基于作物長勢實時監測的日光溫室物聯網系統研究

徐嵐俊，李小龍，陳 華，張傳帥，劉婞韜

（北京市農業機械試驗鑒定推廣站，北京 100079）

日光溫室環境智能監控系統的研發對于促進北京現代化農業的發展具有積極作用，主要表現在以下3個方面：在政策上，隨著農業結構調整，北京農業瞄準“科技創新中心”的定位，為發揮農業科技輻射、引領帶動京津冀三地農業水平提高的作用，實現“調糧、保菜、做精畜牧水產”的目標，在蔬菜種植園區建設上，需要開展先進智能化技術配套的研究示范；在產業上，隨著農業現代化進程的推進，人工匱乏、工作效率和園區管理效率低下、種植科學化程度低等問題日益凸顯，都市型現代農業對勞動生產率、土地利用率、資源利用率提升的需求日趨旺盛，需要綜合各園區的管理與生產環節要素，通過智能化的管理和控制手段，實現資源的合理調配、科學的管理、精細化的種植，加快發展方式的轉變；在生產上，智能化、信息化技術能實現管理由定性向定量的轉變，使管理人員對水、肥、光、溫濕度等影響作物生長的因子調節更加精準便捷，決策判斷更加科學。日光溫室環境智能監控系統能有效提高蔬菜種植生產效率、節約人工和提高經濟效益，能讓管理環節變得高效，為規模化設施農業發展奠定基礎。

近年來，隨著設施農業物聯網技術的不斷發展，北京市大規模種植的園區普遍開展了環境信息采集技術的試驗應用，但基于環境信息采集的智能控制還沒有完全應用到實際生產中，目前應用的信息采集系統主要依據農民的生產管理經驗，而環境監測的數據沒有結合作物的實時生長情況，尚未充分具備科學研究的價值。為了更有效地提高日光溫室管理的科技水平，在對京郊各大種植園區以及國內各設施農業信息化先進企業進行調研的基礎上，設計了基于作物生長實時監測的日光溫室環境智能監控系統，為物聯網技術在日光溫室中的深入應用打下基礎。

1 系統結構

1.1 系統總體結構

如圖1所示，系統總體結構主要包括遠程控制云平臺、室外環境監測、室內環境監測、電腦管理平臺和移動管理平臺等部分，分為信息采集子系統、智能控制子系統和智能管理子系統。系統通過各種傳感器等監測設備感知溫室內的環境及作物生長信息。傳感器采集的數據通過通信終端進入上位機系統[1]，并對溫室監測的數據進行存儲、計算、分析和共享；同時，傳感器采集的環境信息和作物生長信息形成的大數據可供給技術人員進行研究，溫室環境控制系統通過控制終端對調控設備進行控制。該物聯網系統可以通過App向用戶及時發送實時監測信息、預警信息，實現日光溫室集成化、網絡化遠程管理。

圖1 系統整體結構設計

1.2 信息采集子系統

信息采集是實現信息化管理、智能化控制的基礎。信息采集主要依托于傳感器技術來實現，由于日光溫室內高溫、高濕的環境特性，傳感器需具備耐高溫、耐腐蝕等功能。目前，主要應用的信息采集項目有空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度、光照瞬時值等，信息采集子系統應用植物長勢傳感技術，實現作物生長情況和環境情況的同步采集，包括果實膨大傳感器、莖稈微變化傳感器、葉片溫度傳感器以及信息采集終端等。

信息采集系統通過各類不同傳感器按照設置的采集時間進行相應數據的采集，采集的信息通過低功率的ZigBee無線通信技術[2]傳輸到溫室內的中心節點，溫室內的中心節點通過有線網絡等傳輸方式將采集的數據傳輸到系統的服務器上存儲，中心節點的發送地址可以通過網絡進行批量修改。

1.3 智能控制子系統

智能控制子系統是日光溫室物聯網的核心。系統利用傳感器監測到的環境和作物生長信息與作物的生長決策模型匹配[3]，將匹配結果通過互聯網反饋到溫室內相應的控制器，由控制器引導相應的設備運行。目前日光溫室中的智能控制系統主要涉及卷簾、補光、除霧、灌溉、施肥等，技術最成熟的是智能灌溉和施肥，但精確補光、除霧手段還較難實現。

智能控制系統主要包括任務計劃、預警預報、電動控制3個部分。科學的任務計劃以生長決策模型作支撐，本系統的任務計劃采用2種方式，一是在自動灌溉施肥方面，根據不同的配方施肥要求在可編程控制器上設置相應的施肥程序，通過肥料注射裝置，自動施加肥料溶液。通過這種自動施肥系統能夠實現精確可控的水肥一體化灌溉方式，從而大大提高水肥利用效率，充分滿足作物生長的需要；二是在卷簾、補光、除霧等環節，采用經驗控制，通過經驗提前設置作業時間、作業觸發條件等進行觸發控制。

智能控制子系統的核心部分是水肥一體化灌溉施肥模塊，該模塊設計的工作方式為顯示器（上位機）→不同通訊方式→可編程控制器→控制電纜或無線電→田間控制單元→控制命令管或電纜→灌溉閥門。智能控制子系統主要由以下幾個部分組成。

1.3.1 顯示器

用于與控制器進行實時通訊，提供操作簡單的動態人機運行界面，數據信息長期存儲，作為網絡化控制的服務中心。

1.3.2 可編程控制器

可編程自動控制器是整個自動控制系統的核心部分，相當于整個控制系統的“大腦”。它負責整個灌溉系統程序的運行和操作、數據的采集存儲、系統的報警監控等。

1.3.3 田間電動控制閥門

通過控制電纜連接到可編程控制器，根據可編程控制器上設置的灌溉施肥程序，自動執行來自控制器的命令，實現灌溉的自動啟動和關閉。

1.3.4 自動施肥系統

根據不同的配方施肥要求，在可編程控制器上設置相應的施肥程序，通過文丘里施肥泵、電動脈沖式施肥泵或其他肥料注射裝置，自動向灌溉系統按比例均勻施加肥料溶液。通過這種自動施肥系統能夠實現精確可控的水肥一體化的灌溉方式，從而達到真正的水肥耦合效應。

1.3.5 自動控制配電箱

用于灌溉控制系統中的控制終端設備，如水泵、電機等設備的自動化控制。

1.3.6 不同規格的控制電纜

控制命令和數據信號的傳輸工具，用于連接自動控制系統內部的所有構成設備。

1.3.7 無線電發送接收裝置

專業化設計的無線控制模塊，用于無線控制模式。

1.3.8 電源穩壓裝置和雷電保護裝置

自動灌溉施肥控制系統為可編程控制器和各個控制輸出設備配備了先進的電源穩壓裝置和雷電保護裝置，能夠盡可能減少電源系統對控制系統的影響，以便于控制系統能夠在惡劣的環境條件下正常運行。

1.3.9 傳感或信號輸入設備

主要指用于監控灌溉系統運行狀況的傳感設備以及提供控制條件或運行數據的傳感器或信號輸入設備。

1.3.10 預警預報

主要根據作物生長環境參數的安全閾值來啟動報警系統。

1.3.11 電動控制

通過控制電纜連接到可編程控制器，根據可編程控制器上設置的條件，自動執行來自控制器的命令，將命令轉化為電動開關的工作狀況。

1.4 智能管理子系統

智能管理子系統包括基礎管理、農事管理、監測控制管理、物流調度管理。

1.4.1 基礎管理

包括園區數字地圖展示、視頻監控和土地、人員及固定資產的數字化管理。通過系統方便地規劃土地、溫室、人員、固定資產等各種資源，并詳盡記錄這些資源的歷史和當前情況，使農場管理人員可以輕松、高效地管理園區。

1.4.2 農事管理

排產數字化，根據園區資源合理安排生產。通過管理系統制定生產計劃，記錄每個生產環節的各類資源參與情況以及每個環節的生產情況。

1.4.3 監測控制管理

通過物聯網查看傳感器采集的土壤溫度、土壤水分、空氣溫濕度、光照及作物生長指標等信息，設定溫室內各設備的運行條件，當環境信息未達到預先設定的條件時，自動啟動溫室內的相關設備，具體包括自動卷簾、自動灌溉、自動加濕除濕、自動施肥、自動補光等設備。

1.4.4 物流調度管理

在物流運輸車上安裝調度終端，實時采集運輸情況，記錄運輸車輛的行走路徑等。

1.5 系統的設計原則

根據系統建設需求，結合信息系統建設的成功經驗，采用以下設計原則進行系統設計。

1.5.1 易用性原則

指系統使用的方便程度。由于系統建成后的使用者比較多，使用者的專業知識水平、對農業信息化物聯網系統的了解程度大不相同；這就要求系統界面盡量簡潔易懂，使系統使用者能夠在短期內接受、了解、熟知并應用農業物聯網應用系統。

1.5.2 穩定性原則

系統穩定性是指系統保持正常運行的能力。由于系統一旦建立，將嵌入到日常農業生產活動中，一旦系統出現不穩定的情況，將會對農業生產管理活動造成很大的影響；因此系統配置的各類硬件設備必須安全、穩定、可靠。系統應該采用容錯性設計[4]，使得系統局部出現問題不會影響到整個系統的使用。

1.5.3 安全性原則

系統安全性是指保護系統內重要機密信息不泄露，防御外部惡意攻擊的能力[5]。此系統設計時需要考慮使用多重防護的安全體系，對于數據的安全和保密應該進行相應的處理，提高系統對于惡意攻擊的防護能力，并保證與其他應用系統或異構系統間數據傳輸的安全可靠性和一致性，確保不會有非授權操作和意外的非正常的操作，保證系統數據的安全、完整。

1.5.4 可擴展升級原則

可擴展升級是指系統在使用過程中根據實際需要進行功能擴展或升級的能力。

1.5.5 規范性原則

系統采用統一采集指標、統一編碼規則、統一傳輸格式、統一接口規范，并且形成對外公布的數據接口，保證設施種植園區無論應用哪類物聯網系統，只要對應該數據接口，即可向系統傳輸數據，為下一步在全市推廣應用打下基礎。

2 系統應用案例

2016年9 月—2017年3月，結合順義、密云、房山的4個蔬菜種植園區的實際生產，在8棟日光溫室內安裝了系統涉及的硬件，應用系統管理園區，從而對系統進行全面的試驗驗證。

2.1 網絡設計的穩定性

經試驗，系統在短距離采用了ZigBee技術，傳輸穩定，響應時間短，180 d內沒有出現控制失常的情況。

2.2 傳感器的精準、穩定性

溫度傳感器的分辨率達0.1 ℃，誤差為±0.5 ℃；濕度傳感器的分辨率達到±0.1%（RH），誤差為±3%（RH）；光照強度傳感器分辨率在1%，誤差為±5%；二氧化碳濃度分辨率為1 μL/L，誤差為±3%。傳感器耗電低，斷電后已采集的數據不受影響。

2.3 管理系統使用方便

園區管理者登錄后，可實時查看園區的監控情況，生產數據精確到每棟溫室，可記錄生產、采收、庫存情況，傳感器采集的數據可以隨便分時段、分傳感器統計查詢，可以曲線圖顯示，具備預警、預報的功能，控制系統可根據實際生產進行自動、手動控制，系統記錄所有設備的工作情況，APP具備系統的所有功能。

2.4 作物長勢監測效果明顯

作物長勢傳感器能實時監測植物莖稈粗細的變化、果實膨大速率、葉面的溫度等，能夠直觀地反映植物的生長狀態。作物長勢監測有助于建立科學的植物生長模型，反映環境和作物生長最直接的聯系，并反過來指導生產，如果不應用長勢監測技術，則無法判斷生長環境條件供給的科學合理性。2017年3月份在京郊開展的作物長勢監測試驗結果如下：3 d灌溉1次，第3天時作物莖稈的生長速度明顯變小；4 d灌溉1次，第4天時作物莖稈停止生長，同時，果實生長速度也明顯變慢；2 d灌溉1次，無論作物莖稈還是果實均保持平穩生長。試驗表明：作物的長勢監測能科學地檢驗作物的生長情況，從而結合環境的監測判斷出作物在不同生長階段對環境的需求量，為下一步量化作物的生長需要與制作科學的作物生長決策模型打下基礎。

3 系統應用前景

基于作物長勢監測的日光溫室環境智能監控系統應用了無線傳輸、傳感器、計算機編程等技術，具備信息采集、智能控制、智能管理三大系統。結合4個園區8棟溫室的應用實踐，進行了系統應用、硬件穩定性、傳感技術準確性的驗證，表明系統穩定、精確，可以進行示范推廣。同時，系統只進行了初步的作物長勢監測與試驗驗證，接下來可以借助作物長勢監測技術針對各類作物進行細致的研究，研究不同作物生長與水、光、氣、土等環境條件的關系，進一步指導科學生產，提高生產效率，避免浪費。

就目前的試驗示范情況來看，該系統的應用主要有以下幾點優勢：

一是合理施用化肥，降低生產成本，減少環境污染。采用因土、因作物、因時間全面平衡施肥技術，有效避免了傳統農業中因經驗施肥而造成的三多三少（化肥多，有機肥少；N肥多，P、K肥少；三要素肥多，微量元素少），N、P、K比例失調的狀況，具有明顯的經濟和環境效益。

二是節約水資源。目前傳統農業灌溉方式的水分利用率只有40%左右，而溫室大棚控制系統可通過作物動態監控技術，實現定時、定量供給水分，同時應用滴灌、微灌等一系列新型灌溉技術，使水的消耗量減少到最低程度，并能夠獲得盡可能高的產量。

三是使農作物的物質營養得到合理分配，保證農產品的產量和質量。通過各類傳感器和智能控制設備，對農作物的生產過程進行動態監測和控制，并根據其結果采取相應的措施。

另外，目前市場上環境監測、控制設備眾多，有必要進一步建立各類日光溫室生產及環境情況的大數據平臺，提供標準的接口，方便各個環境監測控制系統把數據共享到該大數據平臺，便于政府決策和科研利用。

[1]尚明華,秦磊磊,黎香蘭,等.溫室環境信息無線監控系統設計與應用[J].山東農業科學,2012,44(10):19-24.

[2]周素茵,章云,曾斌.無線通信技術在我國現代溫室中的應用綜述[J].傳感器與微系統,2011,30(12):14-17.

[3]戴劍鋒,羅衛紅,喬曉軍,等.基于模型的溫室加溫控制目標優化系統研究[J].農業工程學報,2006,22(11):187-191.

[4]張云飛.關于云計算中的數據匯總和容錯性分析[J].電腦知識與技術,2011,7(5):1046-1047.

[5]于杰.面向互聯網的軟件系統整體安全加固技術的研究與設計[D].北京:北京郵電大學,2013.