基于物聯網的日光溫室遠程監控系統設計實施及問題分析

楊英茹等

摘要 介紹了基于物聯網的日光溫室遠程監控系統的具體設計實施內容，指出了該系統在設計實施中存在的問題，并提出了相應的解決對策。

關鍵詞：物聯網；日光溫室；遠程監測系統

中圖分類號：S126 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）08-329-03

設施農業是我國現代農業的重要組成部分，設施農業中以日光溫室所占份額最高。但目前設施農業普遍存在管理粗放、智能化水平低、占用大量勞動力的現狀，而且結構簡易，環境控制能力低。如何以更加科學高效的模式對其進行智能管理，是當前的研究熱點之一[1-3]。隨著信息技術在農業中的推廣應用，物聯網技術為農業智能遠程管理構建了新的模式。該技術綜合了RFID無線射頻、無線傳感網絡以及Socket通信技術，實現了生產設備的遠程控制和農業管理的自動化、智能化[4]。將物聯網與移動網絡以及 Internet相結合，實現對日光溫室的遠程智能監測與控制，對推進現代智能農業的發展有著重要的實踐價值和推廣意義[5]。

1 基于物聯網的遠程監控系統整體設計實施方案

該研究在現有日光溫室的基礎上進行改造，并加裝遠程監控系統，其整體設計實施方案如下。

1.1 日光溫室改造

1.1.1 日光溫室基礎條件。

日光溫室為北、東、西3面磚墻結構，前坡面鋼筯骨架，上覆塑料棚膜，再上面覆蓋棉被（或）草苫。一般設上、下風口，或僅設上風口或僅設下風口，但均靠人工拉繩帶動棚膜打開或關閉，或純人工掀開或關閉棚膜，即為打開或關閉風口；草苫（或棉被）由十幾塊組成，由東向西或由西向東依次鋪開，卷放時靠人站在棚頂，對每塊草苫（或棉被）拉繩或放繩以卷起或放下；灌溉一般在東西設PVC主管道，在主管道上按種植作物的行開口，打開開關，順壟灌溉。

1.1.2 日光溫室改造目的。

日光溫室改造目的在于如何通過對日光溫室的硬件改造實現日光溫室硬件開關與遠程監控系統接軌，最終實現計算機對溫室內硬件的遠程自動控制。

1.1.3 日光溫室保溫被（或草苫）改造。

由原來的十幾塊組成改為由一塊組成，北部頂端進行固定，南部底端固定在一根直徑12～16 cm的中空不銹鋼卷軸上，卷軸與自動卷簾機相連，自動卷簾機的電機可正轉或反轉，就帶動卷軸將棉被（草苫）整個卷起或放下。

1.1.4 日光溫室風口改造。

將整個日光溫室的棚膜設計為上、中、下3塊，上膜和中膜形成上風口，上膜的下端用卷軸卷起，卷軸連接卷膜器，利用卷膜器通電后正反轉動帶動卷軸卷起或放下上膜，從而實現頂風口的開或關。同理，中膜和下膜形成下風口，中膜的下端用卷軸卷起，卷軸連接卷膜器，利用卷膜器通電后正反轉動帶動卷軸卷起或放下中膜，從而實現底風口的開或關。

1.1.5 日光溫室灌溉系統改造。

改造后作物采用大小行種植，東西鋪設主管道，在主管道上按行間距安裝微噴帶，每條微噴帶鋪在小行中間，并兩旁起高壟蓋地膜。在主管道中間位置連接過濾器、吸肥器、潛水泵，潛水泵直接沉于蓄水池底部。潛水泵一經通電，就可以將蓄水池中的水經過濾輸送至主管道，再從主管道進入微噴帶，微噴帶上的小孔將水分散形成細小的霧滴，噴射至空中，又被上面覆蓋的地膜引流至兩旁的根系，為植株提供水源。利用水泵通斷電實現膜下微噴灌溉的開啟或關閉。肥料可以通過吸肥器吸入管道，也可以在蓄水池中溶化直接由潛水泵吸入管道實現水肥一體化灌溉。灌溉方式也可以改為滴灌或其他，但支路的帶子鋪放形式也要隨之改變。

1.1.6 日光溫室其他改造。

其他改造如加裝補光燈，加裝電風扇、補二氧化碳裝置等，改造后只要利用一根總線通電即可打開全部補光燈或打開電風扇或打開補二氧化碳裝置等，就滿足了改造要求。

1.2 安裝日光溫室遠程監控系統

1.2.1 系統整體工作流程。

日光溫室中各采集點收集到各種傳感器數據，通過ASE接收實時溫室內環境信息并顯示，利用有線網絡和無線網絡傳輸技術將上述數據上傳到綜合控制中心；綜合控制中心接收到數據后，對數據進行處理分析，形成決策指令，并通過大屏幕進行顯示，管理人員可根據情況對溫室的控制設備進行合理的調控；也可設定自動模式，系統將根據分析形成的決策指令自動控制棉被（或草苫）、風口、灌溉、風扇、補光燈等設備，對環境進行智能化科學合理調控[7]。另外，監控系統將視頻信息通過無線方式傳回到綜合控制中心，存儲并顯示，管理人員可通過軟件來控制攝像機，實時了解現場情況。系統整體設計框架如圖1所示。

1.2.2 具體實施系統。具體實施包括5大系統：環境信息采集系統、智能控制系統、視頻監控系統、數據傳輸系統、遠程智能監控軟件系統。

1.2.2.1 環境信息采集系統。

利用無線數據采集技術，對溫室內空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、土壤溫度、光照強度、二氧化碳濃度進行實時采集，采集得到的數據在現場可以實時顯示，并通過無線傳輸技術，將數據傳輸并匯總到中控室[8]。

1.2.2.2 智能控制系統。

在溫室中安裝采集控制器，既能無線接收上述傳感器采集到的環境信息數據，同時控制系統與溫室改造后的卷放棉被（或草苫）的電機、上風口的卷膜器、下風口的卷膜器、微噴（或滴灌）的潛水泵、補光燈的總線、電風扇的總線、補二氧化碳裝置的總線等相連，實現對溫室內卷放棉被（或草苫），開關風口，灌溉，開關補光燈、電風扇、補二氧化碳裝置等設備的遠程智能控制或在溫室內控制柜按紐實現對其的自動控制。

1.2.2.3 視頻監控系統。

在溫室內安裝1個高清視頻監控攝像頭，實現對溫室內視頻圖像的實時采集，并將采集的視頻監控信息利用無線傳輸的模式，發送至中控室[9]。

1.2.2.4 數據傳輸系統。

環境信息參數、環境信息智能控制及視頻監控均通過無線網橋進行傳輸[10]。

1.2.2.5 遠程智能監控軟件系統。

設計開發遠程智能監控軟件系統，包括計算機終端WEB版和手機使用終端3G版，系統的主要功能包括：實時顯示采集得到的數據；歷史數據保存；集成顯示實時視頻圖像；在中控室實現對溫室內調控設備的遠程控制操作。

2 現階段設施農業物聯網遠程監測系統存在的問題

2.1 用戶接受度問題[11] 目前，各類基于物聯網技術的設施蔬菜生態環境監控系統已經大量出現，但實際運行和調研中發現，在日光溫室生產中應用十分有限，對日光溫室內生態環境參數進行測量大部分還停留在原始的方式，大量基于物聯網技術的成果和產品只停留在科技示范階段，沒有應用到最基層的生產中。

2.2 溫室硬件與遠程自動化不匹配 在實際運行中發現，溫室硬件與遠程自動化不匹配成為阻礙遠程自動化系統推廣應用的主要障礙，如開關風口的卷膜器行程限位、棉被（或草苫）電機的行程限位控制不夠成熟，在實際操作中會出現卷膜、棉被（或草苫）等卷過位的情況[12]；一般溫室卷起或放下棉被后防止大風刮起棉被常用多條繩子拉緊，如需遠程卷起或放下棉被則還需現場有人先將繩子松開或最后再綁緊，不能實現完全遠程自動控制[13]。

2.3 價格問題 目前，該系統平臺和相關設備成本費用較高[15-16]，超出了用戶的實際承受范圍，而一般情況下農產品的價格較低，嚴重阻礙了日光溫室遠程監控系統在農業生產中的大面積推廣應用。

3 現階段設施農業物聯網的發展建議

3.1 開展技術培訓 為解決基于物聯網技術的日光溫室監控系統認知度問題，在物聯網技術和功能已經逐漸完善的前提下，需要加大推廣力度，采用技術培訓等方式，向農戶普及先進技術和推廣先進設備，提高農戶對新技術、新產品的認知度[17]。

3.2 加強日光溫室硬件建設 加強日光溫室硬件建設，不斷使其與遠程監控系統更加匹配，結合度更強，能夠實現真正意義上的遠程監測和控制，而不是示范性的遠程監測和控制，才能實現大面積的推廣和普及。

3.3 不斷降低成本[18] 優化設備結構，降低成本，采用技術成熟、國產化、成本較低的傳感器、網絡設備等，才能夠使系統的成本降低，使得該系統得到更廣泛的應用。

3.4 提高系統穩定性 系統穩定性是影響系統應用效果的最大影響因素，實際生產中要求系統能夠適應農業生產面臨的高溫、高濕等復雜環境[19]，所以加強系統穩定性建設，以實用和適用為原則，開發更加耐用、監測和傳輸更加穩定可靠、標準統一的系統勢在必行[20]。

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