基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

曾 學(xué)，賀成柱

(1.甘肅華維智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，甘肅 蘭州 730030； 2.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

農(nóng)業(yè)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，現(xiàn)階段主流農(nóng)業(yè)模式仍是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，多采用以半人工半機(jī)械勞作方式[1-2]。與日韓和歐美和等發(fā)達(dá)國(guó)家比較，我國(guó)農(nóng)業(yè)還未普及規(guī)模化智能化作業(yè)方式。目前我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展成果顯著，采用先進(jìn)技術(shù)手段，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素進(jìn)行人為可控，是擺脫農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)自然環(huán)境的嚴(yán)重依賴(lài)的重要工具和途徑[3-4]。國(guó)內(nèi)廣大科技工作者致力于將物聯(lián)網(wǎng)、水肥一體化等技術(shù)應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)大棚[5]。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)的溫室大棚可滿(mǎn)足植物生長(zhǎng)、減少人工，緩解土地壓力，但各生產(chǎn)要素單一控制，在溫室效益提升方面還有較大空間。為確保植物長(zhǎng)期處于最佳生長(zhǎng)條件下，文獻(xiàn)[7]、[8]采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)端云平臺(tái)等技術(shù)，采集溫室內(nèi)植物生長(zhǎng)環(huán)境與植物生長(zhǎng)狀態(tài)信息并控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備動(dòng)作。目的是提高溫室對(duì)多種作物的適應(yīng)性，文獻(xiàn)[9]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)測(cè)溫室環(huán)境信息，可優(yōu)化調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)條件。目的是有效解決智能溫室環(huán)境與作物多點(diǎn)采集長(zhǎng)期存儲(chǔ)造成的數(shù)據(jù)冗雜問(wèn)題，文獻(xiàn)[10]通過(guò)構(gòu)建數(shù)據(jù)中心將各類(lèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，提高用戶(hù)查詢(xún)使用效率。

筆者結(jié)合目標(biāo)設(shè)計(jì)需求,重點(diǎn)通過(guò)在土壤和作物生長(zhǎng)環(huán)境中安裝環(huán)境各種傳感器、控制終端和電氣執(zhí)行設(shè)備，對(duì)溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)的空氣溫度、濕度、光照度、二氧化碳等氣候環(huán)境狀況和土壤溫度、水分、PH值等墑情狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理；實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物在各個(gè)生長(zhǎng)階段按照農(nóng)藝控制參數(shù)要求，達(dá)到遠(yuǎn)程或自動(dòng)進(jìn)行灌溉、卷簾、噴淋、施肥及打藥等，使作物保持在在適宜的生長(zhǎng)環(huán)境的最終目標(biāo)。

1 項(xiàng)目概況及要求

為解決果蔬供應(yīng)淡旺季的局限性問(wèn)題，內(nèi)蒙土默特左旗需要設(shè)計(jì)滿(mǎn)足當(dāng)?shù)貧夂虻臏嘏锝Y(jié)構(gòu)及配套設(shè)施——節(jié)地型內(nèi)保溫日光溫室，項(xiàng)目于2021年6月份啟動(dòng)，共建成6組溫室大棚。每組溫室建筑面積1 466.44 m2，溫室長(zhǎng)120.2 m、跨度12.2 m、后墻高4 m、頂高為6 m，溫室方位角南偏西5°，后屋面仰角為75°。主體骨架材料為熱鍍鋅帶內(nèi)幾字鋼裝配式骨架，溫室的前后屋面骨架均采用35×36×2的內(nèi)幾字鋼鍍鋅裝配式骨架，用專(zhuān)用的鍍鋅連接件連接，橫向11道25×25×1.5內(nèi)幾字鋼鍍鋅管。根據(jù)內(nèi)蒙土特默左旗的實(shí)際情況，溫室方位角采用座北朝南偏西3°～6°為宜，溫室由南向北排列，每組溫室之間相距12 m。該溫室采用壓塊機(jī)制作溫室機(jī)制土墻體，代替?zhèn)鹘y(tǒng)土墻及磚墻實(shí)現(xiàn)了溫室建造的低成本化、快速化，使其具備高效的蓄放熱性能；無(wú)立柱結(jié)構(gòu)，種植面積開(kāi)闊，采光效果好。

所開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)溫棚控制系統(tǒng)，需要滿(mǎn)足符合果類(lèi)蔬種植的溫度環(huán)境要求，頂開(kāi)窗通風(fēng)系統(tǒng)、內(nèi)遮陽(yáng)系統(tǒng)、外遮陽(yáng)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)/濕簾降溫系統(tǒng)、水肥灌溉系統(tǒng)、內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)、電供暖系統(tǒng)等配合調(diào)節(jié)，按照農(nóng)作物栽培工藝要求目標(biāo)值，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)上述系統(tǒng)控制終端保持農(nóng)作物始終處于最佳生長(zhǎng)環(huán)境中，根據(jù)以上目標(biāo)要求提出以下基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚系統(tǒng)借助物聯(lián)網(wǎng)、智慧農(nóng)業(yè)構(gòu)建集環(huán)境監(jiān)控、精準(zhǔn)調(diào)節(jié)為一體的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，對(duì)不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境及對(duì)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)管，通過(guò)傳感設(shè)備檢測(cè)環(huán)境的物理參數(shù)，對(duì)土壤、蟲(chóng)情、氣象、苗情等生產(chǎn)環(huán)境狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，為農(nóng)作物栽培工藝改進(jìn)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，促進(jìn)我國(guó)食品安全，幫助農(nóng)戶(hù)增產(chǎn)增收。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚系統(tǒng)，通過(guò)在土壤和作物生長(zhǎng)環(huán)境中安裝環(huán)境各種傳感器、控制終端和電氣執(zhí)行設(shè)備，對(duì)溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)的空氣溫度、濕度、光照度、二氧化碳等氣候環(huán)境狀況和土壤溫度、水分、PH值等墑情狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理，通過(guò)對(duì)作物長(zhǎng)勢(shì)、病蟲(chóng)害情況等進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，按照農(nóng)作物各個(gè)生長(zhǎng)階段的農(nóng)藝控制參數(shù)要求，遠(yuǎn)程或自動(dòng)控制側(cè)窗通風(fēng)系統(tǒng)、水肥一體化系統(tǒng)、外遮陽(yáng)系統(tǒng)、補(bǔ)光等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)灌溉、卷簾、噴淋、施肥、打藥等作物管護(hù)智能化，保證溫棚環(huán)境適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)溫棚系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)功能

物聯(lián)網(wǎng)溫棚系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)、無(wú)線(xiàn)傳感器和智能控制等技術(shù)應(yīng)用于溫室大棚，通過(guò)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)和現(xiàn)代溫棚設(shè)施，農(nóng)戶(hù)通過(guò)手機(jī)或計(jì)算機(jī)課遠(yuǎn)程調(diào)控作物生長(zhǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)值和高效益的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。農(nóng)戶(hù)使用該系統(tǒng)時(shí)，預(yù)先按照作物培養(yǎng)農(nóng)藝生長(zhǎng)階段需求設(shè)置環(huán)境參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)安裝的各傳感器對(duì)溫室大棚內(nèi)的溫室環(huán)境、土壤墑情和苗情狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要對(duì)空氣溫濕度、光照度、土壤溫濕度、土壤PH值、土壤養(yǎng)分、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析存儲(chǔ)，控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備動(dòng)作，同時(shí)將預(yù)警信息推送至農(nóng)戶(hù)手機(jī)，農(nóng)戶(hù)也可查詢(xún)農(nóng)技知識(shí)等，上述功能實(shí)現(xiàn)了溫棚集約化遠(yuǎn)程管控，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

物聯(lián)網(wǎng)溫棚系統(tǒng)通過(guò)安裝各類(lèi)傳感器，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境信息，包括溫室環(huán)境、土壤墑情和苗情狀況等數(shù)據(jù)，按照農(nóng)作物栽培工藝要求設(shè)置最優(yōu)環(huán)境目標(biāo)值，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)控制終端按照控制策略實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉、自動(dòng)卷簾、自動(dòng)噴淋、自動(dòng)施肥、自動(dòng)打藥，保持農(nóng)作物始終處于最佳生長(zhǎng)環(huán)境中。該系統(tǒng)對(duì)溫室大棚內(nèi)的病蟲(chóng)狀況(病蟲(chóng)種類(lèi)、病蟲(chóng)數(shù)量等)、氣候狀況(空氣溫濕度、光照度和二氧化碳含量等環(huán)境參數(shù))、土壤墑情狀況(土壤溫濕度、土壤PH值和土壤肥力等)、苗情狀況(長(zhǎng)勢(shì)、病蟲(chóng)害)進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和管理，通過(guò)GPRS/4G或網(wǎng)口將數(shù)據(jù)上報(bào)至管理平臺(tái)，農(nóng)戶(hù)通過(guò)手機(jī)可實(shí)時(shí)溫室內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況，節(jié)省人力，并根據(jù)數(shù)據(jù)反饋?zhàn)鞒鱿鄳?yīng)調(diào)整，以保證農(nóng)作物良好的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

3.1 水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水肥一體化系統(tǒng)借助壓力將可溶性固體或液體肥料與灌溉水配兌相溶，將作物灌溉與施肥兩種工藝融為一體，按照作物生長(zhǎng)需求以比例供給。在物聯(lián)網(wǎng)溫室大棚種植中，將滴灌和微噴配合使用，按照農(nóng)作物各個(gè)生長(zhǎng)階段需求設(shè)置配比，把水肥按需直接供給到作物根部土壤，系統(tǒng)控制流程如圖3所示。對(duì)于需要頻繁灌水和施肥的作物，特別是對(duì)于大規(guī)模設(shè)施農(nóng)業(yè)來(lái)說(shuō)，大大減少勞力成本、作業(yè)時(shí)間。

圖3 水肥一體化系統(tǒng)控制流程

水肥一體化系統(tǒng)給作物水肥同步供給，養(yǎng)分吸收快，可提高肥料利用率，能有效控制土壤濕度、調(diào)節(jié)作物周?chē)鷼夂颦h(huán)境、防止土壤板結(jié)，改善土壤結(jié)構(gòu)，減少作物病蟲(chóng)害發(fā)生。根據(jù)作物需求精準(zhǔn)灌溉，減少藥物施用，避免了傳統(tǒng)灌溉方式將過(guò)量肥料、農(nóng)藥沖入河道，有效減少水源污染。

3.2 系統(tǒng)平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)溫棚系統(tǒng)平臺(tái)將現(xiàn)場(chǎng)采集參數(shù)進(jìn)行分析處理，結(jié)合用戶(hù)設(shè)置的參考值，按照作物生長(zhǎng)工藝控制模型要求，不斷下發(fā)指令給執(zhí)行器改變環(huán)境參數(shù)逼近設(shè)置值，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)閉環(huán)控制，達(dá)到預(yù)期理想值。為了實(shí)現(xiàn)通信穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)安全性，上位機(jī)軟件安裝在應(yīng)用服務(wù)器上，數(shù)據(jù)庫(kù)安裝在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上，與外網(wǎng)通過(guò)安全網(wǎng)關(guān)和硬件防火墻隔離。上位機(jī)平臺(tái)軟件與終端器件之間，通過(guò)TCP/IP通信方式，基于中國(guó)移動(dòng)通信技術(shù)的GPRS/4G功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和指令下發(fā)。

現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)平臺(tái)處理后轉(zhuǎn)存到SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶(hù)可以對(duì)其中任意參數(shù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)、指定時(shí)間區(qū)間數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)，包括數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，同時(shí)，可以添加用戶(hù)經(jīng)驗(yàn)公式，分析出某一參數(shù)隨著時(shí)間的變化規(guī)律，研究環(huán)境參數(shù)對(duì)于植物生長(zhǎng)的影響。為保證終端運(yùn)行的可靠性，避免因停電和現(xiàn)場(chǎng)無(wú)市電供電影響，可采用太陽(yáng)能電池板和蓄電池作為備用電源。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

設(shè)計(jì)滿(mǎn)足當(dāng)?shù)貧夂虻臏嘏锝Y(jié)構(gòu)及配套設(shè)施——節(jié)地型內(nèi)保溫日光溫室如圖4所示。

圖4 內(nèi)蒙土默特左旗節(jié)地型皮料日光溫室

溫棚主體工程建設(shè)完后，配置應(yīng)用了所開(kāi)發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)溫棚控制系統(tǒng)，滿(mǎn)足果類(lèi)蔬種植的溫度環(huán)境要求，頂開(kāi)窗通風(fēng)系統(tǒng)、內(nèi)遮陽(yáng)系統(tǒng)、外遮陽(yáng)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)/濕簾降溫系統(tǒng)、水肥灌溉系統(tǒng)、內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)、電供暖系統(tǒng)等配合調(diào)節(jié)，按照農(nóng)作物栽培工藝要求目標(biāo)值，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)上述系統(tǒng)控制終端保持農(nóng)作物始終處于最佳生長(zhǎng)環(huán)境中，系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用界面

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中每1萬(wàn)m2溫室至少要20個(gè)人管理，在節(jié)在地型內(nèi)保溫日光溫室內(nèi)應(yīng)用此物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)后，人工減少了一半，防風(fēng)防雪抗凍能力增強(qiáng)，隔熱保溫效果好。試驗(yàn)表明在室外-30 ℃時(shí)，不采用任何增溫措施，大棚內(nèi)溫度可以達(dá)到8 ℃以上。在物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)操作下，室內(nèi)溫度白天控制在25 ℃左右，夜間控制在18℃左右。用水量由以前傳統(tǒng)噴淋方式每周7次消耗14 t，現(xiàn)在采用微滴灌方式后減少到每周2次消耗2 t，對(duì)比曲線(xiàn)如圖6所示。整個(gè)溫室的水肥、溫度、照光、氣候等植物生長(zhǎng)要素都實(shí)現(xiàn)了智能化控制，確保作物常年處于舒適的生長(zhǎng)環(huán)境中，保證作物正常生長(zhǎng)。當(dāng)出現(xiàn)溫室濕度過(guò)高、光照太強(qiáng)或太弱等報(bào)警信息后，操作人員只需要在電腦前操作，設(shè)備就自動(dòng)按照設(shè)定流程運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化管理。內(nèi)蒙土默特左旗應(yīng)用此溫棚系統(tǒng)后，豐富了果蔬品種，提高了果蔬品質(zhì)，對(duì)提高種植產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)收入，促進(jìn)當(dāng)?shù)毓吖?yīng)及市場(chǎng)發(fā)展具有舉足輕重的作用。

圖6 用水量曲線(xiàn)圖