◆王 浩

(山西農(nóng)業(yè)大學信息學院 山西 030620)

基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚管理控制系統(tǒng)設(shè)計方案分析

◆王 浩

(山西農(nóng)業(yè)大學信息學院 山西 030620)

物聯(lián)網(wǎng)在溫室大棚管理控制中的應用起到了非常突出的效果，對溫室的濕度、溫度、通風、光照等可進行詳細的分析。本文針對物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚管理控制系統(tǒng)設(shè)計方案做出了進一步探究，全面介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對物聯(lián)網(wǎng)的智能化溫室工程整體方案、具體方案、關(guān)鍵技術(shù)分析給出了指導與建議。

物聯(lián)網(wǎng)；溫室大棚；管理系統(tǒng)；設(shè)計方案

0 引言

溫室大棚管理系統(tǒng)中，要對大棚內(nèi)部的溫度、濕度、二氧化碳含量、光照強度、土壤情況實時進行掌握，可有效保障內(nèi)部農(nóng)作物在良好的環(huán)境下生長。目前，較多的大棚采用的不同的設(shè)備來保障好農(nóng)作物的生長。例如：通風系統(tǒng)、外遮陽、暖風機等。但這些設(shè)備皆需要人工進行實時監(jiān)控操作，有很多不方便之處。目前，為了給農(nóng)作物提供更好的生長環(huán)境，對大棚內(nèi)的各項參數(shù)實現(xiàn)準確的調(diào)控，逐步建立起智能大棚管理控制系統(tǒng)，對各項參數(shù)實施有效的智能調(diào)節(jié)，進行自動化管理。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡介

物聯(lián)網(wǎng)是目前發(fā)展非常迅速的一種網(wǎng)絡(luò)信息體系，其構(gòu)成的主要模塊有RFID射頻識別模塊、GPS體系和不同的傳感單元【1】。無線網(wǎng)絡(luò)屬于一種傳輸信息的媒介，是實施智能化的感知識別系統(tǒng)，互聯(lián)傳輸以及信息計算處理。

物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)體系層次通常分為：

（1）感知層。處理信息的系統(tǒng)收獲各種需要進行監(jiān)控或者處理的信息，利用RFID技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)傳感器來實現(xiàn)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。該層的主要功能負責對信息進行傳輸，其中包含網(wǎng)絡(luò)傳感器的相關(guān)信息和上層模塊傳送的控制信息。

（3）應用層。應用底層獲取的感知數(shù)據(jù)與不同的應用進行結(jié)合，完成對數(shù)據(jù)的處理以及管理。

在農(nóng)業(yè)這一領(lǐng)域中，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入，可將傳統(tǒng)的管理模式改變?，F(xiàn)代的科技水平將人力和機械改革為智能化信息管理系統(tǒng)，將農(nóng)業(yè)管理的水平進行了全面提升，并且使農(nóng)作物得到了更好的進行生長環(huán)境，提高產(chǎn)量。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化溫室工程整體方案

2.1 溫室基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

溫室利用條形的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，以磚石架構(gòu)為砌體進行砌筑。凍層低于挖深，將苯板以直立的形態(tài)放置于基礎(chǔ)的內(nèi)側(cè)實施保溫，骨架結(jié)構(gòu)是立柱鋼管。

2.2 溫室覆蓋材料

在智能溫室的頂部，覆蓋的浮法玻璃厚度為4mm，具有90%的透光率。頂部和四周的材料采用專用的鋁型材料【2】，用橡膠條將其密封好，這樣的施工使大棚具有采光和密封性能好、強度比較高和阻燃能力強的特征。

2.3 溫室通風系統(tǒng)

利用機械進行通風的形式，選擇負壓實施排風，在溫室中設(shè)立等距離的進風口。選用構(gòu)造簡單，可靠牢固、噪聲比較小的軸輪式風機。其優(yōu)勢在于安裝非常便捷，通風效果非常突出，安全性強。在進風口處加設(shè)濕簾，可起到調(diào)節(jié)溫度的作用。

2.4 內(nèi)遮陽保溫系統(tǒng)

該項系統(tǒng)利用對光照進行調(diào)節(jié)，有效的改變了內(nèi)部的整體環(huán)境。在裝置中有進行遮光的材料，可以將過強或者過多的光線進行濾除。并且，保溫材料構(gòu)成的封閉空間，可很好的起到保溫的功效。

2.5 自然通風裝置

在溫室大棚的頂部架設(shè)自動開閉窗裝置，也就是在每一個屋脊處架設(shè)電驅(qū)動的電動窗。利用定時控制以及人工對其發(fā)出的指令進行開閉的操作，在合適的自然通風環(huán)境下，室內(nèi)溫度可以得到很好的把控，更加適合農(nóng)作物的生長。

2.6 溫室灌溉系統(tǒng)

灌溉的模式一般采用噴灌與滴灌互相結(jié)合。其中，噴灌是在一定的壓力條件下將水和養(yǎng)分利用驅(qū)動噴頭旋轉(zhuǎn)均勻的進行灌溉。滴灌利用塑管將水以及養(yǎng)分利用毛管分支上的滴頭實施局部灌溉。

2.7 室內(nèi)補溫系統(tǒng)

基于溫室的建設(shè)環(huán)境是在我國的華北地區(qū)，因此對溫室進行補溫非常重要?？刹捎玫怄u燈，燈距控制在3m左右，在深冬時節(jié)便可進行補溫。

2.8 溫室控制系統(tǒng)

在溫室內(nèi)可直接引入溫室控制系統(tǒng)?，F(xiàn)代的溫室控制系統(tǒng)皆可以進行遠程對各項參數(shù)進行控制，構(gòu)成良好的灌溉環(huán)境。

2.9 施肥控制系統(tǒng)

在溫室內(nèi)該項系統(tǒng)也可以直接引入，可結(jié)合自身溫室的條件對不同的施肥控制系統(tǒng)進行選擇。目前的施肥控制系統(tǒng)皆可以通過自適應的施肥單元將肥料注入到灌溉管道中，之后再通過滴灌的模式進行施肥【3】。施肥控制系統(tǒng)已經(jīng)完全實現(xiàn)了定時進行施肥以及定量進行施肥的功能。

2.10 傳感單元

傳感單元可以設(shè)置在溫室的四周墻壁、屋頂以及土壤中，對周圍的環(huán)境進行實時測量，有效對溫度、濕度、環(huán)境情況進行控制。

3 溫室大棚系統(tǒng)具體設(shè)計方案

3.1 系統(tǒng)應用平臺設(shè)計

該項系統(tǒng)主要的功能包括傳感器對各項數(shù)據(jù)的收集和查詢、遠程控制系統(tǒng)、參數(shù)設(shè)置以及知識庫系統(tǒng)等。

傳感器查詢系統(tǒng)：每一個傳感器皆有對數(shù)據(jù)進行歷史查詢的功能，利用列表的形式進行展現(xiàn)，按時間默認進行排序。該系統(tǒng)可以按照不同的時間段進行查詢，利用以時間為橫軸，傳感器的數(shù)據(jù)為縱軸的二維趨勢圖，這樣更加方便進行查看。

預警通知預處理系統(tǒng)：該系統(tǒng)在設(shè)備現(xiàn)場會進行一系列的例行檢測，當設(shè)備存在異常現(xiàn)象時，系統(tǒng)會將信息發(fā)送至相關(guān)責任人的手機中【4】。在系統(tǒng)對溫室實施自動調(diào)節(jié)控制之后，內(nèi)部的數(shù)據(jù)參數(shù)如果仍然超出設(shè)定的數(shù)據(jù)，也會將警報信息發(fā)送至聯(lián)系人的手機中，以便責任人能夠快速對其進行相應的處理。

設(shè)備遠程控制以及參數(shù)設(shè)置：遠程控制分為手動以及自動控制，其中手動控制是利用PC終端，手機智能終端等對PLC電機、遮陽簾、側(cè)壁薄膜卷簾以及PVC管、噴頭等實現(xiàn)通風降溫以及遮陽。自動控制系統(tǒng)既為系統(tǒng)的對電機進行遠程操控，設(shè)備參數(shù)的設(shè)置主要是對遠程收集設(shè)備以及照相裝置實施參數(shù)設(shè)置。

系統(tǒng)用戶管理：該系統(tǒng)可以進行用戶登錄、角色和權(quán)限管理等功能。例如：用戶可在該項系統(tǒng)中進行增加、刪除、更改、查詢。用戶可以利用系統(tǒng)對相關(guān)數(shù)據(jù)進行調(diào)取，并且可以控制溫室內(nèi)的相關(guān)設(shè)備。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

溫室大棚系統(tǒng)硬件依據(jù)進行控制的流程可以分為三部分：收集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、執(zhí)行控制處理。（如圖一所示)利用AT89S52單片機為核心關(guān)鍵主操控器，對溫室內(nèi)的FM-KWS溫濕度傳感器、BF-FC-GZ光照傳感器、wi10171土壤溫濕度傳感器以及LC02-A1二氧化碳濃度傳感器實施參數(shù)收集。收集數(shù)據(jù)的部分應用單片機，將有待測量的不同數(shù)據(jù)變化的電流進行收集，之后對數(shù)據(jù)進行細致的處理，最后通過無線網(wǎng)絡(luò)將其傳送到數(shù)據(jù)中心，應用檢驗平臺實施算法分析，制定最后的決策，以便自動將命令發(fā)出。這樣便能很好的對溫室內(nèi)的各項數(shù)據(jù)進行控制，使溫室內(nèi)的農(nóng)作物生長環(huán)境處于最佳的狀態(tài)，提升農(nóng)作物的質(zhì)量和品質(zhì)。

圖1 硬件組成框圖

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

由于溫室內(nèi)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)對線路傳輸速率沒有較高的要求，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)進行了替代，使其更具有操作可行性【5】。ZigBee技術(shù)具有較多的優(yōu)勢，其中包括距離短、復雜程度低、功耗消耗低、成本低以及雙向通信等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于分布式的網(wǎng)絡(luò)，由在監(jiān)控范圍內(nèi)部署的大量傳感器節(jié)點構(gòu)成。傳感器在網(wǎng)絡(luò)可靈活設(shè)置，可隨意更換位置，利用無線的形式構(gòu)成多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。利用傳感器的強大功能，對監(jiān)控范圍內(nèi)被感知的對象實施數(shù)據(jù)收集，以便之后進行處理和傳輸。

4.2 溫室大數(shù)據(jù)分析

溫室內(nèi)傳感器節(jié)點收集的農(nóng)作物各項生長參數(shù)，會在大數(shù)據(jù)分析中心存儲。大量的精準數(shù)據(jù)組成了農(nóng)作物生長情況監(jiān)控，異常情況警報、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)分析、決策支持的來源數(shù)據(jù)。利用對相關(guān)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，結(jié)合分析之后的情況制定最佳參數(shù)設(shè)定值，可對農(nóng)作物的生長變化進行預測以及常見災害進行預警（如圖2所示）。

圖2 溫室大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

4.3 實施數(shù)據(jù)收集顯示分析以及參數(shù)的設(shè)置

大棚內(nèi)的數(shù)據(jù)收集主要應用傳感器定時上傳數(shù)據(jù)系統(tǒng)、視頻以及圖像動態(tài)數(shù)據(jù)系統(tǒng)。監(jiān)測的數(shù)據(jù)有設(shè)置在棚內(nèi)的監(jiān)控點負責采集獲取的，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集數(shù)據(jù)，將傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)過匯聚節(jié)點輸送至數(shù)據(jù)中心，利用WEB等形式顯示出來，傳感器節(jié)點進行數(shù)據(jù)發(fā)送的具體流程（如圖3所示）。

圖3 傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)流程圖

5 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)是目前信息發(fā)展的重要方向，可以應用該項技術(shù)將人工管理改革成智能管理，加快我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的腳步。我國是科技大國，更是農(nóng)業(yè)大國，將傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)管理利用高科技進行改變，可有效的提升農(nóng)作物的產(chǎn)量，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的大豐收。此外，農(nóng)業(yè)的巨大發(fā)展空間為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的使用提供了更加廣闊的平臺。因此，隨著該項技術(shù)的不斷發(fā)展，能夠幫助農(nóng)業(yè)發(fā)展的腳步加快，實現(xiàn)智能化生產(chǎn)以及管理，全面將我國農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展水平進行提升。

[1]梁瑞華.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚智能管理系統(tǒng)構(gòu)建[J].河南農(nóng)業(yè)大學學報，2016.

[2]廖建尚.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方法[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2016.

[3]文燕.基于物聯(lián)網(wǎng)智能溫室大棚系統(tǒng)的構(gòu)建[J].信息與

[4]王懷宇，趙建軍，李景麗，張玉新.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚遠程控制系統(tǒng)研究[J].農(nóng)機化研究，2015.

[5]潘金珠，王興元，肖云龍，趙國珍，徐楠.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014.電腦(理論版)，2015.