文/崔玉萍

近年來位于河西地區(qū)武威市古浪縣的日光溫室，在精準扶貧產(chǎn)業(yè)引領下發(fā)展迅速，但黃花灘移民區(qū)大多數(shù)日光溫室生產(chǎn)方式落后，科技含量低，生產(chǎn)自動化程度有待提高，日光溫室產(chǎn)業(yè)急需融合科技控制技術，達到精準控制生產(chǎn)要素，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。突出發(fā)展設施農(nóng)業(yè)，運用物聯(lián)網(wǎng)技術推進設施農(nóng)業(yè)種植業(yè)的發(fā)展。基于物聯(lián)網(wǎng)技術的日光溫室終端控制與應用就是以日光溫室農(nóng)作物的生長參數(shù)作為測控的主要對象，運用物聯(lián)網(wǎng)的技術對作物的生長參數(shù)進行測量、傳輸、存儲、分析和控制，提高設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的智能化控制和規(guī)范化管理水平,改變傳統(tǒng)日光溫室栽種中管理科技含量低、效率低、投入產(chǎn)出比低的狀況,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。本文選取武威市古浪縣黃花灘移民區(qū)9號點連棟日光溫室作為研究對象，研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室終端控制技術，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)的自動采集、實時顯示與可視化的數(shù)據(jù)查詢及分析，并監(jiān)視現(xiàn)場設備的工作狀態(tài)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、智能控制，提高日光溫室生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)結構

圖1：系統(tǒng)結構

智能溫室大棚控制器是一種高性能監(jiān)控儀器，它具有“智能”、“記憶”、“遠程控制”及“節(jié)省勞動力”等四大顯著特點。設備采用先進的微傳感器技術將日光溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度、二氧化碳、光照等多種環(huán)境參數(shù)采集到微電腦處理器中，微電腦通過智能設置及算法，自動開啟或關閉風機、濕簾、加熱設備等，自動實現(xiàn)溫度調(diào)整，濕度調(diào)整、通風散熱，加熱保溫，定時光照、智能灌溉、故障報警等功能，使標準化大棚溫室內(nèi)環(huán)境在無人值守的情況下設備能自動工作。系統(tǒng)主要包括輸入接口、模擬傳感器、輸出端口、執(zhí)行機構、操作終端及軟件平臺。系統(tǒng)通過各種傳感器等監(jiān)測設備感知溫室內(nèi)的環(huán)境信息。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過通信終端進入上位機系統(tǒng)，并對溫室監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行存儲、計算分析和共享，溫室環(huán)境控制算法通控制終端對調(diào)控設備進行控制。該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)還可以通過手機APP或手機流量短信向用戶發(fā)送實時監(jiān)測信息、預警信息，實現(xiàn)日光溫室集成化、網(wǎng)絡化遠程管理。系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 智能控制系統(tǒng)

遠程控制的實現(xiàn)使技術人員在辦公室就能對多個大棚的環(huán)境進行監(jiān)測控制。采用無線網(wǎng)絡來測量獲得作物生長的最佳條件，可以為溫室精準調(diào)控提供科學依據(jù)，達到增產(chǎn)、改善品質、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟效益的目的。日光溫室、連棟溫室控制設備包括內(nèi)遮陽、外遮陽、風機、濕簾水泵、頂部通風、電磁閥等設備，測控系統(tǒng)由平板電腦、測控模塊、各種傳感器、電磁閥、配電控制柜及安裝附件組成，通過無線Wi-Fi或GPRS模塊與綜合控制中心連接。通過傳感器檢測空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤水分、光照強度及二氧化碳等參數(shù)，構建測控點實現(xiàn)日光溫室環(huán)境獲取、自動灌溉、自動控制等功能，提高設施生產(chǎn)自動化、智能化程度，具有較好的示范展示效果。

通過光照、溫度、濕度、日照數(shù)這些無線傳感器，對溫室內(nèi)的光照強度、空氣和土壤溫度、空氣和土壤濕度、日照數(shù)的環(huán)境參數(shù)進行實時采集，并進行分析，依據(jù)分析結果，自動開啟或者關閉指定設備(如遠程控制澆灌、開關卷簾等)。同時在溫室現(xiàn)場布置攝像頭等監(jiān)控設備，適時采集視頻信號。用戶通過電腦或4G手機，隨時隨地觀察現(xiàn)場情況、查看現(xiàn)場溫濕度等數(shù)據(jù)和控制遠程智能調(diào)節(jié)指定設備。

圖2：中央控制室

圖3：系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控圖

物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)不僅能對智能溫室大棚生產(chǎn)過程中的參數(shù)在線高精度測量,而且能實現(xiàn)棚內(nèi)調(diào)溫、灌溉等智能控制或報警提示，自動實現(xiàn)保濕、通風、光照調(diào)節(jié)和歷史數(shù)據(jù)的記錄。主控中心和大棚控制器之間采用無線電臺或有線進行連接，每棟大棚內(nèi)，溫度、濕度、光照等信號均模塊化，不僅擴展靈活而且可多點取樣，大棚數(shù)據(jù)反映準確迅速。可通過現(xiàn)場計算機更改大棚號和名稱。主控中心軟件界面采用數(shù)碼管和儀表盤顯示形式，顯示直觀、可視性好、界面精美。該軟件可顯示設置室內(nèi)外溫度、濕度、光照等參數(shù)，并能進行手動/自動控制和切換、自動報警通知等。溫室測控點平板電腦、測控模塊、各種傳感器、電磁閥、配電控制柜及安裝附件組成，無線Wi-Fi或GPRS模塊與綜合控制中心連接。示范聯(lián)棟溫室內(nèi)傳感器檢測空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤水分、光照強度及二氧化碳等參數(shù)?？刂圃O備包括內(nèi)遮陽、外遮陽、風機、濕簾水泵、頂部通風、電磁閥等設備。并對基地設施條件較好的日光溫室，構建測控點實現(xiàn)日光溫室環(huán)境獲取、自動灌溉、自動控制等功能。該日光溫室、連棟溫室測控點的建立進一步提高設施生產(chǎn)自動化、智能化程度，具有較好的示范展示效果。中央控制室如圖2所示。

2.1 溫度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)

選用二個聯(lián)棟溫室，在每個聯(lián)棟溫室內(nèi)分別裝置空氣溫度傳感器，夏天氣溫升高，如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)溫室內(nèi)某個空氣溫度傳感器監(jiān)測到溫室內(nèi)溫度超過系統(tǒng)預設的適合農(nóng)作物的溫度，會自動啟動相對應的風機和天窗進行排風，啟動濕簾給溫室降溫，直至溫室溫度值達到預設的區(qū)間。

2.2 濕度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)

系統(tǒng)通過溫室內(nèi)分布的空氣濕度傳感器，自動定時監(jiān)測溫室內(nèi)空氣濕度，如發(fā)現(xiàn)濕度過高，則會啟動相應風機工作，給溫室通風換氣，降低溫室內(nèi)濕度，如發(fā)現(xiàn)空氣濕度過低，則會啟動加濕水簾。直到空氣濕度滿足作物生長要求。

2.3 光照強度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

在大棚里布置多個光照強度傳感器，分別對應溫室的內(nèi)外遮陽系統(tǒng)，只要光照傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)內(nèi)設的數(shù)據(jù)發(fā)生了偏差，系統(tǒng)會自動啟動遮陽或補光燈系統(tǒng)進行干預調(diào)節(jié)，直到棚內(nèi)光照滿足作物所需。

2.4 自動澆灌控制系統(tǒng)

智能澆灌系統(tǒng)是根據(jù)分布在溫室內(nèi)的土壤水分傳感器監(jiān)測到的即時土壤水分參數(shù)，根據(jù)不同的作物，在系統(tǒng)內(nèi)設定不同的土壤水分參數(shù)區(qū)間，只要實測參數(shù)偏離正常區(qū)間值，計算機系統(tǒng)自動啟動對各灌溉電磁閥精確控制，確保每塊種植區(qū)域的土壤水分都符合該區(qū)塊作物的生長要求?？蓪χ悄芄喔取⑺室惑w化、大棚設施進行手動或自動控制。依據(jù)監(jiān)測信息和預先設定的控制閾值，啟動自動控制執(zhí)行設備，能夠實現(xiàn)智能設置控制閾值，遠程在線自動控制、實時手動控制，并能在參數(shù)達到正常合理值得時候，實現(xiàn)自動關停。

3 系統(tǒng)應用分析

該系統(tǒng)在武威市古浪縣黃花灘移民區(qū)9號點日光溫室園區(qū)進行安裝調(diào)試，溫室內(nèi)種植辣椒、試驗期間辣椒處于幼苗期，選擇兩棟日光溫室安裝基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室終端控制系統(tǒng)。

3.1 數(shù)據(jù)實時監(jiān)測

系統(tǒng)實時采集的溫室內(nèi)的要素包括空氣相對濕度、溫度、土壤溫度、光照強度和CO2 濃度和六大要素以實時曲線的方式顯示，準確記錄歷史數(shù)據(jù)同時及時分析各參數(shù)變化對作物生長的影響，確保實現(xiàn)對設施作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)的精確監(jiān)測，圖 3所示為2019年 1月10 日（室外溫度為-3 ～-10℃）1# 實驗日光溫室內(nèi)某一時刻的空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、CO2濃度變化曲線。從圖3所示中可以看出，通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的自動調(diào)控，溫室內(nèi)溫度基本控制在 15 ～28℃范圍內(nèi)，空氣濕度在 50% ～70% 之間，均在辣椒植株地上部分生長的適溫范圍內(nèi)。辣椒處于幼苗期時，土壤呼吸旺盛，群體光合較弱，且冬季日光溫室?guī)缀跆幱谌]狀態(tài)，因而辣椒 CO2水平較高，基本維持在 500ppm 以上，未發(fā)生 CO2虧缺，因此不需要進行CO2施肥。

圖4

圖5

3.2 視頻監(jiān)控

從總體上來看，圖像和視頻提供的農(nóng)作物生長狀態(tài)信息更加豐富和直觀。運用系統(tǒng)中的高清視頻設備，通過無線橋網(wǎng)傳輸，將作物生長情況以及病害發(fā)生情況的圖片信息，為作物遠程病蟲害診斷及環(huán)境信息采集控制系統(tǒng)提供有效的數(shù)據(jù)支持。相關專家可以通過互聯(lián)網(wǎng)對各地生產(chǎn)進行指導與診斷，實現(xiàn)重大病蟲害的預防監(jiān)測，為最終實現(xiàn)武威市范圍內(nèi)規(guī)?；a(chǎn)的基地聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺奠定基礎。

安裝基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室終端控制系統(tǒng)能提高溫室作物生產(chǎn)效率，該項技術是溫室生產(chǎn)的核心競爭力、融合了傳感器技術、計算機控制、網(wǎng)絡通信以及物聯(lián)網(wǎng)等技術的智能監(jiān)控系統(tǒng)被被河西地區(qū)越來越多地運用到日光溫室生產(chǎn)，借助物聯(lián)網(wǎng)技術可實現(xiàn)利用手機短信、電子顯示屏、網(wǎng)站等多媒體發(fā)布低溫預警服務，并采用遠程智能控制方式實現(xiàn)對溫室定時加溫。由此可以看出，我國河西地區(qū)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術研究廣泛深入，總體上處于試驗示范階段，規(guī)模小且分散。本研究以連棟日光溫室作為應用對象，基于物聯(lián)網(wǎng)技術框架，設計并實現(xiàn)了日光溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了溫室內(nèi)生產(chǎn)設備的遠程控制和農(nóng)業(yè)管理的自動化、智能化生產(chǎn)，結果表明，該控制系統(tǒng)具有良好的擴展性和實用性，對于實現(xiàn)溫室的智能化測控管理，降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率，創(chuàng)造大棚生產(chǎn)的最佳效益將產(chǎn)生積極作用。