溫室大棚智能控制系統標準研究綜述

摘 要：農業物聯網標準缺失制約著農業物聯網的發展，近年來各地研究機構針對農業物聯網感知層、網絡層、應用層研制了不少規范，但對應用層中關于溫室大棚智能控制系統規范的研究仍處于起步探索階段。對目前農業物聯網標準及溫室智能控制系統標準的研究現狀進行了總結，并對溫室大棚智能控制系統標準的結構及內容進行了基礎性探索，為其標準的制定提供參考。

關鍵詞：溫室大棚；智能控制；標準；規范；綜述

中圖分類號：S24 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2018）09-0123-04

Review of Standards for Intelligent Control System of Greenhouse

XIANG Xu-you，ZHOU Chao，ZHONG Xu

（Hunan Institute of Agricultural Information and Engineering， Hunan Academy of Agricultural Sciences， Changsha 410125， PRC）

Abstract： The lack of agricultural internet of things standards restricts the development of agricultural internet of things. In recent years， many research institutes have developed a lot of specifications for the perception layer， network layer and application layer of agricultural internet of things， but the research on the specifications of intelligent control system for greenhouses in the application layer is still at the initial stage of exploration. This paper summarizes the current research status of agricultural internet of things standards and greenhouse intelligent control system standards， and basically explores the structure and content of the greenhouse intelligent control system standards， providing a reference for the formulation of the standards.

Key words： greenhouse； intelligent control； standards； specifications； review

農業物聯網是物聯網技術在農業和農村信息化領域的重要應用，是以智能農業、精準農業為代表的現代農業信息技術。“十二五”期間，我國深入實施了一批智能農業示范工程項目和農業物聯網區域試驗工程；“十三五”期間，國家提出要推進農業信息化建設，加強農業與信息技術融合，發展智慧農業。設施農業是實現農業現代化的重要措施，配備智能控制系統的溫室大棚是未來農業的發展方向，而其中所涉及的標準問題，是設施農業-智能溫室控制系統持續性、可拓展性發展的基礎。標準的缺失已成為制約溫室大棚推廣應用的重要因素[1]。我國的溫室智能控制技術及其標準化研究均處于起步階段，因此研究溫室大棚環境調控智能控制整體性標準具有重要意義。

1 物聯網標準的國內外研究進展

1.1 國外研究進展

國際上的相關標準組織如國際標準化組織（ISO）、國際電工委員會（IEC）、國際電信聯盟（ITU）、第三代合作伙伴計劃（3GPP）、國際電氣與電子工程師學會（IEEE）等制定了物聯網感知層的數據采集標準、網絡層的數據傳輸和交換標準以及應用層的平臺框架規范等，但目前還沒有一個統一的集成應用標準，這也是當下物聯網標準研究的重點方向。溫室大棚智能控制標準屬于農業物聯網應用標準，當前國際上物聯網的標準化工作還處于起步階段。ISO在信息互聯、自動識別及數據獲取、人工智能、自動系統與集成、農業電子、農業灌溉及排水等方面都做出了相關規范。

1.1.1 物聯網感知層 （1）與傳感器相關的主要規范有：ISO/IEC 15961—4：2016——定義了傳感器參數初始化和重置，以及傳感器啟動、停止和數據訪問等應用規則；ISO/IEC 24753——定義了用于識別傳感器的編碼規則、功能以及數據的處理規則；ISO/IEC/IEEE 21451-1：2010——定義了連接處理器與通信網絡、傳感器及執行器的接口對象模型；ISO 23570—1：2005——定義了傳感器和執行器的互連、輸入、輸出及診斷功能。（2）RFID方面：ISO 24631規范了在動物上使用RFID標簽的代碼和命令結構、空中接口規范、收發器性能評估、動物識別信息表示、應用等；ISO/IEC 15961規范了支持應用程序和RFID標簽之間傳輸數據所使用的命令及反饋內容、不同通信頻率下的通信參數、RFID數據結構注冊、對象標識符等內容；關于RFID讀寫器的性能測驗方法，新的測驗方法標準項目已經批準，正在起草。

1.1.2 物聯網網絡層 國際上針對信息互聯設備也有相應的標準。例如：ISO/IEC 14543包含了針對家庭電子系統設備結構的通信協議、通訊層及應用層控制設備相關規范、智能分組與資源共享的遠程訪問協議等，對智能溫室大棚內的設備通信有一定的指導作用。在農業電子方面，ISO 11783規范了傳感器、執行器、控制元件與信息存儲和顯示單元之間數據傳輸的方法和格式；其中，ISO 11783—1：2017對手機端的串行控制及數據網絡通信進行了規范，ISO 11783—14：2013涉及順序控制系統及其實現的功能。

1.1.3 物聯網應用層 ISO/IEC CD18025：2014對大氣及大氣條件數據如氣溫、濕度、降雨率、感熱和潛熱、風速和風向等，提供機制來指定明確的對象模型環境概念；ISO/IEC 18041—4：2016對環境數據編碼（C語言）規則進行了規范。針對農業灌溉及排水設備，ISO/TC 23/SC 18規范了農業灌溉設備的性能要求、設計要求、測驗方法及其他相關細節設計內容。自動系統與集成方面，IOS 14649闡述了電腦數控模型的優點和基本原理，規范了編程系統和計算機數字控制器之間的接口關系；ISO/NP 21919—2及ISO/NP 21919—3都是正在研制的標準，用于規范安全接口及控制接口的描述。而人工智能方面，目前已有機構申請TC/SC項目，編號ISO/IEC AWI 22989及ISO/IEC AWI 23053對人工智能的概念及術語、機器學習框架等內容進行規范。電子設備的測試方面，有ISO 15003：2006 農業工程標準，該標準對電氣和電子設備的耐環境測試做出了規范，目前新的替代標準正在研制。

1.2 國內研究進展

目前，國內許多研究機構都在積極建立物聯網標準。由于國內市場巨大，對物聯網的需求非常迫切，近年來物聯網標準化研究快速推進，取得了一定成就。2005年，我國開始推動傳感器網的標準化，2009年正式成立了國家傳感器網絡標準工作組；該工作組確定了國內標準制定與國際標準化工作同步進行的工作路線，積極參與ISO/IECJTC1、IEEE等國際標準化組織的工作，其提出并擔任編輯的ISO/IEC20005等3項國際標準已經進入DIS（國際標準草案）階段。2011年“農業物聯網應用標準工作組”和“農業應用研究項目組”成立，主要負責農業物聯網標準的研制、補充完善等工作，進一步推進農業物聯網產業標準化工作的頂層設計和統籌規劃。雖然我國甚至是國際上針對農業物聯網領域還沒有一個統一的標準，但在國際物聯網熱潮以及國家強力支持的背景下，相關機構積極響應政府號召，大力推進農業物聯網行業及地方標準的制定。

在物聯網感知層方面，安徽睿聯測控技術等公司聯合合肥工業大學研制《農業物聯網用溫度傳感器通用技術條件》，用于規定農業物聯網用溫度傳感器的實驗方法和標志、包裝、貯存、運輸等要求[2]。

在農業物聯網數據傳輸及應用平臺方面，2016年底山東省質量技術監督局和山東省農業廳聯合發布了《農業物聯網平臺基礎代碼集》《農業物聯網平臺基礎數據元》《農業物聯網平臺基礎數據采集規范》3項農業物聯網領域地方標準。該標準為農業物聯網應用層平臺建設提供支持，能在一定程度上提升物聯網在農業領域的應用效率，并大大提升了農業生產經營管理能力[3]。天津市作為最早一批國家支持物聯網區域試驗工程的城市之一，制定了《農業物聯網平臺技術規范》，對天津市農業物聯網平臺的生產基地數據進行規范，對數據上傳接口的數據框架、農業環境信息數據及要求、視頻數據格式等進行了規定[4]；另外，天津市在水產養殖、冷鏈物流追溯體系等方面也有相關地方性規范。安徽省農業技術推廣總站聯合其各縣農技推廣中心起草了《小麥苗、災情物聯網監測規范》，用于物聯網監測安徽省內及周邊地區同類型小麥的苗情、災情[5]。2017年安徽省滁州市積極進行農業物聯網建設，采用《農業物聯網信息服務終端數據交換規范》《農業物聯網信息服務平臺數據交換協議》作為當地統一標準，對農業物聯網建設予以支撐。

近年來隨著農業領域物聯網應用研究的不斷深入，全國各地研究機構紛紛起草應用于感知層、傳輸層、應用層的地方性標準，標準的范圍涵蓋了農作物生長到流通的全過程。在農產品安全溯源方面，內蒙古做了大量工作，成立了農畜產品質量安全中心來承擔農畜水產品質量安全地方標準的制定及相關工作，現有《基于物聯網的畜產品追溯應用平臺結構》《基于物聯網的畜產品追溯服務流程》2項地方標準，并研發省級農畜產品質量安全監管追溯信息平臺1個。2015年7月，廣東省農產品質量省級溯源平臺基本建成，同年發布《農作物產品物聯網溯源應用框架》標準，用于對區域內地方性農產品溯源應用進行規范[6]。

農業物聯網智能控制是農業物聯網應用的核心之一，查閱各類資料發現在溫室控制系統規范方面，目前有機械行業標準《溫室控制系統設計規范》和中國工程建設協會標準《無源無線智能控制技術規程》共計2項，主要是對硬件設施工程設計、選型、安裝、驗收和維護等方面進行規范[7]，而并沒有對控制軟件部分進行規范；天津市出臺地方標準《溫室環境自動控制系統配置技術規范》1項，該標準對溫室內外設施的類型、配置要求及設備參數進行了簡單的規范[8]，同樣未對大棚智能控制系統進行整體性考慮。2015年啟用的國家標準《智能建筑設計標準》只對民用及通用工業建筑的智能化系統設計工程進行規范[9]，其中并未包含農業領域智能大棚設計規范；《智能建筑工程質量驗收規范》國家標準可為農業領域溫室智能控制大棚建設后期驗收提供參考。

總的來說，國內外關于智能控制的標準還未成體系，尤其農業領域關于設施種植環境調控智能控制的相關標準還處于起步探索階段。

2 溫室大棚智能控制系統標準制定的主要內容

智能溫室大棚能通過環境控制系統在不適宜作物生長的季節為作物提供生育期所需環境條件，增加作物產量。溫室智能控制系統提供的主要功能包括監測、控制、設定和分析等，其中監測功能是監測當前作物生長環境的溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度、土壤溫濕度等；控制功能提供對大棚內智能設備的開啟、關停、狀態監測等；設定功能是針對系統自動控制，設定各環境指標的運行參數、目標值，根據環境參數值來自動控制設備開啟、關停等；分析功能主要在后期對收集到的信息進行統計分析，為科研工作提供數據支撐，以便指導日后同種作物的栽培生產。

查閱了現有農業物聯網標準及溫室智能控制規范，發現溫室大棚智能控制標準框架大致分為5個部分，分別為術語定義、系統組成和結構要求、設備功能和性能要求、接口功能和性能要求、工程實施和驗收要求，其框架結構如圖1所示。

（1）術語定義：主要是對標準內涉及的相關術語進行規范化定義。

（2）系統組成和結構要求：是對信息采集、設備控制、數據傳輸進行規范。信息采集部分主要是采集大棚內外信息；大棚內的信息包括室內溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度、土壤溫度、土壤濕度等，此外還可根據種植作物的需要相應拓展必要的傳感器；大棚外的信息包括大氣溫度、濕度、光照強度、風向風速、降雨量等，同樣可根據種植作物的需要相應拓展必要的傳感設備。設備控制分為硬件和軟件2個部分，其中硬件部分包括溫室大棚內的數據采集設備、溫室補光設備、噴灌設備、滴灌設備、溫度調節設備、卷簾天窗、控制設備等，可根據種植作物的需要相應拓展必要設備；軟件部分包括服務器端軟件、電腦客戶端控制軟件、手機端控制軟件，必要時可包含數字大屏端控制軟件。數據傳輸部分包括數據發送設備、數據傳輸設備、數據接收設備等。

（3）設備功能和性能要求：包含感知設備、控制設備、網絡設備的功能和性能要求。標準主要對感知設備的感知精度進行最低要求的限制，對感知設備的選取進行規范指導，對設備的可靠性進行規定，包括器材的穩定性、讀數的精確性、數據的安全性等；對控制設備的控制項目進行最低要求規范，對設備的安全性防范措施及經濟性進行考慮，對控制設備的現處狀態、運行狀態進行定時發送；對網絡傳輸方式、中間設備功能、存儲設備要求機型進行規范，其中網絡傳輸方式為有線或無線傳輸，同時規定數據的上傳周期；中間設備功能對數據過濾、清洗、轉換的格式等功能進行規范，對網絡存儲設備的容量、支持的操作系統版本等項目進行規范，對服務器的基本配置、操作系統版本等進行規范。

（4）接口功能和性能要求：包含服務項目、報文格式的規范。服務項目中，首先應明確接口的編號規則，保證后期調用的有序性；其次應明確接口的基本服務項目，并且要求具有可拓展性。報文格式的規范方面，采用xml格式報文，對報文的基本結構及內容進行規范，明確接口輸入、輸出的內容。

（5）工程實施和驗收要求：主要包括安裝要求、調試要求、驗收要求。在安裝要求部分，對安裝環境做出要求，如溫度及濕度情況，要求在適宜條件下進行施工作業，避免對硬件設施造成損壞，要求施工人員具有一定專業基礎。系統調試方面，標準應詳細列出進行調試的內容。驗收要求方面，標準應列出工程驗收階段施工單位應提交的材料清單，并制定驗收材料所用的表格，對驗收結果格式也應做出具體規范。

3 結 語

近年來，國家高度重視標準化工作，李克強總理在第39屆國際標準組織大會上表示，標準化水平的高低，反映一個國家產業核心競爭力乃至綜合實力的強弱[10]。農業物聯網標準的制定深刻影響著我國現代農業的發展，而溫室大棚環境智能控制系統相關技術的規范需要國家、各行業及各地方的標準化組織、研究機構共同努力，將各部分內容參數統一化、標準化、規范化，促進農業物聯網應用的可持續發展，加速產業化形成速率，提高社會化服務率，為未來一段時間內規模化現代農業應用做好鋪墊。

參考文獻：

[1] DB34/T 2427—2015，農業物聯網用溫度傳感器通用技術條件[S].

[2] DB37/T 2874—2016，農業物聯網平臺基礎數據采集規范[S].

[3] DB12/T 740.1—2017，農業物聯網平臺技術規范 第1部分：數據上傳接口[S].

[4] DB34/T 2298—2015，小麥苗、災情物聯網監測規范[S].

[5] DB44/T 1566—2015，農作物產品物聯網溯源應用框架[S].

[6] CECS 296—2011，無源無線智能控制技術規程[S].

[7] DB12/T 580—2015，溫室環境自動控制系統配置技術規范[S].

[8] GB 50314—2015，智能建筑設計標準[S].

[9] 李雪軍，辛慶正，石 莉，等. 天津市農業物聯網標準體系研究[J]. 標準科學，2016，（9）：41-44.

[10] 陳 湉，張彥超，趙 爽. 國際信息安全標準現狀研究及對我國標準體系建設的思考[J]. 信息安全與通信保密，2016，（11）：41-47.

（責任編輯：成 平）