基于物聯網的食用菌日光溫室終端控制研究*

崔玉萍，席雪琴

（武威職業學院，甘肅 武威 733000）

近年來，我國現代化農業產業結構不斷調整，一些新興農業如食用菌產業逐漸興起。黨的十八大以來，食用菌種植產業一直朝著專業化、規模化、多樣化方向發展，成為西北地區重要的農業特色優勢產業。2021年，中國蔬菜流通協會授予武威市“中國食用菌之鄉”的美譽。食用菌具有高蛋白、低脂肪的特點，富含人體所需的多種氨基酸和微量元素，葷素食均可與之搭配[1]。食用菌是低等植物，不需要光合作用，只需提供較好的空氣溫濕度和較多的水它就可以生長得很好。只要栽培所需的條件合適，一年四季都可以生產食用菌，不再依賴季節條件，根據市場的供求和生產周期就能隨時安排培育時間。在習近平總書記提出的大農業觀、大食物觀理念的指導下，充分貫徹國家關于農業新發展的理念。目前，武威市及其下轄縣區食用菌專業技術人才缺乏，很難滿足產業發展對于技術支持的需求。因此，課題組通過將農業物聯網技術與食用菌生產相結合，研究設計了一套用于食用菌生產的日光溫室終端控制系統，以有效解決食用菌日光溫室培育過程中光、溫、水、氣、肥等精準化管理的問題[2]。該系統不僅可以極大地降低生產過程中的人力及時間成本，而且可以提高食用菌的生產效率并改善其品質。

1 系統目標任務和技術難點

1.1 目標任務

1）建立基于物聯網技術的食用菌日光溫室終端控制系統，將有效解決食用菌栽培過程中對于光、溫、水、氣等精準化管理的問題，為解決武威地區食用菌產業化發展所面臨的現實困境提供參考。

2）通過基于物聯網技術的遠程終端控制實現對食用菌日光溫室的管理，實時監測食用菌日光溫室內的土壤溫度等數據。在大風、極高溫、極低溫等突發災害性天氣來臨時，可實現對幾十座乃至上百座日光溫室的卷放簾進行同時操控的目標，實現無人值守。通過App客戶端、微信服務平臺、手機短信、WAP網站等實時掌握日光溫室內小氣候環境的變化情況，并根據日光溫室終端控制系統的性能指標、技術規范和生產建議，實現對日光溫室的精細化管理，使食用菌盡可能在適宜的環境條件下生長、發育，有利于提高食用菌的產量和種植收益[3]，提高勞動效率，減輕勞動強度，同時減少了氣象災害造成的損失。

1.2 技術難點

在食用菌日光溫室的施工建設中，要求溫室溫度保持在8 ℃~30 ℃之間，根據外部條件實施調控[4]，實現冬季保暖、夏季遮陰降溫的效果。如在食用菌生產階段，日光溫室要降低溫度，必須通過卷簾遮蔽、噴水等方式來降溫，但通風過程中風速不應過高，也不能直吹向食用菌體。為此，須研發一款食用菌日光溫室專用的PLC可編程控制器，支持參數變更，既能控制大棚卷簾，也能控制氣窗，并且預留富裕接口用來控制光照及灌溉等，同時可以支持以太網、GPRS、Wi-Fi、ZigBee、短信等功能。所以該器件須自行設計，交由專業公司制版焊接，然后返回測試，此為技術關鍵點。

1）卷簾電機控制器。該控制器為關鍵器件，控制卷簾電機正反轉帶動卷簾開啟與關閉。但目前該器件多由大功率交、直流接觸器組合構成，在實際使用中接線復雜，占用空間大，且會產生較大的電磁干擾。擬研究一種電機控制器，以便簡化終端的接線并減小體積。

2）日光溫室氣窗開閉機構。作為日光溫室溫度與濕度的調整窗口，氣窗開閉機構的靈活性和可靠性至關重要。目前，氣窗開閉主要使用長臂加電機和鋼絲加電機兩種形式，但這兩種機構各有優缺點，共同的缺點是存在開閉不到位或到位不停機的現象，容易造成日光溫室溫度與濕度調整不及時，從而影響作物生長。擬研制一種新型日光溫室氣窗開閉機構，力求機構簡單、安裝方便，彌補上述不足。

2 系統技術要求和創新點

2.1 系統技術要求

1）日光溫室氣窗開閉機構、可編程控制器研發和控制系統優化。

2）研發日光溫室氣窗開閉機械行走控制機構，可以及時接受指令開閉氣窗，同時簡化終端的接線并減小體積。

3）研發機電一體化控制箱體，要求無干擾，可以精確控制卷簾和氣窗。

4）PLC控制器研發，其研發流程圖如圖1所示。

圖1 可編程控制器研發流程圖

①溫室閉環控制系統運用PLC控制器對系統軟件分析出來的結果進行調節分析，所有參數根據食用菌的生長需求設置。

②獲取溫室內食用菌的生長參數，依據此參數對節點進行設計，節點設計時整合溫濕度、CO2、光照等數據選擇傳感器，再根據功能不同對子節點和主節點進行設計[5]。

③系統以溫室內食用菌的生長參數和特點為模型開發一套專用的參數分析軟件包，對傳感器節點收集的食用菌各項生長參數進行數據處理、分析、整理、優化，最后通過閉環系統控制終端的調節，使作物在最佳的生長環境下快速生長。

5）優化服務器后臺服務軟件及手機客戶端App。服務器后臺軟件及App除了需要滿足對日光溫室集群的控制、實時存儲監控日光溫室采集器上傳的數據、及時發布氣象災害預警信息及各類氣象信息外，還需要完善歷史查詢、操作記錄、專家論壇、農業知識、視頻監控、氣象調控等功能。

6）基于物聯網技術的日光溫室終端控制研究與推廣。

2.2 創新點

搭建物聯網食用菌日光溫室終端控制系統，以日光溫室食用菌的生長參數作為監測的主要對象，對日光溫室進行精準化、智能化控制，有效改善傳統日光溫室栽培過程中生產效率低的情況，運用物聯網等多項控制技術對食用菌生長的小氣候環境進行精準測量、傳輸、存儲、分析、控制，可以有效提高農作物生產效益，同時為食用菌種植戶取得經濟效益，助力鄉村振興。

2.3 經濟、社會、生態效益

食用菌日光溫室終端控制系統是基于物聯網技術建立的一種集遠端控制、自動控制、手機客戶端控制及本地手動控制于一體的智能終端控制系統。該系統可以實時采集日光溫室內溫度、濕度、地面溫度、CO2、光照、風力（置于日光溫室外）等數據，并存儲數據上傳至上位機進行處理，把處理后得到的數據與食用菌所需的最佳生長環境參數進行比較分析，進行反饋控制、調節，優化控制過程，最終達到測試、分析、調節、測試的閉環最佳控制[6]。模擬建立一個適合食用菌生長的氣候條件，適時提供檢測溫度、濕度、CO2等數據，創造一個人工氣象環境。在模擬的食用菌最佳生長環境中保證農作物可以實現反季節高產，可以不再完全依賴自然條件。同時，為規范市場、穩定市場秩序，日光溫室控制系統需建立配套的終端控制系統性能指標技術規范，以確保控制系統安全、可靠、有效，可以為規模化、高效化種植和推廣優質品種提供有力保障。

在武威市推廣與應用日光溫室終端控制系統，可以填補武威地區食用菌栽培日光溫室智能化控制技術的空白，并對農業設施設備（如蔬菜溫室大棚、養殖溫室等）智能控制設備進行規范化管理，同時對于統一規范武威地區食用菌日光溫室自動控制裝置設計、制造、安裝行為，提供具有科學性、公正性、權威性的指導。此外，對于行業的良性競爭及優勝劣汰起到促進作用，保障有關設備運行穩定、準確、快速、高效。另外，可以派遣團隊走村入戶，推廣食用菌栽培技術，使更多農戶栽培食用菌，提高農戶收入，助力鄉村振興。

3 系統結構

3.1 物聯網系統搭建

物聯網技術是當前農業信息化技術發展的主要方向之一。首先，將物聯網技術引入農業生產，能夠實現農業智能化、高效化，改變傳統的農耕生產管理模式，使現代農業朝著信息化與產業化方向發展。其次，農業產業化發展也為物聯網技術的推廣與應用提供了平臺。物聯網是以傳感器技術為載體的新網絡，在現代智慧農業中，大量的傳感器節點構建了全方位的監控網絡，通過多個傳感器采集數據結合農作物生產的各項環境參數，最終實現物物相聯的目標，可以幫助農戶及時發現問題，準確地捕捉發生問題的位置，對農作物生產過程如耕作、播種、施肥、灌溉等田間作業進行數字化、智能化控制，提高農業投入的資源利用率和生產效率[7]。建立基于物聯網技術的食用菌日光溫室終端控制系統，能提供一種集遠端控制、自動控制、手機客戶端控制及本地手動控制于一體的智能終端控制系統，實時采集日光溫室食用菌的生長數據，通過控制器進行數據處理分析，再進行反向控制、調節。物聯網與日光溫室結合如圖2所示。

圖2 物聯網與日光溫室結合圖

3.2 溫室現場控制系統搭建

智能溫室現場控制系統會執行各類執行機構的控制命令。該系統設計的食用菌日光溫室智能終端控制系統，下位機控制是基于PLC控制器實現的，在日光溫室控制系統中采用多個傳感器（溫度、濕度等）對溫室大棚環境中各項參數進行監測，將測量結果傳輸到PLC中，在PLC中將其與設定值進行分析比較，PLC再發出相應的指令驅動外圍設備來調節控制溫室大棚內的環境參數，從而實現對溫室大棚的精準控制[8]。在此過程中，各項監測數據都會在顯示屏上顯示[9]，實現了人機界面可以在終端顯示的效果。該系統核心部件是可編程控制器，通過多個傳感器對溫室環境的各項參數進行實時監測，PLC將參數轉為電流信號后輸送給模擬量輸入模塊進行分析處理，輸出開關量信號，利用多個驅動電路控制通風換氣扇、風機、卷簾等多種執行機構，實現對溫室現場的智能化、精準化控制[10]。該系統可以通過上位機PC和下位機PLC之間的組態軟件實現實時通信，完成人機交互的功能[11]。下位機采集到的溫室參數的實時值、執行機頭的狀態、報名與否等溫室內參數信息可以通過控制終端軟件進行實時監控，并將監控結果顯示在界面上。

3.3 溫室終端控制系統搭建

溫室智能控制終端是通過收集傳感器反饋的數據，對食用菌生產參數的需求數據進行存儲、分析、顯示，經大數據處理后以表格或圖表的形式展現給用戶，以實現遠程監測、遠程控制和預警等功能[12]。物聯網智能溫室大棚控制終端軟件主要有手機App、平板應用、PC應用以及微信公眾號或小程序等。包含手機App平臺和網頁版平臺，其中手機App部署在具有Android操作系統的手機上，以網絡瀏覽器作為應用對象的終端控制系統，旨在提供遠程控制輸出（繼電器、開關量）、模擬量（4 mA~20 mA、0 V~10 V、0 V~5 V）采集、開關量采集報警等服務。

基于物聯網的溫室終端控制系統通過多個傳感器（溫度、濕度等）對各項環境參數進行采集，將采集的信息傳輸給PLC控制器進行數值處理[13]，PLC通過信息反饋來調控溫度，控制遮陽、通風、澆水等操作，實現溫室農作物生長各項參數的精準化、智能化控制。溫室大棚自動控制系統的應用不僅可以精準調控溫室內小氣候環境，提供符合農作物生長需求的最佳參數，還可以實現農作物的高效生產、反季節生產，提高食用菌等農作物的質量和生產效率。

4 結語

基于物聯網的食用菌日光溫室終端控制系統，結合了武威地區干旱性氣象特點，可以有效解決氣象要

素與日光溫室各項參數融合的問題，實現對溫室的智能化、精準化控制。同時，按照食用菌農藝要求，建設適宜食用菌生長的最佳環境，可以有效提高農業生產效率，實現農業設施智能控制設備的規范化管理。此外，在農業生產中，推廣食用菌日光溫室現代化、智能化控制技術，可以有效促進食用菌產業規模化、標準化、品質化轉變，促進農戶增收致富，助力鄉村振興。