基于物聯網的設施鐵皮石斛智能化生產管控初探

石曉燕，徐志福，李　冬，葉宏寶

（浙江省農業科學院 數字農業研究所，浙江 杭州 310021）

基于物聯網的設施鐵皮石斛智能化生產管控初探

石曉燕，徐志福*，李冬，葉宏寶

（浙江省農業科學院 數字農業研究所，浙江 杭州 310021）

鐵皮石斛素有 “藥中黃金”之美稱，是我國著名的傳統藥材，野生資源稀少。為了有效地保護鐵皮石斛野生資源，需大力發展規模化人工栽培，以切實保障鐵皮石斛資源的可持續供應。本文基于物聯網技術對設施鐵皮石斛智能化生產管控進行了有效探索，研制了溫室環境監控系統，建立鐵皮石斛電子種質檔案數據庫，平臺融合病蟲害輔助診斷防治，為鐵皮石斛優質種質工廠化生產提供技術支持，從而加快鐵皮石斛產業發展，在科研和生產上具有一定的實用價值。

物聯網；鐵皮石斛；智能化；管控

文獻著錄格式：石曉燕，徐志福，李冬，等.基于物聯網的設施鐵皮石斛智能化生產管控初探 ［J］.浙江農業科學，2015，56（12）：2005-2009.

鐵皮石斛（Dendrobium officinale Kimura et M igo）是傳統名貴珍稀藥材，有 “藥中黃金”之美稱，為蘭科石斛屬多年生草本植物，其原生種自然分布于長江以南安徽、浙江、福建等地海拔1 000 m以上的山地半陰濕環境巖石或草叢中。鐵皮石斛對生活環境要求苛刻［1-3］，對鐵皮石斛的利用由最初的采摘野生資源作為中藥材，到后來的野生馴化栽培制成楓斗，再到鐵皮石斛組織培養種苗快速繁殖中的普及應用，及產品加工技術的日臻成熟。以浙江省為例，鐵皮石斛產業經過近20年的培育和發展，尤其是近5年來的快速發展，該產業形成了集科研、種植、加工、產品生產、銷售等較為完整的產業鏈。2012年浙江省鐵皮石斛產業總產值近30億元，成為全國鐵皮石斛類產銷量最大的省份。

為了有效地保護鐵皮石斛野生資源，更好地發展鐵皮石斛產業，須大力發展規模化人工栽培，以切實保障鐵皮石斛資源的可持續利用。已有學者對鐵皮石斛人工規模生產技術進行了一系列的有效探索［4-8］，在組培、栽培方法等方面進展顯著；但大多鐵皮石斛設施栽培管理，仍然依靠人工進行，耗費大量精力與物力，效率低下，不適于現代集約化智能生產。此外，進口的溫室測控設備價格高昂，普通用戶難以承受；國內設計的系統在功能的可靠性和實用性上存在不確定性差異，還不能完全替代人工，尤其是在智能信息處理方面，尚未形成真正的產品化應用軟件和可共享的軟件平臺［9-12］。因此，為實現鐵皮石斛大規模規范化生產和增產保質，本文在基于物聯網技術的設施鐵皮石斛智能化生產低成本管控方面進行了有效探索，研制的溫室環境監控系統，可以實時將溫室內作物生長狀況直接傳輸到農業專家的計算機上，實現對溫室環境的監測控制，滿足對鐵皮石斛生長環境調控和組培育種的需求。此外，進一步依托現代信息技術，建立鐵皮石斛組織培養電子種質檔案數據庫，為其育種提供種質數據支撐；平臺融合病蟲害輔助診斷防治，為選育鐵皮石斛優質種質、特異性種質提供技術支持，從而加快鐵皮石斛產業快速發展。

1　系統的結構與功能

1.1系統結構

鐵皮石斛對生長環境要求苛刻［13］，適宜生長溫度一般為15～28℃，夏季白天溫度理論上最好控制在32℃以內，冬季平均溫度應不低于8℃；栽培基質水分一般控制在60%～80%為宜，移栽后生根前保持90%，生根后保持在70% ～80%，高溫天氣保持在40%～50%最好，低溫天氣則適當降低；鐵皮石斛對病蟲害很敏感，一旦發生，嚴重時會使得整株腐爛解體，施用農藥也會對鐵皮石斛經濟價值產生影響，應注重預防工作，加強溫室內管理，保持通風透光、適當降低棚內濕度，并及時施藥和移除病株。

針對鐵皮石斛對生長環境要求嚴格及方便技術人員管理的需要，我們設計了適于設施鐵皮石斛栽培需求的智能化生產管控系統。系統融合環境因子采集、數據庫、海量農業信息智能處理、異常預警、設備智能控制等功能，系統架構包括現場應用層、網絡傳輸層、服務器端和用戶端 （圖1）。

圖1　系統的結構

用戶端可以為智能手機、電視屏幕、PAD、PC機等多類型終端用戶提供服務。系統注冊會員可以通過多種途徑隨時監管溫室，包括查看實時溫室內植株生長視頻、手機接收溫室內鐵皮石斛病蟲害等異常發生預警短信、主動控制溫室內設備啟動/停止等，此外，會員亦可以通過多種網絡，與專家遠程視頻會診。

服務器端主要包括服務器智能計算模塊、服務器數據庫模塊等。服務器數據庫模塊接收和記錄采集到的現場數據，建立鐵皮石斛產業標準化生產數據庫，為輔助生產和安全追溯奠定基礎；服務器智能計算模塊，融合了數理統計原理，整合聚類分析等多種數據分析方法，對采集到的現場數據進行溫室環境適宜性分析，并給出輔助決策建議。

網絡傳輸層中，系統上行數據與下行數據均采用了GPRS/GSM傳輸模塊進行傳輸。上行數據包括：空氣溫度、濕度等現場采集數據及各設備的工作狀態等信息。下行數據包括服務器發出的各種開關控制指令及對各控制設備的參數預設等。

現場應用層包括遠程數據采集模塊、RTU控制模塊、現場控制箱等。遠程數據采集模塊主要是通過現場各種傳感器與視頻監控設備，將采集的數據 （包含視頻監控、溫濕度等環境信息等）傳輸進入服務器端存儲、分析；RTU模塊為核心控制器，可實現對溫室灌溉系統、通風系統、控溫系統、預/報警系統、遮/補光系統等系統的控制，從而對大棚內的環境因子進行調節；現場控制配電箱由繼電器、接觸器、按鈕、限位開關等電氣元器件組成。

1.2系統功能

數據采集功能。可接收現場采集的溫濕度等傳感器采集的模擬量數據，將模擬信號轉變成數字信號 （A/D轉換），并記錄在服務器的數據庫中，可供查詢。采集的數據包括環境溫濕度、土壤溫濕度、光照等，此外留有5～10個可擴充端口，滿足未來改變或擴充需求。

數據統計功能。它可以統計任意時刻的棚內外溫濕度、光照強度等各種環境因素的當前值、歷史值；并以圖形圖表等方式繪制任意時刻的棚內外溫濕度、光照強度等環境因子曲線圖及年、月、周、日的變化趨勢圖，并進行打印輸出。

遠程監視功能。可以通過互聯網遠程監視各溫室的當前狀態 （如溫濕度、光照度等環境因子以及風扇、濕簾等設備開關狀態）；可以遠程修改設定可控制設備的參數及在線記錄各設備變化的時間、狀態、當前參數。

智能控制功能。可根據植物的品種、生長階段等智能選擇控制點，例如，當監測溫室溫度超出植物適宜生長上限值時，風機和濕簾水泵自動啟動降溫。同時用戶可以根據需要靈活選擇定時控制、循環控制設定，例如灌溉時，可預先設定好起止時間，以天為單位進行循環運行。

病蟲害診斷與防治功能。系統收錄了鐵皮石斛病蟲害種類，包括軟腐病、黑斑病、炭疽病、蝸牛等。采用病蟲害數字化標準圖譜輔助診斷與視頻專家診斷結合的技術，對溫室內發生的病蟲害進行遠程診斷，提升傳統診斷技術。達到遠程診斷的效果。

短信預警功能。當環境改變不適宜鐵皮石斛生長，或鐵皮石斛發生病蟲害，系統通過手機短信發出預警通知，以便于管理人員及時采取措施，將病株移除。

互動功能。搭建用戶與領域專家的溝通交流渠道，一是，通過實時聊天系統，專家可以通過該功能遠程指導農戶種植鐵皮石斛或輔助診斷病蟲害，二是通過建立鐵皮石斛論壇，專家可以通過互聯網，解答用戶的提問留言。

2　系統設計

2.1硬件設計

硬件系統主要由主控服務器PC機、PLC、數據采集模塊、GPRS發送模塊、設備控制模塊、驅動機構和現場控制配電箱等組成 （圖2）。其中，RTU模塊是系統的核心控制組件，該模塊擁有16路DI（開關量輸入）、16路DO（晶體管輸出），自帶2個通訊口 （RS232型、RS485型）等特性。數據采集模塊以片內集成64K Flash Memory的STC89LE516RD+單片機為核心，前端采集設備包括傳感器、攝像頭、控制模塊等。模數轉換器采用具有采樣/保持、電壓基準、8通道、12位串行的 MAX1271，完成數據采集傳感器信號的A/D轉換。

圖2　系統的硬件架構

2.2軟件設計

PC機即上位機主要完成各終端數據的接收與處理，為了便于編寫、調試、修改，軟件系統程序的編寫利用C#語言，采用模塊化的結構，用戶界面采用圖形，用戶操作簡單方便。實時或定時采集的田間土壤水分、土壤溫度、空氣溫濕度等數據，均可以實時地以圖形或者表格方式在中央控制計算機上顯示。數據服務器采用Microsoft SQL Server 2005作為數據庫開發和運行平臺。下位機完成數據的采集、接收、傳送和上位機控制指令的傳送，是連接下位機從現場端設備到上位機服務器的橋梁，采用單片微型計算機專用語言Keil C51編寫而成，實現溫室綜合環境信息采集、打包封裝、控制信息解封裝和環境因子控制等功能 （圖3）。

圖3　系統的軟件設計

2.3數據收集與處理

開發了數據傳輸、收集及保存模塊程序。該模塊暫設系統每隔10 min對下位機中的控制器進行啟動，通過串口將溫室現場的環境因子以及設備狀態等信息收集至上位機，并最終保存至數據庫，以備子程序使用。數據顯示則通過讀取數據庫文件中與要求對應的信息暫存在數組中，然后以曲線、圖表等形式顯示在軟件界面。數據處理模塊最主要的作用一是調控溫室小氣候因子，二是環境異常預警。本模塊的核心是數學算法選擇。根據文獻和調研，本研究中，溫室溫濕度調控選用簡化機理模型來描述，具體算法見文獻 ［14］；環境異常預警通過比對預先設置的閾值，當超出閾值時發出預警短信。此外，在數據安全方面，系統對平臺采集和發送的數據采用了加密處理，以防不法分子對設備的蓄意控制，造成各種損失。

2.4控制方案

系統的功能可通過自動控制、智能控制或者手動控制3種方式實現。自動控制模式下，各類泵和風機等設備的開停以及各種工作狀況的切換都由按照用戶需求對PLC預先編制的程序自動生成，例如用戶要實現每天定點噴灌5次，每次持續10 min，那么在運行前預先設置好灌溉量、灌溉開始時間，灌溉時間間隔等參數進入程序，系統就可以開啟無人自動噴灌；智能化的控制技術以溫室綜合環境因子作為采集與分析對象，通過模型庫的咨詢與決策，給出不同時期作物生長所需要的最佳環境參數，并據此對實時測得的數據進行模糊處理，自動選擇合理、優化的調整方案，控制執行機構（噴滴灌、排風扇等溫室設備）的相應動作，實現溫室的智能化管理與生產。手動控制僅作為特殊情況下前兩種方式的替代補充 （圖4）。

3　小結與討論

本研究融合了物聯網、傳感器、模型等各種新型技術，研制的系統可依據室內外裝設的溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器、室外氣象站等采集或觀測溫室內外的溫度、濕度、光照強度、CO2濃度等環境參數信息，通過對溫室通風窗、遮陽網、噴滴灌等驅動/執行機構設備的控制，對溫室環境氣候和灌溉施肥進行調節控制以滿足作物栽培生長發育的需要，為作物生長發育提供最適宜的生態環境，以大幅提高作物的產量和品質。系統采用模塊化結構，可方便實現大型連棟溫室或溫室群的集中管控，系統配置靈活，可靠性較高。此外，系統加入模型決策模塊調控溫室內環境因子，初步探索了智能信息處理技術在鐵皮石斛智能化生產上的應用。

圖4　系統的控制方案

在設計完成后，在實驗室進行組裝測試，并在溫州樂清鐵楓鐵皮石斛基地實地部署使用，效果表明，現場硬件安裝方便，傳輸數據穩定，管理平臺統一通用，系統操作簡單，就設備而言，整體運行狀況良好，各連棟溫室溫度變化接近設定參數曲線，通風、灌溉等過程合理性提高，能夠較好地調節環境因子達到鐵皮石斛生長最優，基本滿足鐵皮石斛智能化生產管控需求。通過對比項目2014年度實施情況，結果表明，通過設施鐵皮石斛智能化生產管控系統的應用，節省勞動力成本約50%，節約水肥成本約25%，節約農藥成本40%，取得了較好的經濟和生態效益。

［1］ 柳蓮芳.鐵皮石斛的最新研究進展 ［J］.安徽農業科學，2012，40（11）：6426-6428.

［2］ 徐佳丹.鐵皮石斛人工栽培研究概括 ［J］.亞太傳統醫藥，2012，8（7）：203-204.

［3］ 馮杰，楊生超，蕭鳳回.鐵皮石斛人工繁殖和栽培研究進展 ［J］.現代中藥研究與實踐，2011，25（1）：81-86.

［4］ 葉秀妹，劉煒婳，賴鐘雄.鐵皮石斛組織培養研究進展［J］.亞熱帶農業研究，2012，8（1）：57-61.

［5］ 黃萬琳，肖昌泰，毛昆明.優質鐵皮石斛栽培基質及其營養研究進展 ［J］.云南農業，2012（6）：27-29.

［6］ 李瑩，譚鵬鵬，彭方仁，等.鐵皮石斛組培快繁技術 ［J］.林業科技開發，2012，26（1）：96-99.

［7］ 黃茂康，葉建保，孫健，等.鐵皮石斛規模化種植關鍵技術 ［J］.廣西農業科學，2010，41（8）：813-817.

［8］ 徐雪榮，姚全勝，雷新濤，等.鐵皮石斛高效再生體系研究與應用 ［J］.熱帶農業科學，2009，29（10）：41-44.

［9］ 李道亮.物聯網與智慧農業 ［J］.農業工程，2012，2 （1）：1-7.

［10］ 孫雪鋼，林蔚紅，聶鵬程，等.綜合農業園區農業物聯網系統的研究與應用 ［J］.浙江農業學報，2014，26（4）：1105-1110.

［11］ 石軍鋒，馬永昌，陳建.一種基于無線傳感網絡的溫室Web監控系統 ［J］.農機化研究，2009（5）：76-79.

［12］ 林宏.智能化溫室大棚環境監控系統研究 ［J］.河北農業大學學報，2014，37（5）：130-134.

［13］ 艾娟，嚴寧，胡虹，等.溫度對鐵皮石斛生長及生理特性的影響 ［J］.云南植物研究，2010，32（5）：420-429.

［14］ 金玉龍.溫室群控系統的設計與實現 ［D］.杭州：浙江大學，2013.

（責任編輯：張 韻）

S 126

A

0528-9017（2015）12-2005-05

10.16178/j.issn.0528-9017.20151228

2015-07-29

浙江省農業科學院院地合作項目 （WZ20130006）；浙江省重點實驗室項目 （2013E10037）；浙江省科技計劃項目（2013C24022）；浙江省農業科學院國際合作項目 （2014GJHZ08）

石曉燕 （1979-），女，助理研究員，博士，主要從事數字農業研究工作。E-mail：eequal@163.com。

徐志福 （1964-），男，副研究員，從事系統模擬與數字農業相關研究工作。E-mail：zhifux868@163.com。

注：本研究工作得到浙江鐵楓堂科技股份有限公司、浙江省創意農業工程技術研究中心等的資助，是陳劍平院士樂清鐵皮石斛工作站研究內容之一，整個研究過程得到陳劍平院士的悉心指導。在此，一并表示衷心的感謝！