立了第一個無線葡萄園，傳感器節點被分布在葡萄園的每個角落，每隔1 min檢測一次土壤溫度、濕度或該區域的有害物的數量以確保葡萄可以健康生長，進而獲得大豐收[4-5]；2007年美國Crossbow公司推出了一款叫eKo的無線環境監測系統，該系統主要應用于精確農業和環境監測等行業，可實現對農業環境的實時監測，并實現智能灌溉、霜凍監測和施肥驅蟲，從而達到節約資源的目的[3]。2008年，法國建立了較為完備的農業區域監測網絡，指導施肥、施藥、收獲等農業生產過程。荷蘭VELOS智能化母豬管理系統在荷蘭以及歐美許多國家得到廣泛應用，能夠實現自動供料、自動管理、自動數據傳輸和自動報警。泰國初步形成了小規模的水產養殖物聯網，解決了RFID技術在水產品領域的應用難題。國內主要在四大方面研發了一批系統，包括：田間環境土壤信息獲取、聯合收獲機自動測產、農田作物產量空間差異分布圖自動生成和農業機械作業監控等大田糧食作物生產方面；設施農業環境數據采集、發布、調控等設施農業生產方面；在果園監測、水肥控制、節水灌溉自動化等果園精準管理方面；養殖環境監控、健康養殖、畜禽水產養殖等。例如國家農業信息化工程技術研究中心成功研制了基于GNSS、GIS、GPRS 等技術的農業作業機械遠程監控調度系統，可優化農機資源分配，避免農機盲目調度。中國農業大學建立了蛋雞健康養殖網絡系統和水產養殖環境智能監控系統[6-8]。迄今，物聯網技術應用在中國還處于初期階段，尤其在設施農業方面還主要停留在監測與初步分析環節，主要包括監測設施內土壤溫濕度、CO2濃度等環境狀況，依據監測數據指導農事操作，而其中存在的共同問題就是雖然利用了傳感器技術，但是采集到的數據主要還是一種展示或統計分析，沒有與相關控制設備進行聯動，沒有真正意義實現科學決策和智能控制[3]。

近年來，天津市設施種植業發展迅速，節能日光溫室面積已近2萬hm2，隨著溫室的升級改造，日光溫室所占比例逐步增大[9]。日光溫室是目前天津市冬春蔬菜生產的最重要設施之一。由于效益高、見效快，黃瓜生產面積迅速增加，目前已約占日光溫室總面積的1/3。黃瓜是需水量較大的蔬菜，因此，科學的水分管理是決定產量的關鍵。目前，日光溫室黃瓜的栽培基本還是沿襲以往的經驗做法進行灌溉，不能對水分進行科學合理的利用與管理，不僅浪費水資源，而且還會導致日光溫室保護地病、蟲害發生和產量下降等問題[10]。物聯網技術的應用可有效解決以上的黃瓜生產難題，利用土壤水分傳感器可實時監測黃瓜栽培土壤的濕度現狀以及動態變化情況，為黃瓜節水高產栽培及日光溫室智能化管理提供參數及控制依據，進而實現節水灌溉自動化管理。

1 系統組成

基于物聯網技術的日光溫室黃瓜智能灌溉控制系統由環境信息采集系統、采集控制系統、視頻監控、執行單元和監控中心5個部分組成（圖1）。

1.1 環境信息采集系統

環境信息采集系統負責各類傳感器數據的采集控制（圖2），主要土壤含水量傳感器、土壤溫度傳感器、空氣溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、光照強度傳感器及安裝附件組成。環境信息采集系統所采集到的環境信息通過無線方式直接與采集控制器通訊，存儲并顯示。

1.2 采集控制系統

采集控制系統主要由核心控制器和相應的繼電器控制電路組成。采集控制器是一款具有12路繼電器輸出、8路模擬量輸入和8路開關量輸入，具有良好的擴展性能。它可作為控制終端直接連接傳感器、繼電器以及電磁閥，實現對現場數據的采集以及對調控設備的手動或自動控制。

功能特點：擴展RS485總線接口，可組成以控制器為中心的多級控制系統；支持遠程控制和參數設置功能，包括短信、GPRS網絡和無線電臺三種數據轉發功能，可作為二級網絡的現場控制設備與中央計算機通信；控制灌溉時，可設置輪灌組，每個組可按時間或者傳感器上下限啟動；按時間啟動具有每天、單號、雙號、星期、自由5種啟動方式，每個輪灌組可設置7個啟動時間，并可選擇定時和周期兩種啟動方式；按傳感器啟動可設置啟停的上下限。

技術參數：12路繼電器輸出；8路電流/電壓量輸入；8路開關量輸入；2路RS485接口；2路232接口；支持20個輪灌組。

采集控制器通過串口服務器將485協議轉換為網絡協議，然后再通過交換機與無線網橋連接，最終將采集端監測的環境數據通過無線傳輸方式傳回到監控中心。

1.3 視頻監控系統

視頻監控系統負責采集溫室生產關鍵環節、植物生長狀態的視頻信息以及日光溫室內的安全，所有圖像信息通過無線網橋傳輸，實現到主控機房的匯總、統一控制管理，并且能夠實現圖像信息的遠程訪問；系統的應用有助于管理人員及時跟蹤作物的生長情況，對作物生長的關鍵環節進行追蹤，及時發現并記錄作物的各種不良反應，為作物遠程病蟲害診斷及環境信息采集控制系統提供有效的數據支持。

1.4 執行單元

執行單元由滴灌系統和電磁閥組成，負責接收監控中心發來的指令，通過繼電器可以控制溫室內電磁閥，實現遠程自動化灌溉。滴灌系統包括水源、首部樞紐、輸水管網（干管、支管、毛管、管件及閥門）。首部樞紐由過濾器、壓力表、控制閥、流量表等組成。輸水管網：由主管、支管組成，主管與支管垂直，主管多埋在地下，支管多鋪設在地面。滴灌管：按照做好的畦壟鋪設滴灌管，滴灌管孔距與株距相同，為30～35 cm，鋪好滴灌管后，覆蓋地膜。

1.5 監控中心

監控中心由服務器、操作臺、視頻服務器及物聯網監控軟件等組成。物聯網監控軟件，包括日光溫室環境信息監測軟件及視頻監控軟件，部署在監控中心服務器上，可以匯總、分析采集得到的上述信息，實現對某項參數預警報警值的設置，當監測到的參數值超過設定的報警值時，系統會用不同的顏色標注出來，以提醒管理人員進行相應操作，并可以通過互聯網對外發布。軟件采用組態軟件開發，人機界面友好，操作簡單，可遠程對現場設備進行系統配置、功能配置，并可實時數據列表顯示、實時數據曲線顯示、歷史數據下載、歷史數據列表顯示、歷史數據曲線顯示、歷史數據分析等功能。

系統具備遠程數據發布功能（需要現場網絡條件），用戶只需錄入指定網址，通過電腦以及手機輸入密碼直接登錄，即可了解現場實時數據，并掌握整個系統的運行情況（圖3）。

2 系統功能實現

項目合作單位天津市農業資源與環境研究所，前期已經開展了多年的日光溫室黃瓜不同水分處理試驗研究，在節水灌溉方面積累了豐富的經驗，基本摸清了日光溫室黃瓜各個生長期（幼苗期、結果初期、結果盛期、結果后期）需水規律，提出了實現黃瓜高產高效的土壤水分管理對策。（1）幼苗期：這一時期不宜濕度過大，易造成幼苗徒長，當土壤含水量小于田間持水量的60%時，每667 m2灌水6 m3；（2）結果初期：隨著植株的生長需水量有所增加，當土壤含水量小于田間持水量的80%時，每667 m2灌水9 m3；（3）結果盛期：這一時期是黃瓜需水量最大的時期，當土壤含水量小于田間持水量的90%時，每667 m2灌水12 m3；（4）結果后期：這一時期黃瓜需水量較結果盛期有所下降，當土壤含水量小于田間持水量的80%時，每667 m2灌水9 m3。

以上研究成果為本系統的智能灌溉控制提供參數。遠程監控中心由計算機和日光溫室黃瓜物聯網智能灌溉控制系統軟件組成。計算機接收采集控制器發送的土壤含水量信息，與智能灌溉控制系統數據庫進行分析、比對，從而形成灌溉策略，然后由監控中心計算機將灌溉命令下發到采集控制器，由采集控制器直接控制電磁閥進行滴灌作業。

3 結 論

目前，該系統在天津市現代農業創新基地天津市設施農業研究所11號日光溫室內安裝使用，通過應用取得三方面效果。（1）提高了日光溫室黃瓜精細化管理水平。自系統安裝以來每天24 h不間斷采集日光溫室環境參數與視頻信息，并實現數據安全存儲與共享，通過對監測數據的查詢與分析、灌溉智能控制，對溫室黃瓜灌溉與施肥決策等實現精確管理，每棚每茬口節省1個種植管理人工。（2）實現了黃瓜灌溉智能控制，提高了節水灌溉精度。以前都是通過研究灌溉制度的經驗澆水，做試驗時采用張力計，需要科研人員每天去棚里監測，看到張力計達到（灌溉設定的閾值）一定讀數后，開始灌水，精度差。例如，做3個處理：土壤含水量分別達到田間持水量70%，80%和90%時開始灌水。采用張力計，往往灌水的時間點不是準確的定位在田持的70%，而是67%或73%之類，影響試驗效果，耗費科研人員的時間和精力。現在通過水分傳感器可以實時掌握土壤水分狀況，通過提前設定好的程序，開閉電磁閥可實現精準灌溉，經測算本系統的應用在保證黃瓜產量水平和品質不降低的情況下，較常規滴灌系統節水15%～20%。（3）省時省力。以前科研人員管理1個日光溫室3個不同灌水量滴灌試驗，進行1次灌溉管理，需要依次開關小旁通閥90個，灌水時需要有專人盯著水表讀數，澆1次水至少需要1個科研人員3 h的時間。而應用物聯網技術后，僅需幾分鐘就能完成灌溉控制，大大降低了勞動強度，提高了勞動生產率。

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