基于物聯網技術的智能養蠶溫室系統設計

孫海燕，陳偉國，戴建忠，錢秋杰

（海寧市蠶桑技術服務站，浙江 嘉興 314400）

基于物聯網技術的智能養蠶溫室系統設計

孫海燕，陳偉國，戴建忠，錢秋杰

（海寧市蠶桑技術服務站，浙江 嘉興 314400）

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，是互聯網基礎上延伸和拓展的一種網絡，通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描、視頻監控、物理化學傳感器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。現階段我國農業發展正處于從傳統向現代化大農業過渡的進程當中，單純的機械化農業并不能解決產量的提高和資源的浪費之間的矛盾，急需用現代物質條件進行裝備，用現代科學技術進行改造，用現代經營形式去推進，用現代發展理念來引領。物聯網的快速發展，為我國農業與世界農業同步發展提供了一個國際領先的全新平臺，智能農業也就應運而生。目前，智能農業應用領域主要有智能溫室、節水灌溉、智能化培育控制、水產養殖環境監控等。近年來，蠶桑生產中也開始嘗試引入物聯網技術，據報道，江蘇省如東縣有農戶通過物聯網來自動調整并監控蠶室的溫度，但是蠶室濕度、空氣、光線等環境要素未能實現智能化控制。為深入探索物聯網技術服務蠶桑產業的前景，達到養蠶的智能化，實現蠶桑產業的轉型升級，海寧市周王廟鎮云龍村建立了基于物聯網技術的智能養蠶溫室系統。

1智能養蠶溫室建設目標

隨著美麗鄉村建設的不斷深入，加快了對分散農村居民的農房集聚和新社區的建設，同時農村生產用房面積急劇萎縮，導致養蠶用房必須另找出路。目前，鋼管結構的塑料薄膜大棚養蠶解決了養蠶用房，也改了善居住環境，但大棚蠶室的溫、濕度難以有效調控，經常會出現35℃以上的高溫，甚至會出現40℃的極高溫度，對大棚養蠶的蠶繭產量、質量產生較大影響。利用鋼結構框架、玻璃材質墻面建造的溫室，相比傳統大棚不僅擴大了單位面積的空間利用率，而且易于增加通風窗口和遮陽設備，在炎熱的夏季能提高通風、降溫、排濕能力，保證良好的飼養環境，促使蠶體健康發育，從而獲得蠶繭的豐收。

物聯網的建設使用，一方面為了讓勞動力從蠶室環境控制工作中解放出來，從而有利于構建現代蠶業技術體系。利用空氣溫濕度傳感器采集環境信息，通過網絡傳輸實現對養蠶環境參數的實時檢測和處理，并且利用環境設備的自動化管理，實現目標環境狀態的自動化控制；另一方面通過移動端使用平臺的建立，利用無線網絡實現環境狀態的遠程視頻監控和相關設備的遠程操控。物聯網的成功使用，也將促使人工飼料四季飼養家蠶的可能性成為現實。

本方案采用玻璃溫室、地源熱泵空調、加濕等設備和物聯網智能控制技術，實時采集和控制環境溫、濕度，按照設定的養蠶環境參數實施自動控制，并通過物聯網實現數據和視頻圖像的遠程監控，以及遠程操控相關設施設備。

2智能養蠶溫室設計方案

2.1玻璃溫室與環境調控設備

2.1.1玻璃溫室主體結構

玻璃溫室建造采用透光率高、密封性好、通風面積大、屋面排水效率高、使用靈活性強的三尖頂文洛型溫室大棚，東西向長度為20 m，南北向寬度為10.8 m，總占地面積216 m2，玻璃墻體高度4 m，棚頂高5 m，外拉幕立柱高5.5 m。溫室主體形式為天溝連接多連跨栓接裝配式結構，文洛式屋面，主要由斜樑、立柱、檁條、天溝等部件組成。根據家蠶飼養特點，小蠶喜高溫多濕，大蠶室要求通風保溫良好，故將溫室大棚分隔成小蠶室和大蠶室，以控制不同的環境溫、溫度。

2.1.2地源熱泵空調設備

家蠶屬于變溫動物，生長發育的適溫范圍為20～30℃，在此適溫范圍內發育進度隨溫度上升而加快；溫度過低發育減慢，食下量減少，生長不良；超過35℃的高溫也會影響生長發育，甚至死亡。在適溫范圍內小蠶期適當偏高溫度飼育，大蠶期適當偏低溫度飼育，有利家蠶的正常生長發育，提高葉絲轉化率和養蠶的經濟效益。因此，控制養蠶環境溫度是保障養蠶安全的重要措施。調節蠶室溫度的方法和設備有多種，本方案采用了地源熱泵空調系統。其原理是利用淺層地表地熱能，通過壓縮機進行熱交換，達到增溫降溫的目的，是一種清潔、綠色、節能設備，目前正逐步應用到現代設施農業上。玻璃溫室建設前，在地下70～200米深度預埋了大量閉路循環管道，利用地下水恒溫特性作為熱能量交換來源，通過壓縮機組的工作將地表熱能轉化為制熱量或者制冷量，再通過回水系統以控制玻璃溫室內5臺出風機組的制熱或制冷。地源熱泵維護簡便，機組使用壽命均在10 a以上，地埋管換熱器壽命可達40～50 a，且供熱、供冷平穩，降低了停、開機的頻率和空氣過冷和過熱的峰值，更有利于養蠶環境的控制。

2.1.3環境加濕設備

水是蠶體重要的組成成分，蠶體內的水分占75%～88%。環境濕度過低，易使桑葉失水萎凋，蠶的食下量減少，蠶體水分下降、營養不良，發育經過延長，眠中還可能引起蛻皮困難。養蠶的適宜環境濕度，因蠶齡大小而不同。1～2齡90%左右，3齡約85%，4齡70%～80%，5齡65%～75%。如果采用人工飼料，環境濕度還需相應提高，以減緩飼料水分失散。通常情況下，環境濕度低于養蠶的適宜濕度，因此，需要使用相應的設備來提高養蠶環境濕度。

小蠶室采用離心式加濕器，其工作原理是由電機帶動離心式轉盤高速旋轉，將水強力甩出打在霧化盤上，把自來水霧化成5～10 μm左右的超微粒子后噴射出來，經加濕器上端扇葉兩次破碎后向上噴出，水粒接觸空氣后進一步霧化成水分子，從而增加空氣濕度。

大蠶室采用推車離心式加濕風機，水在旋轉碟和霧粒噴散裝置作用下，利用離心力將水粉碎成10 μm左右的霧滴噴出，風扇產生的強力氣流吹向霧滴，提高了液體表面風速，加快水分子蒸發擴散。由于風力強，有效噴射距離超過10 m。除用于環境加濕外，還可將消毒液噴霧來用于養蠶環境消毒。

加濕器既可獨立使用，也可在物聯網系統控制下實現全自動控濕。當環境濕度低于設定濕度時開啟加濕設備，達到設定濕度時停止加濕。

2.1.4玻璃溫室遮陽通風系統

遮陽系統建設分內遮陽系統和外遮陽系統。內遮陽系統選用遮陽率65%以上的綴鋁編織內用幕，利用驅動電機及聯軸器，推動帶有A型齒條的推桿，完成幕布的開合。外遮陽系統利用溫室的雨槽固定立柱，并在各立柱之間架設鋼管橫梁，組成田字形網狀支架。采用遮陽率70%以上的遮陽網，利用驅動電機驅動A型齒輪，帶動傳動齒條完成遮陽網的展開與收攏。內遮陽和外遮陽系統都能夠將遮陽網開、停在任意位置，以達到遮陽要求。

玻璃溫室通風系統采用頂部開窗通風和南北玻璃墻開窗通風形式，使室內外空氣形成對流，以達到通風除濕降溫的效果。頂部開窗系統配有電動機傳動，可以實現自動化的開關。

2.2物聯網控制系統設計方案

2.2.1溫室物聯網系統硬件

溫室內4臺空氣溫濕度采集器分別分布在大蠶室、小蠶室、操作室及室外，利用空氣溫濕度傳感器采集相關數據并上傳到管理服務器。服務器根據管理人員設定的溫濕度和采集到的實時各環境溫濕度數據進行處理，并將處理結果通過網絡傳輸給物聯網智能控制器，由智能控制器驅動繼電器模塊，以實現各環境設備的運轉。同時，在溫室的重要區域安裝了高清數字槍機，并配合視屏硬盤錄像機，實現24 h實時視頻監控溫室內和周圍情況，需要時還可以選擇時段回放。

2.2.2電腦端物聯網控制系統

海寧云龍四季養蠶溫室電腦端物聯網服務平臺系統具有全面監控、采集溫室環境信息和智能化管理生產設備等功能，同時還能對溫室內的管理、環境信息進行統一的展示。

打開瀏覽器，輸入服務器名稱后，進入平臺登錄界面。通過輸入用戶名和密碼，登錄物聯網服務平臺系統，該系統主要包含數據監控、系統配置、視頻監控和組織權限四項主要功能。

數據監控是用戶登錄后的默認顯示界面。顯示的信息主要包括溫室虛擬結構圖、溫室各區域的基本信息、溫室內所有設備運行情況和環境、設備異常預警。通過點擊結構圖的某個區域，就能顯示此區域的實時數據采集情況和設備的運轉情況，還能將智能控制模式轉換成手動控制模式，以便于主動控制設備運轉改變環境條件。同時，點擊方案圖標能查看和修改該區域內智能控制溫度、濕度、光照和通風設施的配置情況。點擊視頻按鈕能觀看到該區域內的視頻監控實時畫面。

系統配置界面顯示的信息主要包括各區域設備的設置情況和各設備的增減管理。系統配置界面是生產人員配置各種智能控制數據的界面，也可以查看各個模塊中所配置的數據情況。通過點擊方案配置可以選擇定時方案和環境方案來添加、刪除和修改方案包以求正確建立智能溫室自動化控制方案包。定時方案可以實現溫室內、外遮陽網和天窗的定時開合，環境方案可以實現目標溫濕度的實時自動化精準控制。

視頻監控界面顯示的信息為各區域的實時監控畫面，可以單獨顯示某個高清數字槍機所捕獲的監控畫面，也可以以4宮格或9宮格的形式顯示各高清數字槍機所捕獲監控畫面。

組織權限是對整個系統中操作人員的權限進行分配與管理，主要包括人員管理、組織管理、崗位管理、權限管理、賬戶管理和角色管理等。

2.2.3移動端物聯網控制系統

首先在安卓移動平臺端安裝“農業物聯網”app，然后打開軟件設置server地址并保存，這樣就能連接架設于云龍村智能養蠶溫室內的物聯網系統服務器，實現各區域實時的視頻監控和環境數據的查看，并適時調整相關設備的運轉，主動控制飼養環境的改變。應用內主要包括：生產實況、視頻監控、數據采集和設備控制。

在生產實況界面內可以通過選擇相應區域來查看該區域內相關的實時視頻監控畫面與環境數據信息，以達到飼養環境的隨時掌握。

視頻監控界面可以查看選擇區域內的實時視頻監控畫面，并對需要場景進行截屏留底。

數據采集界面可以查看、掌握選擇區域內的實時環境信息。

設備控制界面可手動遠程控制智能養蠶溫室內各設備的運轉，可以隨時按照家蠶飼養要求來改變飼養環境。

3討論

隨著人工飼料養蠶技術的不斷發展，使得工廠化養蠶變成了可能，但是相比桑葉育，人工飼料養蠶對蠶室的溫度、濕度和光線等環境因素控制要求更高，因此，玻璃溫室大棚的建立和物聯網技術的運用，實現了養蠶環境的全程遠程實時視頻監控與實時調控，實現了蠶室環境控制的自動化、全程化、網絡化，實現了傳統產業向精確感知、智能信息處理和決策、機械化控制改造等智能農業的轉變。當然，物聯網智能控制與養蠶溫室也面臨一些問題。一是，初期建設成本高。玻璃溫室與地源熱泵系統雖然使用年限長，但是建設一次性投入大幅高于簡易大棚及空調系統；農業物聯網也未全面普及，導致系統設備價格居高不下，成為了推廣應用的最大障礙。二是，尚未開發基于養蠶環境所設計的物聯網系統，軟件界面暫時借用設施農業物聯網系統，直觀性、美觀性和操作性有待改進。三是，物聯網系統和該系統控制下的養蠶環境各類設備的控制匹配尚屬首次嘗試，工作的可靠性和穩定性有待進一步檢驗。因此，應用智能養蠶溫室和人工飼料等新技術，實現傳統養蠶業向智能化、工廠化的現代農業轉變，需要在不斷探索和實踐中逐步完善提高。