孫 興 馬冰冰 雷印勝

一、前言

不忘初心，砥礪前行。我國(guó)作為一個(gè)人口超過(guò)14 億的世界人口第一大國(guó)，有著廣袤的國(guó)土資源，有超過(guò)18 億畝的可耕種農(nóng)田，按照第七次人口普查資料，大陸31 個(gè)省、自治區(qū)、直轄市和現(xiàn)役軍人中，居住在鄉(xiāng)村的人口為50979 萬(wàn)人，占總?cè)丝诘?6.11%，農(nóng)民生活水平的提高，對(duì)提升全國(guó)人民的幸福指數(shù)具有重要的戰(zhàn)略意義。然而隨著我國(guó)人口數(shù)量的不斷增加和城市建設(shè)的擴(kuò)張，對(duì)可耕種農(nóng)田的數(shù)量要求將帶來(lái)很大的壓力，為有效解決這一矛盾，就需要用新的技術(shù)和方法來(lái)解決這一矛盾。第一種措施就是利用新的種植技術(shù)增加單位畝產(chǎn)量，另一種就是增加種植面積。因此室內(nèi)無(wú)土栽培農(nóng)作物就是一種有效的途徑，它等同于增加了有效種植面積，并且已經(jīng)在國(guó)外不同的國(guó)家取得了成功的經(jīng)驗(yàn)。室內(nèi)無(wú)土栽培農(nóng)作物是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不僅需要?jiǎng)?chuàng)造適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境，還涉及農(nóng)作物生長(zhǎng)的養(yǎng)分配比等構(gòu)成。本文重點(diǎn)介紹室內(nèi)無(wú)土栽培農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境智能監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

二、室內(nèi)無(wú)土栽培農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀分析

自從1946 年2 月在美國(guó)的賓夕法尼亞大學(xué)第一臺(tái)正式投入運(yùn)行的電子計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)近75 年的發(fā)展，使數(shù)字信息技術(shù)得到了快速發(fā)展，不僅實(shí)現(xiàn)有線和無(wú)線的萬(wàn)物互聯(lián)，而且人工智能和云計(jì)算技術(shù)促進(jìn)了各種智能農(nóng)業(yè)機(jī)械研制和生產(chǎn)，使用各種APP 應(yīng)用程序便于操作人員可以通過(guò)移動(dòng)智能終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)近距離和遠(yuǎn)程操控，大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率，現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)已經(jīng)在逐步實(shí)現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)的農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在世界經(jīng)濟(jì)全球化、現(xiàn)代信息技術(shù)互通共融的時(shí)代背景下，世界正經(jīng)歷百年未有之大變局，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)正在從傳統(tǒng)的種植模式進(jìn)入現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)時(shí)代，各種無(wú)人操控的智能農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備正在逐步開(kāi)發(fā)生產(chǎn)和使用，北斗衛(wèi)星的成功組網(wǎng)為智慧農(nóng)業(yè)插上了騰飛的翅膀，真正的農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化正在實(shí)現(xiàn)的路上。例如，通過(guò)人工智能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人看守農(nóng)場(chǎng)、無(wú)土栽培種植、無(wú)人機(jī)播種和收割、無(wú)人駕駛飛機(jī)實(shí)施噴灑農(nóng)藥、無(wú)人駕駛飛機(jī)施肥和自動(dòng)灌溉等等，不僅降低了傳統(tǒng)種植模式的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，能釋放更多的勞動(dòng)力從事其它更有價(jià)值的工作，從而大幅提高了人們的生活質(zhì)量和幸福指數(shù)。

自然界的農(nóng)作物生長(zhǎng)需要室外有適合的環(huán)境溫度、充足的日照光合作用、進(jìn)行授粉所需的自然風(fēng)速、土壤環(huán)境濕度、土壤養(yǎng)分等等。室內(nèi)無(wú)土栽培農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境雖然是在一個(gè)相對(duì)密閉的空間內(nèi)，同樣需要一個(gè)適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境，因此就需要通過(guò)人為創(chuàng)造一個(gè)模擬生態(tài)環(huán)境，通過(guò)調(diào)控各種環(huán)境參數(shù)才能滿足農(nóng)作物的茁壯成長(zhǎng)。室內(nèi)無(wú)土栽培農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境智能監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)就是利用現(xiàn)代信息技術(shù)，通過(guò)對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫度、風(fēng)速、環(huán)境濕度、日照光線和環(huán)境光強(qiáng)度、養(yǎng)分檢測(cè)等的各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，并通過(guò)云計(jì)算的大數(shù)據(jù)進(jìn)行智能控制，創(chuàng)造一個(gè)適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境。

世界上許多農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家都十分重視無(wú)土栽培設(shè)施工程與環(huán)境調(diào)控技術(shù)的研究。例如國(guó)外的以色列、日本、荷蘭、丹麥等國(guó)家的蔬菜無(wú)土栽培已經(jīng)進(jìn)入工廠化生產(chǎn)的高級(jí)階段。由于以色列的無(wú)土栽培技術(shù)處于世界先進(jìn)水平，成就了一大批該領(lǐng)域的尖端人才，為我國(guó)的農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化生產(chǎn)做出了表率。目前國(guó)內(nèi)多家蔬菜生產(chǎn)基地都引進(jìn)了以色列的無(wú)土栽培技術(shù)，但是由于該系統(tǒng)的初裝成本造價(jià)偏高，難于得到大面積的推廣，因此盡快研制出具有自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的室內(nèi)無(wú)土栽培農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境智能監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)成為必然，它將成為實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)時(shí)代到來(lái)的必經(jīng)之路。

三、室內(nèi)無(wú)土栽培農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

下面以作者研制開(kāi)發(fā)的室內(nèi)無(wú)土栽培農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)為例，簡(jiǎn)單介紹室內(nèi)無(wú)土栽培農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成，該系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1 所示。該系統(tǒng)具有近端和遠(yuǎn)程監(jiān)控能力的無(wú)線通信功能，能訪問(wèn)和處理云端大數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量室內(nèi)環(huán)境溫度、風(fēng)速、環(huán)境濕度、日照光光線和環(huán)境光強(qiáng)度、養(yǎng)分檢測(cè)等參數(shù)，并通過(guò)利用“藍(lán)牙”無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)近距離多站點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

（一）智能控制中心，簡(jiǎn)稱中央處理器，采用16位的單片機(jī)，選用STM32F103C8T6。它是智能設(shè)備的控制中心，類同于人的大腦，具有邏輯處理和算術(shù)運(yùn)算功能，還有少量的記憶和存儲(chǔ)能力，負(fù)責(zé)最終決策的形成，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的指令輸出和輸入，能進(jìn)行少量的指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，進(jìn)行各種復(fù)雜算法和數(shù)據(jù)處理，指揮完成近端和遠(yuǎn)程通信。在中央處理器控制指揮下，各個(gè)功能模塊完成各自的數(shù)據(jù)采集和控制任務(wù)。如果該部件出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)癱瘓。

（二）顯示模塊。是在中央處理器的控制下完成人機(jī)交互的部分，既能顯示系統(tǒng)檢測(cè)到的各種參數(shù)，也能顯示輸入的各種操作命令。通俗講就是完成人和計(jì)算機(jī)之間的對(duì)話。為降低成本和減少空間位置，一般采用液晶顯示。如果該部件出現(xiàn)故障，不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的其它功能操作。

（三）鍵盤(pán)輸入模塊。是在中央處理器的控制下完成控制命令或其它參數(shù)的輸入，和我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C(jī)輸入功能類同。如果該部件出現(xiàn)故障，不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的其它功能操作。

（四）環(huán)境溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊。相當(dāng)于人的皮膚，能感知冷暖。環(huán)境溫度傳感器在中央處理器的控制下，將采集到的數(shù)據(jù)以電平的形式傳送給中央處理器，中央處理器依據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量溫度對(duì)控制設(shè)備發(fā)出指令，完成對(duì)環(huán)境溫度的調(diào)制。它是單方向操作，只能完成把檢測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)信號(hào)傳送給中央處理器，不能輸出調(diào)控溫度。如果該部件出現(xiàn)故障，同樣不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的其它功能。

（五）環(huán)境光實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊。相當(dāng)于人的眼睛，能感受到周邊環(huán)境的光線強(qiáng)弱。環(huán)境光傳感器在中央處理器的控制下將采集到的信號(hào)傳給中央處理器，中央處理器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并處理，并依據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境光對(duì)控制設(shè)備發(fā)出指令，完成對(duì)環(huán)境光的調(diào)制。如果該部件出現(xiàn)故障，和前面一樣不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的其它部分功能。

（六）測(cè)量風(fēng)速處理模塊。在中央處理器的控制下測(cè)量室內(nèi)的風(fēng)速，主要功能是完成調(diào)節(jié)風(fēng)速大小的變化。通過(guò)測(cè)量風(fēng)速的變化，預(yù)測(cè)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響。如果室內(nèi)風(fēng)速過(guò)大，會(huì)影響農(nóng)作物的授粉，也需要采取相應(yīng)的措施，避免造成授粉不足造成減產(chǎn)。如果該功能部件出現(xiàn)故障，也不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的其它部分功能操作。

（七）環(huán)境濕度測(cè)量模塊。農(nóng)作物的生長(zhǎng)和環(huán)境濕度有密切的聯(lián)系，如果濕度過(guò)大，需要調(diào)節(jié)空氣濕度，利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)。在中央處理器的控制下環(huán)境濕度傳感器將采集到的模擬信號(hào)傳給中央處理器，中央處理器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并處理，中央處理器依據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境濕度對(duì)控制設(shè)備發(fā)出指令，完成對(duì)環(huán)境濕度的調(diào)制。如果該部件出現(xiàn)功能障礙，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的其它部分操作沒(méi)有影響。

（八）養(yǎng)分檢測(cè)模塊。該部分是系統(tǒng)的重要核心部分，需要分析養(yǎng)分(養(yǎng)分的酸堿度、氮、磷、鉀)的變化，對(duì)農(nóng)作物的茁壯生長(zhǎng)產(chǎn)生關(guān)鍵作用。在中央處理器的控制下養(yǎng)分傳感器將采集到的信號(hào)傳給中央處理器，中央處理器將采集到的信息通過(guò)遠(yuǎn)程通信將數(shù)據(jù)傳送到云端，經(jīng)過(guò)云端的大數(shù)據(jù)分析，依據(jù)農(nóng)作物不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)養(yǎng)分的需要分析當(dāng)前的土壤養(yǎng)分是否滿足要求，再把處理結(jié)果反饋回來(lái)。系統(tǒng)依據(jù)計(jì)算結(jié)果分別施加不同的養(yǎng)分。如果該部件工作不正常，同樣不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的其它功能操作。

（九）控制系統(tǒng)模塊。在中央處理器的控制下，完成對(duì)各個(gè)控制執(zhí)行系統(tǒng)的操作。例如啟動(dòng)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、噴水和施肥等等。

（十）系統(tǒng)故障自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。智能控制設(shè)備系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警功能，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)，一定要找出故障源，并消除故障，否則會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)計(jì)的結(jié)果。如果該部件出現(xiàn)故障，將會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的其它功能操作，一定要嚴(yán)肅對(duì)待和妥善處理。

（十一）局域通信技術(shù)。為降低布線和施工難度，對(duì)近距離的多個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)采集使用藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)。

四、綜述

該系統(tǒng)具有完全自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并采用北斗衛(wèi)星通信，為提高系統(tǒng)的使用壽命，采取了防水處理技術(shù)，增加了系統(tǒng)的抗干擾能力。