農(nóng)業(yè)大棚的智能化發(fā)展路徑探索

鄒玉婷，孫 波，許鑫豪，黃昌盛，古一弘，張 敏

（南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

現(xiàn)階段我國社會發(fā)展迅速，現(xiàn)代化水平日益提高，但農(nóng)業(yè)發(fā)展水平仍處在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)階段。我國利用溫室大棚的起步時間較發(fā)達(dá)國家晚，農(nóng)民大多是個體戶生產(chǎn)，制造的農(nóng)業(yè)大棚簡陋，機(jī)械化水平低，缺乏智能化設(shè)施，調(diào)控能力差，農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量受到不可控因素的影響較多，例如農(nóng)民經(jīng)驗、季節(jié)和天氣因素等，作業(yè)主要靠人力，基本沒有智能干預(yù)手段，并且農(nóng)業(yè)企業(yè)規(guī)模大多偏小，農(nóng)戶和農(nóng)業(yè)企業(yè)也未能形成良好合作[1]，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耗時耗力，農(nóng)民收入也因此受限。而美國、德國等發(fā)達(dá)國家已基本實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)種植的智能化、自動化生產(chǎn)，并設(shè)計了相應(yīng)的智能控制系統(tǒng)，例如美國采用的融氣候調(diào)節(jié)、農(nóng)田灌溉為一體的智能溫室大棚，以計算機(jī)系統(tǒng)控制環(huán)境，通過智能化手段提高了農(nóng)業(yè)大棚的經(jīng)濟(jì)效益。我國從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)民數(shù)量仍在增長，有必要對農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行智能化發(fā)展路徑探索，增加農(nóng)業(yè)資金投入[2]，擴(kuò)大農(nóng)戶和農(nóng)業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模，促成兩者之間的合作共贏[3]，提高大棚經(jīng)濟(jì)效益和農(nóng)民整體收入，促進(jìn)我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。

1 智能化對于農(nóng)業(yè)發(fā)展的推動作用

1.1 提高農(nóng)業(yè)大棚的機(jī)械化水平

國內(nèi)大多農(nóng)業(yè)大棚為鋼管大棚，以農(nóng)民承包或是利用自家土地為主要擁有方式，大棚機(jī)械化水平低[4]，基本沒有智能手段介入，浪費人力物力，管理效率低。而將智能化設(shè)施投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實現(xiàn)由成套的電氣控制系統(tǒng)、全面的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和調(diào)控操作系統(tǒng)實時調(diào)節(jié)監(jiān)測大棚，自動調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度、氣體濃度和土壤濕度等環(huán)境因子，可以極大程度減少勞動力，減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)，提高管理效率，為農(nóng)場主爭取更多空暇時間進(jìn)行休閑娛樂或從事其他工作增加額外收入，甚至在城市快節(jié)奏生活的上班族也能擁有自己的農(nóng)場，在空閑時間種植、收割作物，不必?fù)?dān)心在工作日無暇管理大棚。例如：壽光市東斟灌村菜農(nóng)李某承包的農(nóng)業(yè)大棚安裝了卷簾、電機(jī)和傳感器等智能化設(shè)施之后，種棚生產(chǎn)方式發(fā)生徹底改變，以前一天至少要在大棚里工作6 h，現(xiàn)在基本全是自動化控制，在外就可看顧大棚，省時省力，老菜農(nóng)們以前長期在大棚里干活落下的膝關(guān)節(jié)疼、腰疼等職業(yè)病，也因智能化設(shè)施的投入得到很大程度的緩解。

1.2 增強(qiáng)農(nóng)業(yè)大棚對環(huán)境因子的調(diào)控能力

國內(nèi)大多農(nóng)業(yè)大棚基本只起一定的保溫作用，使用普通建設(shè)材料，如：塑料薄膜、玻璃和鋼材等，這些普通建設(shè)材料的抗災(zāi)能力和溫室調(diào)節(jié)功能很差，如今農(nóng)民使用最多的鋼管塑料大棚在冬天大棚內(nèi)溫度只比室外高幾度。控制系統(tǒng)中的通信技術(shù)，例如普遍運用的485總線的有線方式在實際使用過程中存在許多問題，會使系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，維修較為費力。二氧化碳?xì)怏w參與植物光合作用，若大棚內(nèi)二氧化碳含量不足會造成植物無法健康茁壯生長，使農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量大打折扣，但是大多數(shù)大棚都未對氣體濃度進(jìn)行控制。近年來自然災(zāi)害對農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和農(nóng)戶人身安全也造成了不可忽視的危害，國內(nèi)多數(shù)農(nóng)業(yè)大棚沒有對自然災(zāi)害進(jìn)行有效的防護(hù)。以上所述體現(xiàn)了國內(nèi)大棚對環(huán)境因子的調(diào)控能力不足，無法對多個環(huán)境因子進(jìn)行調(diào)控，調(diào)控缺乏實時性和準(zhǔn)確性，植物生長受限，限制了大棚生產(chǎn)效率，使農(nóng)作物減產(chǎn)減收，影響農(nóng)民收入。而將智能化設(shè)施投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，采用多種參數(shù)控制并增加相應(yīng)調(diào)節(jié)裝置，使大棚對環(huán)境因子的調(diào)控更全面，具備更好的實時性和準(zhǔn)確度，優(yōu)化農(nóng)作物生長過程中的必備條件，使農(nóng)作物增產(chǎn)增收，從而提高農(nóng)場主收入。例如：在壽光市洛城街道的現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)科技園，智能化溫室大棚通過優(yōu)化蔬菜生長的溫度、光照、濕度和氣體濃度等必備條件將8 hm2的智能化溫室年產(chǎn)量提升近3 000 t，對比以前普通的農(nóng)業(yè)大棚，現(xiàn)在一個智能化大棚年均利潤可以達(dá)到30萬元。截至2021年，壽光市已建成1.6萬個智能化大棚，農(nóng)民每年直接增收5億元。

1.3 豐富農(nóng)業(yè)大棚種植品種的多樣性

國內(nèi)農(nóng)業(yè)大棚主要用來種植時令蔬菜和水果，此類時令作物大多要等到市面上反季蔬菜和水果上市銷售之后才會成熟，因而價格低于反季節(jié)預(yù)先上市的蔬菜水果，農(nóng)民收入也往往因此受限。智能化溫室大棚可以實現(xiàn)春季蔬菜水果提前上市、秋季蔬菜采收期延后和冬季蔬菜生產(chǎn)，通過錯開蔬菜生產(chǎn)季節(jié)來實現(xiàn)全年的蔬菜供應(yīng)。例如：魯山縣張良鎮(zhèn)灣張村新建了一座座智慧暖棚，大棚的承包戶紛紛認(rèn)為暖棚用上智能化設(shè)施后，干活輕松很多，大棚收入也增加不少，除了整地的時間，大棚基本一年四季都能夠種植蔬菜瓜果，四季大棚內(nèi)溫度適宜，冬季基本不會低于9°C，夏季基本在38°C以下，一年可以種兩茬至三茬，大棚能夠種植反季節(jié)蔬菜水果或是一些對環(huán)境因子要求較高的新品種，收益比原來高很多，比如農(nóng)民的智能大棚內(nèi)種植新品種甜瓜，再種一季蔬菜，畝產(chǎn)值一共可以在3.5萬元以上。

2 農(nóng)業(yè)大棚的智能化方案總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的智能大棚擁有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)控制、數(shù)據(jù)顯示和調(diào)節(jié)控制四大系統(tǒng)，將四大系統(tǒng)相互聯(lián)系，成套的電氣控制系統(tǒng)、全面的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和調(diào)控操作系統(tǒng)實時調(diào)節(jié)監(jiān)測大棚，自動調(diào)節(jié)土壤濕度、氣體濃度和光線強(qiáng)度等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)接線

PLC外圍接線圖如圖2所示，AI模擬量輸入，I（DI）數(shù)字量輸入，Q（DO）數(shù)字量輸出，PLC型號S7-1200，CPU型號CPU1214C，模擬量輸入信號模塊SM-1231AI。

圖2 系統(tǒng)接線圖

2.3 系統(tǒng)建模

根據(jù)智能大棚的系統(tǒng)總體設(shè)計，使用CAD、CAE技術(shù)在Soliworks中建立虛擬智能化農(nóng)業(yè)大棚。虛擬大棚由傳感器、風(fēng)機(jī)、墻燈和電機(jī)等裝置構(gòu)成，系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)模型圖

3 系統(tǒng)的裝置選型

3.1 前端

3.1.1 溫度傳感器

主要采用LM35模塊，工作電壓范圍為4～30 V，額定溫度范圍為-55～150°C，適用于遠(yuǎn)程應(yīng)用。LM35傳感器可以隨不同的溫度變化而產(chǎn)生不同的電壓，兩者之間關(guān)系為線性關(guān)系，每升高1°C，輸出電壓增加10 mV。

3.1.2 濕度傳感器

主要采用WHTM-02模塊，額定電壓為DC 5 V，濕度檢測范圍為20%～100%rh，精度為5%rh。依據(jù)不同的線性電壓輸出方式，可選擇0～5 V，或0～3.3 V輸出等。本實例中決定采用0～3.3 V的輸出，使輸出電壓與檢測I/O口匹配。

3.1.3 光照傳感器

主要采用BH1620FVC模塊，其本質(zhì)為環(huán)境光傳感器。該模塊采用小型貼片封裝，內(nèi)置開關(guān)功能，對輸出電流可進(jìn)行三級調(diào)壓。該產(chǎn)品耐溫范圍為-40～85°C，波長為560 nm，輸出電流最大值為7.5 mA，供應(yīng)電壓為2.4～5.5 V，響應(yīng)時間在 45～128 μs之間，反應(yīng)速度快，符合要求。

3.1.4 一氧化碳傳感器

主要采用MQ-7模塊，其類型為氣敏材料二氧化錫（SnO）2的半導(dǎo)體氣體傳感器，檢測濃度在10～500 mg/L CO，輸出信號為電壓的變化量，范圍在2.5～4.3 V之間。在正式測溫前需要對其進(jìn)行加熱，時長為60～90 s。在標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下預(yù)熱時間不少于48 h。

3.1.5 二氧化碳傳感器

主要采用MH-Z14模塊，其具有響應(yīng)速度快、輸出方式多樣化和使用壽命長等優(yōu)點。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，工作電壓為 4.5～5.5 V，使用溫度在 0～50°C，據(jù)其測量量程不同可分為0～2 000 mg/L或0～1%Vol。輸出電壓信號在0.4～2 V之間，對應(yīng)氣體濃度為0到滿量程。

3.1.6 煙霧傳感器

主要采用MQ-2煙霧檢測模塊，產(chǎn)品類型為半導(dǎo)體氣敏元件，探測范圍為300～10 000 mg/L。該產(chǎn)品需在預(yù)熱48 h后才可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)測試條件，加熱電壓為5 V，模擬量輸出為2.5～4 V電壓，濃度越高電壓越高。在過程中需要盡量做到防水，并且給予相對穩(wěn)定的電壓。

3.1.7 紅外傳感器

主要采用模塊SGXV02系列實現(xiàn)非接觸式溫度測量。儲存溫度為-40～125°C，檢測溫度為-30～100°C，測量精度約為0.1～0.3°C，在一定距離時，能檢測視野角為112°，相距5 cm的物體的溫度。其輸出為0～3.3 V電壓，熱電堆電阻在25°C的條件下在280～420 kΩ間選擇。

3.2 中端控制器

采用S7-1200型號，這是一款緊湊型、模塊化的PLC，可完成簡單邏輯控制、高級邏輯控制、HMI和網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)[5]。CPU選擇CPU1214C，連接8個信號模塊與3個通信模塊，便于實現(xiàn)端到端的串行通信。

3.3 建設(shè)材料

以新型覆蓋材料聚碳酸脂板（PC板）作為建設(shè)材料，比普通的建設(shè)材料有更好的抗災(zāi)能力和溫室調(diào)節(jié)能力。

4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

對于設(shè)計的PLC運動控制系統(tǒng)，整體的運動思路為：控制器、驅(qū)動器、電機(jī)，由控制器驅(qū)動使電機(jī)執(zhí)行，人機(jī)交互（HMI）采用的是KP300界面，控制器采用的S7-1200的PLC。人機(jī)交互面板的數(shù)據(jù)通過PROFINET以太網(wǎng)的方式與CPU連接。

4.1 系統(tǒng)控制過程

傳感器采集數(shù)據(jù)通過電信號傳輸至PLC模塊，經(jīng)PLC模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號傳輸至電腦端顯示器顯示，同時反饋到調(diào)控操作系統(tǒng)進(jìn)行動作，針對不同環(huán)境因子的具體調(diào)控過程如下。

4.1.1 光照

使用光照傳感器采集相應(yīng)的光照信息，當(dāng)大棚內(nèi)部光照傳感器檢測到室內(nèi)光照強(qiáng)度低于設(shè)定的最低值，輸出打開燈光系統(tǒng)指令，對植物光合作用進(jìn)行補償。實時檢測對比大棚內(nèi)外光照強(qiáng)度，當(dāng)大棚外光照強(qiáng)度滿足設(shè)定最低值，輸出關(guān)閉大棚內(nèi)燈光系統(tǒng)指令，在外部光照減弱時再次進(jìn)行啟動。該補償能提高植物的光合作用效率等。

4.1.2 濕度

使用濕度傳感器分散化采集土壤濕度變化，當(dāng)大棚內(nèi)部濕度低于系統(tǒng)設(shè)定最低濕度值，輸出打開噴淋系統(tǒng)指令，通過淋灑清水來增加土壤的濕度，并在持續(xù)噴灑3 min后自動輸出關(guān)閉指令。該補償能在部分干旱地區(qū)中一定程度上有效防止旱災(zāi)等。

4.1.3 溫度

使用溫度傳感器采集大棚內(nèi)部相應(yīng)的溫度變化信息，當(dāng)大棚內(nèi)溫度低于設(shè)定的最低值，則使卷簾機(jī)放下簾子。通過釋放卷簾，加強(qiáng)大棚的隔熱性，從而可以適當(dāng)提高大棚內(nèi)總體溫度。同時對大棚內(nèi)溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)大棚外溫度滿足設(shè)定最低值時，依靠外部條件也能保持相對恒定的溫度，則輸出拉起卷簾的指令。

4.1.4 氣體CO2

使用二氧化碳傳感器采集大棚內(nèi)部氣體比例信息，當(dāng)大棚內(nèi)部氣體CO2比例高于或低于外部氣體比例時，發(fā)出打開鼓風(fēng)機(jī)指令，通過鼓風(fēng)機(jī)換風(fēng)，并在檢測內(nèi)外比例相近或鼓風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)持續(xù)10 min后發(fā)出關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)指令，可適當(dāng)進(jìn)行人工干預(yù)調(diào)整（比如棚內(nèi)燃燒燃料等）。

4.1.5 氣體CO

使用一氧化碳傳感器檢測相應(yīng)氣體，判斷棚內(nèi)CO濃度高于設(shè)定值時，打開CO濃度過高警報，發(fā)出啟動鼓風(fēng)機(jī)指令進(jìn)行換風(fēng)，輸出打開噴淋系統(tǒng)指令，噴灑NH3溶液，并在檢測室內(nèi)氣體比例低于額定范圍后或鼓風(fēng)機(jī)持續(xù)10 min后發(fā)出關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)指令。該指標(biāo)過高存在一定的火災(zāi)風(fēng)險，也可對災(zāi)難預(yù)警有一定參考價值。

4.1.6 紅外煙霧

使用紅外與煙霧報警器檢測相應(yīng)指標(biāo)，當(dāng)紅外溫度與煙霧指標(biāo)任一一個值達(dá)到預(yù)警線后，隨機(jī)發(fā)出打開消防噴淋系統(tǒng)指令，并使火災(zāi)警報指示燈閃爍。為保證大棚整體安全，該報警指令只能手動結(jié)束警報。

4.2 控制界面設(shè)計

設(shè)計的交互界面能與輸入輸出端共同聯(lián)系，實時監(jiān)控系統(tǒng)的檢測值，并可實現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。將前端傳感器反饋的溫度、濕度和光照強(qiáng)度值顯示于相應(yīng)的實時顯示框中，并且與設(shè)置的最低值相對應(yīng)。若實時值超出所設(shè)置范圍，則PLC發(fā)出對應(yīng)指令，同時在顯示器上相應(yīng)的調(diào)節(jié)燈由綠變紅。若產(chǎn)生CO過高或者出現(xiàn)火災(zāi)報警等情況，則對應(yīng)指示燈變紅，同時發(fā)出警報聲進(jìn)行提醒。最后，對后端發(fā)生動作后，界面上的顯示燈由綠變紅，執(zhí)行結(jié)束后變綠。同時，為了能更好地對比分析數(shù)據(jù)，防止外部條件達(dá)到設(shè)定范圍，足以使大棚內(nèi)條件保持一定水準(zhǔn)，而內(nèi)部依舊進(jìn)行補償造成能源浪費的狀況，采用內(nèi)外2個傳感器的檢測模式形成數(shù)據(jù)對比，以此更精準(zhǔn)地對系統(tǒng)進(jìn)行打開與關(guān)斷，防止無用補償情況的發(fā)生。

為適應(yīng)不同農(nóng)作物所需的生長條件，本設(shè)計采用了2套設(shè)置模式，分別為自動模式與手動模式。自動模式即為設(shè)定不同的農(nóng)作物，根據(jù)農(nóng)作物生長條件的普適性，采用系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的相應(yīng)參數(shù)，在規(guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)計界面如圖4所示。手動模式是為應(yīng)對各個地方農(nóng)作物生長環(huán)境的差異，從而允許人們進(jìn)行手動參數(shù)設(shè)置，以滿足生長的獨特性，設(shè)計界面如圖5所示。

圖4 自動模式視圖

圖5 手動模式視圖

5 數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)

5.1 數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)的實現(xiàn)

傳感器采集數(shù)據(jù)通過電信號傳輸至PLC模塊，經(jīng)PLC模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號傳輸至電腦端顯示器顯示，電腦端顯示數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)共享（Teamviewer等）顯示到手機(jī)上。

5.2 數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)的作用

農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)雖然有著一定的保護(hù)設(shè)施，但由于保護(hù)設(shè)施簡陋，自然災(zāi)害近年來也頻頻發(fā)生，對產(chǎn)量、效益的提高和人身安全的危害極大，但是調(diào)研發(fā)現(xiàn)大多數(shù)大棚都未對自然災(zāi)害進(jìn)行較為有效的防護(hù)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)可以讓農(nóng)場主不在大棚附近也能時時刻刻對大棚里的情況了如指掌，萬一發(fā)生緊急自然災(zāi)害，能夠第一時間知曉并且付諸行動，數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)的作用再加上PLC控制系統(tǒng)對自然災(zāi)害做出的應(yīng)急措施，可大大減少大棚農(nóng)作物因自然災(zāi)害產(chǎn)生的損失，提高農(nóng)場主收入。

6 結(jié)束語

農(nóng)業(yè)大棚的智能化發(fā)展路徑探索，能夠提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，及時有效地對大棚內(nèi)多個環(huán)境因素進(jìn)行調(diào)控，保證農(nóng)作物健康生長，并且一定程度減少災(zāi)害帶來的損失，極高的自動化程度減少人力，即使農(nóng)場主平日忙于其他工作無暇顧及農(nóng)場也能進(jìn)行自動調(diào)控使農(nóng)作物茁壯成長，上班族也能夠擁有自己的大棚。智能化的農(nóng)業(yè)大棚不僅可以使農(nóng)場主擁有更多空閑時間，還可增加農(nóng)場主的額外收入，對于提高我國農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)力和現(xiàn)代化水平具有重要意義。