物聯網技術視角下溫室蔬菜智能灌溉控制系統分析*

楊 帆，李江龍，鮑義東，李云婷

（貴州航天智慧農業有限公司，貴州 貴陽 550000）

從實際情況來看，我國大部分地區溫室蔬菜種植都是使用較為傳統的灌溉技術，相關技術不僅會浪費大量的水，而且還會增加地病、蟲害的發生概率，不利于提高蔬菜產量。基于此，筆者提出一種基于物聯網技術的溫室蔬菜智能灌溉控制系統，實現對蔬菜需求量的智能化控制滴灌設備實施滴灌，滿足蔬菜生長需水要求的同時，提高溫室生產智能化生產水平，降低溫室蔬菜種植的人力需求，推動溫室蔬菜生產實現信息化、現代化發展。

1 系統總體架構

基于物聯網技術的溫室蔬菜智能灌溉控制系統主要由環境信息采集系統、采集控制系統、遠程控制中心、系統執行單元以及視頻監控系統等5部分組成，具體結構如圖1所示。

圖1 溫室蔬菜智能灌溉控制系統總體架構示意圖

2 系統硬件架構及功能

2.1 環境信息采集系統

在系統中，環境信息采集系統的核心為環境數據采集器，此設備中集成了CC2530單片機、無線信號發送設備等諸多設備模塊，可以滿足設計中環境信息采集系統的實際使用需求。在實際設計過程中，環境信息采集系統主要功能是通過空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照強度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、土壤含水量傳感器、EC傳感器對溫室環境進行數據采集[1]。

2.2 系統執行單元

系統執行單元主要由滴灌系統和電磁控制閥兩部分組成。在實際應用過程中，系統執行單元會接收來自于采集控制系統或者遠程控制中心的控制指令，在接收到控制指令后，系統執行單元將會根據控制指令中的參數要求自動控制電池控制閥進行啟閉，以此來實現遠程自動化滴灌效果[2]。

2.3 采集控制系統

采集控制系統主要用于環境信息采集系統和系統執行單元的相應控制，在實際控制過程中可以根據需求執行自動化控制或者手動控制，其中自動化控制為本地系統自動控制，手動控制則是由操作人員通過遠程控制中心進行遠程手動控制。采集控制系統的核心設備是采集控制器，在設計過程中所選用的采集控制器具有8路模擬量輸入、12路繼電器輸出、8路開關量輸入效果，并且具有良好的擴展性能，實際應用過程中可以作為控制終端直接實現對傳感器設備、繼電器設備以及電磁閥的自動化控制和手動控制，可以滿足采集控制系統對環境信息采集系統和系統執行單元的相關控制要求。

此外，設計中所選用的采集控制器還集成有2路RS485總線接口，支持20個輪灌組，在實際設計過程中會將RS485協議轉換為網絡協議，再通過網絡交換機與無線網橋相連，再通過無線傳輸的方式將環境信息采集系統所采集的環境數據以及系統執行單元的執行參數傳輸給遠程控制中心。采集控制系統作為以采集控制器為核心的多級控制系統網絡，支持包括短信、GPRS網絡、無線電臺等多種遠程數據轉發控制功能，可以用作于系統網絡中二級現場控制設備與遠程控制中心達成數據交流；支持遠程控制中心實現遠程采集控制器控制參數修改[3]。

2.4 視頻監控系統

視頻監控系統主要用于遠程監控蔬菜的生長狀態，進而收集植物各生長階段的視頻信息，確保所設置的供水量可以滿足植物各生長階段實際需水要求的同時，也能夠在一定程度上提高溫室的安全水平。視頻監控系統的核心設備為視頻監控設備，該設備在系統中將會通過無線網橋與遠程控制中心直接相連，進而將所采集到的視頻信息直接傳遞給遠程控制中心，由遠程控制中心進行圖像匯總、識別及處理[4]。

2.5 遠程控制中心

遠程控制中心主要由服務器、人機交互界面、視頻服務器以及物聯網監控軟件等共同組成。其中物聯網監控軟件主要分為溫室環境信息監測軟件、視頻監控軟件等，這些軟件均會部署在遠程控制中心的服務器上，主要功能為對環境信息采集系統、視頻監控系統所收集的數據參數進行綜合分析，進而根據預設參數以及系統控制要求自動形成系統控制指令，為其他系統設備下達控制指令，達成控制效果[5]。當系統自動檢測出某種參數超過預設值時，系統會自動對相關參數進行標注，同時根據預設控制流程控制執行設備對超過預設值的參數進行有效控制。

3 系統軟件設計架構

3.1 環境信息采集系統

采集控制系統工作流程示意圖如圖2所示，設計中所選用的環境數據采集器具有數據采集控制、控制指令接收功能，所以在設計過程中將會基于環境數據采集器的實際特點，促使環境數據采集器在接入到系統組網中以后時刻處于監聽狀態，進而時刻接收來自采集控制系統的控制指令，環境數據采集器與采集控制系統相連以后，將會對所有傳感器設備進行掃描，記錄各傳感器的地址碼，在掃描完成后將所有傳感器接入到控制網絡中，使用網絡協議，通過固定頻率對所有傳感器設備進行輪詢，由此來接收各傳感器的實際數據信息，并通過覆蓋保存的方式來實現傳感器設備新上傳設備的暫存[6]。

圖2 采集控制系統工作流程示意圖

3.2 滴灌控制軟件

滴灌控制軟件在運行過程中將會接收采集控制系統所發出的滴灌控制指令，相關指令包括滴灌灌溉量、灌溉時間等諸多數據參數，在實際控制過程中，滴灌控制軟件會在接收采集控制系統所發出的滴灌控制指令后，控制電池控制閥啟動，進而自動進行滴灌作業。在滴灌過程中，滴灌控制軟件會實時查詢流量，檢查實際滴灌量是否能夠達到預設值，在達到預設值以后，滴灌控制軟件將會自動控制電磁控制閥關閉，終止滴灌作業。滴灌控制軟件具體工作流程如圖3所示。

圖3 滴灌控制軟件工作流程示意圖

3.3 采集控制系統

正如上文所述，采集控制系統主要功能是負責環境信息采集系統和系統執行單元的數據存儲、管理、分析及控制。為能夠達成上述功能要求，采集控制系統在運行過程中會先由系統執行單元發送控制執行，此過程中具體工作流程如圖4所示。環境信息采集系統中的各傳感器所采集的數據和系統執行單元的滴灌執行數據均會通過無線網橋和有線線路實現與采集控制器的數據交互，在此過程中，采集控制器的數據收發均會通過串口中斷來實現。因為采集控制系統在收發環境信息采集系統和系統執行單元所傳遞信息時可能會出現數據碰撞情況。

圖4 采集控制系統對系統執行單元控制流程示意圖

對此，在設計過程中將會促使環境信息采集系統和系統執行單元中的某一系統單元在發出通信以后，該系統單元將不再實現數據交互，而是會進入到睡眠狀態[7]。此后，采集控制器會通過輪詢的方式來查詢各系統單元的工作狀態。其中環境信息采集系統的控制則是通過輪詢的方式掃描記錄各傳感器設備的地質參數，并經由環境信息采集系統接收各傳感器所采集的數據信息；系統執行單元控制則需對系統執行單元的地址參數信息進行掃描記錄，用于后續系統執行單元的精準控制。

3.4 數據庫

系統運行過程中每天都會采集大量的數據信息，相關數據均需要數據庫進行存儲和管理。本設計中的數據庫將會采用MySQL數據庫，具體記錄的數據信息包括有空氣溫濕度數據、土壤溫濕度數據、溫室光照強度、二氧化碳濃度數據等環境參數以及具體數據記錄時間等[11]。此外，數據庫中還記錄有滴灌相關數據信息，相關信息以數據表的形式存在，具體記錄內容保護滴灌量、實際滴灌水量、滴灌開始時間、滴灌結束時間等。

4 系統測試

在系統測試前，系統開發團隊與某農業資源與環境研究所達成密切合作，并在研究所的支持下，基本摸清了溫室條件下各類常見蔬菜的各生長階段的需水量規律，并以此來合理制訂可以促使蔬菜增產增收、降低蔬菜生長水耗的高效土壤水分管理策略。以黃瓜為例，黃瓜幼苗期、結果初期、結果盛期以及結果后期的實際滴灌規律如下所示。

1）幼苗期：此階段土壤濕度不宜過高，否則會引發黃瓜幼苗徒長情況。在實際滴灌控制過程中，可以將系統的滴灌控制閥值設置在土壤持水量的60%左右，系統在檢測到此數值以后，自動控制電磁控制閥開啟滴灌作業，每畝的滴灌量應控制在6 m3左右。

2）結果初期：隨著植株的持續生長，植株對于水量的需求也在快速增加。為保障植株的快速生長，此時應調整系統滴灌控制閥值，將其設置為土壤持水量的80%左右，每畝的滴灌量則控制在9 m3左右。

3）結果盛期：在結果盛期階段，黃瓜對于水量的需求達到最大值，為保證黃瓜結果質量，應將進一步調整系統滴灌控制閥值，將其設置為土壤持水量的90%，并且每畝滴灌量設置為12 m3左右。

4）結果后期：在結果后期階段，相對于結果盛期階段來說黃瓜生長的需水量有所下降，所以可以適當調低系統滴灌控制閥值和每畝滴灌量，綜合分析研究所提供的數據后，將滴灌控制閥值設置為土壤持水量的80%，每畝滴灌量設置為9 m3左右。

在對比分析后發現相對于常規滴灌作業來說，系統可以節約15%～20%的水量，因而節水效果更為明顯優秀，可以在當前溫室蔬菜種植過程中進行普及應用。

5 結論

在完成系統設計以后，結合某農業資源與環境研究所提供的蔬菜生長數據，最終對蔬菜的具體控制參數進行設置，綜合研究分析以后，獲取到以下幾點研究結果。

1）基于物聯網技術的溫室蔬菜智能灌溉控制系統可以實現自動化控制和遠程手動控制兩種控制模式，并且在實際控制過程中操控人員還可以根據本地區實際情況對預設參數修改，促使系統控制精度進一步提升。

2）在蔬菜的不同生長階段中，其對于水量的需求也不盡相同，所以需要根據蔬菜的生長階段進行合理系統參數設置。以黃瓜為例，其各階段土壤持水量和每畝滴灌量應控制在以下參數值左右：在幼苗期60%和6 m3左右；結果初期80%和9 m3左右；結果盛期90%和12 m3左右；結果后期80%和9 m3左右；

3）相對于常規滴灌作業來說，系統可以節約15%～20%的水量，因而節水效果更為明顯優秀，可以在當前溫室蔬菜種植過程中進行普及應用。