周建軍+趙國新+王秀+劉建東
摘要:開發(fā)了連棟溫室番茄生長環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng),可無線遠(yuǎn)程監(jiān)測連棟溫室番茄生長微環(huán)境數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)際需求,在特菜大觀園西區(qū)連棟溫室內(nèi),布置了9個(gè)無線監(jiān)測點(diǎn),每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)可定時(shí)采集番茄3個(gè)高度(冠層、中部、根部)的空氣溫濕度、2個(gè)高度(冠層、中部)的光照強(qiáng)度、冠層光合有效輻射、CO2濃度等信息。該物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)采集了連棟溫室番茄生長環(huán)境因子數(shù)據(jù)2萬余條,數(shù)據(jù)分析表明夏天連棟溫室內(nèi)中午番茄冠層溫度比番茄根部溫度高2~5 ℃,溫室內(nèi)各個(gè)位置CO2濃度差異較小,各位置的光照度變化趨勢相似。
關(guān)鍵詞:番茄;環(huán)境監(jiān)測;連棟溫室;光照度;物聯(lián)網(wǎng)
中圖分類號(hào): TP274文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào):1002-1302(2017)17-0222-04
收稿日期:2017-03-08
基金項(xiàng)目:國家“863計(jì)劃”(編號(hào):2012AA10A503);北京石油化工學(xué)院國家級(jí)大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動(dòng)計(jì)劃;北京市自然科學(xué)基金(編號(hào):6142011)。
作者簡介:周建軍(1977—),男,河北懷安人,博士,副教授,主要從事農(nóng)業(yè)智能裝備研究。E-mail:zhoujianjun@bipt.edu.cn。
通信作者:劉建東,碩士,教授,主要從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)安全研究。E-mail:liujiandong@bipt.edu.cn。番茄是我國乃至世界最重要的園藝產(chǎn)品之一,如何科學(xué)、合理、準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)設(shè)施內(nèi)環(huán)境因素,促進(jìn)果實(shí)生長、提高單果質(zhì)量,進(jìn)而增加產(chǎn)量具有重要意義[1-2]。溫室環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代溫室生產(chǎn)自動(dòng)化、高效化最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。無線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)靈活,可遠(yuǎn)程訪問數(shù)據(jù),無需布線[3-6],因此選擇無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溫室環(huán)境監(jiān)測。郭文川等利用WSN 設(shè)計(jì)了一款具有功耗低、組網(wǎng)靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的溫室環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng),能較好地滿足溫室環(huán)境監(jiān)測需求[7]。馬海龍等采用ZigBee無線傳輸技術(shù)開發(fā)了一套智能日光溫室監(jiān)控系統(tǒng),可以對空氣溫濕度、土壤含水率、CO2濃度以及光照度進(jìn)行檢測,并通過控制模塊實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的合力調(diào)控[8]。溫室作物微環(huán)境存在一定差異,溫室微環(huán)境研究對作物生長和立體種植都有重要的意義[9]。本研究利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),開發(fā)了連棟溫室番茄生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),監(jiān)測現(xiàn)代化溫室番茄生長微環(huán)境信息,分析溫室番茄生長環(huán)境數(shù)據(jù),研究連棟溫室條件下不同高度番茄冠層溫濕度、光照度和CO2濃度等的差異,旨在為溫室環(huán)境調(diào)控和立體種植提供數(shù)據(jù)支持。
1系統(tǒng)設(shè)計(jì)
連棟溫室蔬菜生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)由溫室蔬菜生長物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測網(wǎng)站、溫室蔬菜生長無線監(jiān)測系統(tǒng)、中心節(jié)點(diǎn)、無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和傳感器組成。溫室蔬菜生長無線監(jiān)測系統(tǒng)部署在計(jì)算機(jī)上,通過RS232串口連接中心節(jié)點(diǎn),無線采集節(jié)點(diǎn)采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)連接中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)是地址為0的ZigBee無線節(jié)點(diǎn),可以發(fā)送數(shù)據(jù)、采集指令并接收各個(gè)無線采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。無線采集節(jié)點(diǎn)可以采集監(jiān)測點(diǎn)番茄3個(gè)高度的溫濕度、2個(gè)高度的光照度、CO2濃度、光合有效輻射等環(huán)境數(shù)據(jù)。通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送無線采集節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)信息到溫室蔬菜生長無線監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)總體框架如圖1所示。
1.1溫室蔬菜生長無線監(jiān)測系統(tǒng)軟件
溫室蔬菜生長無線監(jiān)測系統(tǒng)軟件(簡稱主機(jī)系統(tǒng))可以采集、顯示各個(gè)無線采集節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境數(shù)據(jù),并能定時(shí)存儲(chǔ)、查詢和導(dǎo)出監(jiān)測數(shù)據(jù),系統(tǒng)主界面如圖2所示。主機(jī)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)存入本地SQL Server 數(shù)據(jù)庫和遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)庫可以為溫室蔬菜生長物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測網(wǎng)站提供數(shù)據(jù)。
1.1.1主機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程主機(jī)系統(tǒng)軟件采用輪詢的方式采集各個(gè)無線采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。主機(jī)系統(tǒng)主動(dòng)查詢各個(gè)節(jié)點(diǎn),各個(gè)節(jié)點(diǎn)接到數(shù)據(jù)指令后上報(bào)數(shù)據(jù)的方式比采用各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)的方式系統(tǒng)可靠性高,可避免數(shù)據(jù)丟失。主機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程為:數(shù)據(jù)查詢命令→中心主站 →中繼路由→無線采集節(jié)點(diǎn)→IO 數(shù)據(jù)返回→中繼路由→中心主站→主機(jī)系統(tǒng)。主機(jī)系統(tǒng)主動(dòng)輪詢各個(gè)無線采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流程如圖3所示。主機(jī)系統(tǒng)查詢1個(gè)節(jié)點(diǎn),并啟動(dòng)超時(shí)定時(shí)器,如果設(shè)定時(shí)間內(nèi)指定節(jié)點(diǎn)沒有響應(yīng),則查詢下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。
1.1.2數(shù)據(jù)協(xié)議解析主機(jī)系統(tǒng)安裝在連棟溫室監(jiān)控室內(nèi),通過串口連接中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)觸發(fā)主機(jī)系統(tǒng)串口處理函數(shù),串口處理函數(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議可解析各個(gè)無線采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采用十六進(jìn)制格式傳輸,可減小使用文本傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包長度。數(shù)據(jù)查詢的協(xié)議格式為:0x10+0x07+4位十六進(jìn)制節(jié)點(diǎn)地址+0xFF。主機(jī)系統(tǒng)定時(shí)采集各個(gè)無線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),如該系統(tǒng)1 min采集1次各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),各個(gè)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)采集指令后以十六進(jìn)制形式上報(bào)數(shù)據(jù),這樣可避免數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù),造成主機(jī)系統(tǒng)串口的堵塞和數(shù)據(jù)通訊的混亂,進(jìn)而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并且可以減小數(shù)據(jù)解析難度。
溫室監(jiān)控中心主機(jī)通過串口連接ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)SZ02。各個(gè)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)查詢指令后將數(shù)據(jù)發(fā)送至中心節(jié)點(diǎn)SZ02。因此番茄生長監(jiān)測主機(jī)系統(tǒng)軟件中串口可以定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)上傳指令并接收各個(gè)無線生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)。溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采用十六進(jìn)制傳輸,1條完整的語句包括數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)長度、環(huán)境數(shù)據(jù)。
1.2溫室番茄生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測網(wǎng)站
溫室番茄生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測網(wǎng)站如圖4所示,網(wǎng)站可以通過節(jié)點(diǎn)編號(hào)查詢歷史監(jiān)測數(shù)據(jù),也可以查詢某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的各個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)。網(wǎng)站使用Java和JSP開發(fā)完成,網(wǎng)站發(fā)布后可供用戶查詢溫室監(jiān)測數(shù)據(jù)。網(wǎng)站查詢結(jié)果數(shù)據(jù)可以Excel文件格式導(dǎo)出,以供用戶分析使用。
1.3無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)
無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要由ZigBee無線采集模塊、CO2傳感器、空氣溫濕度一體傳感器、光照度傳感器和光合有效輻射傳感器組成。ZigBee無線采集模塊可以采集12路4~20 mA的電流信號(hào)。每個(gè)無線采集模塊都包括1個(gè)8位地址,用來標(biāo)志該采集節(jié)點(diǎn)。該系統(tǒng)中溫室無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采集了7個(gè)傳感器數(shù)據(jù),包括3個(gè)溫濕度傳感器、2個(gè)光照傳感器、1個(gè)CO2傳感器和1個(gè)光合有效輻射傳感器,并把采集數(shù)據(jù)通過ZigBee無線鏈路發(fā)送出去。其中CO2傳感器選用TGP-CO2型傳感器,該傳感器內(nèi)置NDIR 紅外CO2 傳感器,帶RS485輸出,可以輸出4~20 mA 的CO2濃度、空氣溫濕度模擬信號(hào)。ZigBee無線采集模塊支持?jǐn)?shù)據(jù)主動(dòng)上報(bào)和查詢方式上報(bào)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)中主動(dòng)上報(bào)時(shí)間設(shè)置為0,采用查詢方式上報(bào)數(shù)據(jù)。由于1次上報(bào)的數(shù)據(jù)包較長,故采用十六進(jìn)制形式上報(bào)數(shù)據(jù)。endprint
天線無線傳輸距離標(biāo)稱2 km,試驗(yàn)測定無線傳輸在溫室環(huán)境下400 m距離內(nèi)可以可靠傳輸。無線采集節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)發(fā)送指令,將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到中心節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)格式如下:幀頭+總字節(jié)數(shù)+終端地址+端口號(hào)+功能編號(hào)+有效數(shù)據(jù)。
2監(jiān)測點(diǎn)布置
在特菜大觀園西區(qū)連棟溫室內(nèi)布置了9個(gè)無線監(jiān)測點(diǎn),監(jiān)測點(diǎn)分布如圖5所示。每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)可以定時(shí)采集番茄3個(gè)高度(冠層、中部、根部)的溫濕度、2個(gè)高度(冠層、中部)的光照度、冠層光合有效輻射、CO2濃度(布置于番茄生長中部)等信息。傳感器和支架固定于番茄種植行內(nèi),避免影響行間作業(yè)車作業(yè)。傳感器固定于由水平支架和豎直支架組成的支架上,其中水平支架通過螺栓固定于豎直支架上,水平支架的高度可自由調(diào)整,以便將傳感器固定于需要的高度。監(jiān)測點(diǎn)安裝如圖6所示。從2016年5月6日起一直連續(xù)采集數(shù)據(jù),每20 min保存1次數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)保存在SQL Server數(shù)據(jù)庫中。保存的數(shù)據(jù)可導(dǎo)出生成Excel文件,以方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。試驗(yàn)中溫室外架設(shè)氣象站,主機(jī)系統(tǒng)軟件可以采集氣象數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)包括空氣溫濕度、太陽輻射、風(fēng)速、風(fēng)向和降水量,氣象數(shù)據(jù)1 h保存1次。
3采集數(shù)據(jù)分析
試驗(yàn)地點(diǎn)位于北京市昌平區(qū)特菜大觀園西區(qū)連棟溫室,溫室長55 m、寬50 m (南北向)、高6.7 m,采用荷蘭Priva公司生產(chǎn)的環(huán)境調(diào)控設(shè)備進(jìn)行溫室環(huán)境調(diào)控。溫室北墻裝有濕簾,溫室南墻裝有多個(gè)風(fēng)扇進(jìn)行換風(fēng)。2016年4月開始,共采集了2萬余條數(shù)據(jù)。
3.1冠層溫度和根部溫度
從圖7可以看出,10:00—14:30 冠層溫度比番茄根部溫度高3~5 ℃,其他時(shí)間溫度差異在2 ℃左右。
3.2空氣溫度和空氣濕度
2016年5月10日系統(tǒng)采集了第6號(hào)節(jié)點(diǎn)不同高度的空氣溫度和空氣濕度。從圖8可以看出,番茄根部的溫度比冠層和中間部位的溫度低,根部的濕度比冠層和中間部位的濕度大。這主要是因?yàn)榉阎虚g部位和根部番茄枝葉遮擋,造成溫度比冠層稍低。
3.3CO2濃度
上午CO2濃度逐漸減小,這是由于太陽照射下,番茄光合作用增強(qiáng),消耗溫室內(nèi)CO2,溫室內(nèi)CO2濃度減小,此時(shí)可以根據(jù)番茄長勢適當(dāng)進(jìn)行CO2增施。夜間00:00左右由于番茄呼吸作用排放CO2,因而CO2濃度增加。
圖10是9個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)的CO2 濃度變化情況,各個(gè)節(jié)點(diǎn)的濃度變化趨勢基本相同,各個(gè)位置同一時(shí)間CO2 濃度差異范圍在80 μmol/mol以內(nèi)。
3.4光合有效輻射和光照度
茄中間位置光照度稍低于冠層,光合有效輻射和光照度變化趨勢相同,光照度和光合有效輻射在14:00左右達(dá)到最大值。
個(gè)節(jié)點(diǎn)分布于溫室的不同位置,說明該連棟溫室的采光性較均勻。圖12中11:00左右光照度降低是由于此時(shí)云遮擋了太陽,光照降低。
4結(jié)論
本研究開發(fā)了連棟溫室番茄生長物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng),可無線遠(yuǎn)程采集連棟溫室番茄生長環(huán)境因子數(shù)據(jù)。在特菜大觀園西區(qū)連棟溫室內(nèi),布置了9個(gè)無線監(jiān)測點(diǎn),每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)可以定時(shí)采集番茄3個(gè)高度(冠層、中部、根部)溫濕度、2個(gè)高度(冠層、中部)的光照度,冠層光合有效輻射、CO2濃度等信息。結(jié)果表明,夏天除冠層溫度比番茄根部溫度高2~5 ℃外,其余時(shí)間溫度差異較小,溫室內(nèi)CO2濃度差異不大,光照度變化趨勢相似。通過該系統(tǒng)在溫室示范基地的試運(yùn)行,表明該監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)時(shí)可靠采集連棟溫室的環(huán)境參數(shù)。
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