基于物聯網的日光溫室終端控制研究與應用

文/崔玉萍

近年來位于河西地區武威市古浪縣的日光溫室，在精準扶貧產業引領下發展迅速，但黃花灘移民區大多數日光溫室生產方式落后，科技含量低，生產自動化程度有待提高，日光溫室產業急需融合科技控制技術，達到精準控制生產要素，提高農業生產效率。突出發展設施農業，運用物聯網技術推進設施農業種植業的發展?；谖锫摼W技術的日光溫室終端控制與應用就是以日光溫室農作物的生長參數作為測控的主要對象，運用物聯網的技術對作物的生長參數進行測量、傳輸、存儲、分析和控制，提高設施農業生產過程的智能化控制和規范化管理水平,改變傳統日光溫室栽種中管理科技含量低、效率低、投入產出比低的狀況,提高農業生產效率。本文選取武威市古浪縣黃花灘移民區9號點連棟日光溫室作為研究對象，研究了基于物聯網的日光溫室終端控制技術，該系統能夠實現溫室環境參數的自動采集、實時顯示與可視化的數據查詢及分析，并監視現場設備的工作狀態，實現遠程監控、智能控制，提高日光溫室生產效率。

1 系統結構

圖1：系統結構

智能溫室大棚控制器是一種高性能監控儀器，它具有“智能”、“記憶”、“遠程控制”及“節省勞動力”等四大顯著特點。設備采用先進的微傳感器技術將日光溫室大棚內的溫度、濕度、二氧化碳、光照等多種環境參數采集到微電腦處理器中，微電腦通過智能設置及算法，自動開啟或關閉風機、濕簾、加熱設備等，自動實現溫度調整，濕度調整、通風散熱，加熱保溫，定時光照、智能灌溉、故障報警等功能，使標準化大棚溫室內環境在無人值守的情況下設備能自動工作。系統主要包括輸入接口、模擬傳感器、輸出端口、執行機構、操作終端及軟件平臺。系統通過各種傳感器等監測設備感知溫室內的環境信息。傳感器采集的數據通過通信終端進入上位機系統，并對溫室監測的數據進行存儲、計算分析和共享，溫室環境控制算法通控制終端對調控設備進行控制。該物聯網系統還可以通過手機APP或手機流量短信向用戶發送實時監測信息、預警信息，實現日光溫室集成化、網絡化遠程管理。系統結構如圖1所示。

2 智能控制系統

遠程控制的實現使技術人員在辦公室就能對多個大棚的環境進行監測控制。采用無線網絡來測量獲得作物生長的最佳條件，可以為溫室精準調控提供科學依據，達到增產、改善品質、調節生長周期、提高經濟效益的目的。日光溫室、連棟溫室控制設備包括內遮陽、外遮陽、風機、濕簾水泵、頂部通風、電磁閥等設備，測控系統由平板電腦、測控模塊、各種傳感器、電磁閥、配電控制柜及安裝附件組成，通過無線Wi-Fi或GPRS模塊與綜合控制中心連接。通過傳感器檢測空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤水分、光照強度及二氧化碳等參數，構建測控點實現日光溫室環境獲取、自動灌溉、自動控制等功能，提高設施生產自動化、智能化程度，具有較好的示范展示效果。

通過光照、溫度、濕度、日照數這些無線傳感器，對溫室內的光照強度、空氣和土壤溫度、空氣和土壤濕度、日照數的環境參數進行實時采集，并進行分析，依據分析結果，自動開啟或者關閉指定設備(如遠程控制澆灌、開關卷簾等)。同時在溫室現場布置攝像頭等監控設備，適時采集視頻信號。用戶通過電腦或4G手機，隨時隨地觀察現場情況、查看現場溫濕度等數據和控制遠程智能調節指定設備。

圖2：中央控制室

圖3：系統數據監控圖

物聯網智能監控系統不僅能對智能溫室大棚生產過程中的參數在線高精度測量,而且能實現棚內調溫、灌溉等智能控制或報警提示，自動實現保濕、通風、光照調節和歷史數據的記錄。主控中心和大棚控制器之間采用無線電臺或有線進行連接，每棟大棚內，溫度、濕度、光照等信號均模塊化，不僅擴展靈活而且可多點取樣，大棚數據反映準確迅速。可通過現場計算機更改大棚號和名稱。主控中心軟件界面采用數碼管和儀表盤顯示形式，顯示直觀、可視性好、界面精美。該軟件可顯示設置室內外溫度、濕度、光照等參數，并能進行手動/自動控制和切換、自動報警通知等。溫室測控點平板電腦、測控模塊、各種傳感器、電磁閥、配電控制柜及安裝附件組成，無線Wi-Fi或GPRS模塊與綜合控制中心連接。示范聯棟溫室內傳感器檢測空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤水分、光照強度及二氧化碳等參數?？刂圃O備包括內遮陽、外遮陽、風機、濕簾水泵、頂部通風、電磁閥等設備。并對基地設施條件較好的日光溫室，構建測控點實現日光溫室環境獲取、自動灌溉、自動控制等功能。該日光溫室、連棟溫室測控點的建立進一步提高設施生產自動化、智能化程度，具有較好的示范展示效果。中央控制室如圖2所示。

2.1 溫度自動調節系統

選用二個聯棟溫室，在每個聯棟溫室內分別裝置空氣溫度傳感器，夏天氣溫升高，如果系統發現溫室內某個空氣溫度傳感器監測到溫室內溫度超過系統預設的適合農作物的溫度，會自動啟動相對應的風機和天窗進行排風，啟動濕簾給溫室降溫，直至溫室溫度值達到預設的區間。

2.2 濕度自動調節系統

系統通過溫室內分布的空氣濕度傳感器，自動定時監測溫室內空氣濕度，如發現濕度過高，則會啟動相應風機工作，給溫室通風換氣，降低溫室內濕度，如發現空氣濕度過低，則會啟動加濕水簾。直到空氣濕度滿足作物生長要求。

2.3 光照強度調節系統

在大棚里布置多個光照強度傳感器，分別對應溫室的內外遮陽系統，只要光照傳感器監測的數據與系統內設的數據發生了偏差，系統會自動啟動遮陽或補光燈系統進行干預調節，直到棚內光照滿足作物所需。

2.4 自動澆灌控制系統

智能澆灌系統是根據分布在溫室內的土壤水分傳感器監測到的即時土壤水分參數，根據不同的作物，在系統內設定不同的土壤水分參數區間，只要實測參數偏離正常區間值，計算機系統自動啟動對各灌溉電磁閥精確控制，確保每塊種植區域的土壤水分都符合該區塊作物的生長要求。可對智能灌溉、水肥一體化、大棚設施進行手動或自動控制。依據監測信息和預先設定的控制閾值，啟動自動控制執行設備，能夠實現智能設置控制閾值，遠程在線自動控制、實時手動控制，并能在參數達到正常合理值得時候，實現自動關停。

3 系統應用分析

該系統在武威市古浪縣黃花灘移民區9號點日光溫室園區進行安裝調試，溫室內種植辣椒、試驗期間辣椒處于幼苗期，選擇兩棟日光溫室安裝基于物聯網的日光溫室終端控制系統。

3.1 數據實時監測

系統實時采集的溫室內的要素包括空氣相對濕度、溫度、土壤溫度、光照強度和CO2 濃度和六大要素以實時曲線的方式顯示，準確記錄歷史數據同時及時分析各參數變化對作物生長的影響，確保實現對設施作物生長環境數據的精確監測，圖 3所示為2019年 1月10 日（室外溫度為-3 ～-10℃）1# 實驗日光溫室內某一時刻的空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、CO2濃度變化曲線。從圖3所示中可以看出，通過物聯網監控系統的自動調控，溫室內溫度基本控制在 15 ～28℃范圍內，空氣濕度在 50% ～70% 之間，均在辣椒植株地上部分生長的適溫范圍內。辣椒處于幼苗期時，土壤呼吸旺盛，群體光合較弱，且冬季日光溫室幾乎處于全閉狀態，因而辣椒 CO2水平較高，基本維持在 500ppm 以上，未發生 CO2虧缺，因此不需要進行CO2施肥。

圖4

圖5

3.2 視頻監控

從總體上來看，圖像和視頻提供的農作物生長狀態信息更加豐富和直觀。運用系統中的高清視頻設備，通過無線橋網傳輸，將作物生長情況以及病害發生情況的圖片信息，為作物遠程病蟲害診斷及環境信息采集控制系統提供有效的數據支持。相關專家可以通過互聯網對各地生產進行指導與診斷，實現重大病蟲害的預防監測，為最終實現武威市范圍內規?；a的基地聯網監測平臺奠定基礎。

安裝基于物聯網的日光溫室終端控制系統能提高溫室作物生產效率，該項技術是溫室生產的核心競爭力、融合了傳感器技術、計算機控制、網絡通信以及物聯網等技術的智能監控系統被被河西地區越來越多地運用到日光溫室生產，借助物聯網技術可實現利用手機短信、電子顯示屏、網站等多媒體發布低溫預警服務，并采用遠程智能控制方式實現對溫室定時加溫。由此可以看出，我國河西地區農業物聯網技術研究廣泛深入，總體上處于試驗示范階段，規模小且分散。本研究以連棟日光溫室作為應用對象，基于物聯網技術框架，設計并實現了日光溫室智能監控系統，實現了溫室內生產設備的遠程控制和農業管理的自動化、智能化生產，結果表明，該控制系統具有良好的擴展性和實用性，對于實現溫室的智能化測控管理，降低勞動強度，提高生產效率，創造大棚生產的最佳效益將產生積極作用。