环境数字化信息系统在日光温室蔬菜生产中的应用

章铁军，宫彬彬，刘永泉，高洪波，吴晓蕾

（1.河北农业大学现代教育技术中心，保定，071001；2.河北农业大学园艺学院；3.保定市科技局草莓所）

环境数字化信息系统在日光温室蔬菜生产中的应用

章铁军1，宫彬彬2，刘永泉3，高洪波2，吴晓蕾2

（1.河北农业大学现代教育技术中心，保定，071001；2.河北农业大学园艺学院；3.保定市科技局草莓所）

2011年全国蔬菜日光温室面积约80万hm2，日光温室在我国设施蔬菜中占有很重要的地位，既适合以家庭承包经营为主的小规模生产，也适合企业和种植大户的专业化生产。日光温室内蔬菜的生长发育，一方面取决于作物的遗传特性，另一方面由温室内的温度、湿度、光照度和CO2浓度等环境因子决定。但是，我国现有日光温室结构不合理且骨架、立柱多，影响室内光照和保温效果，而且日光温室内环境调控能力较差，受天气和自然环境影响较大，尚维持在靠水银温度计监测环境的水平，很难做到根据蔬菜生长所需的温度科学调控，影响蔬菜植株的生长、产量和品质。因此，设施蔬菜的可持续发展要从合理的日光温室结构设计出发，对现有日光温室结构性能进一步研究、改进和完善，在此基础上初步建立能对日光温室的环境因子进行实时、准确监测的系统，为蔬菜提供适宜的环境条件，确保日光温室蔬菜的健康、持续、高效发展。

目前的温室测控系统大多采用有线布网、人工测量，导致现场安装困难，工作效率偏低，测量精度差，这不仅大大增加了电气工程施工费用，也导致施肥等工作困难；此外，系统中的每个监控点没有自组织功能和自愈能力，维护工作量大，也不利于系统升级。因此，为了实现温室农作物的优质、高产和高效，开发和研制一种新型的温室环境测控系统十分必要。用无线传感器网络构建监控系统，具有部署方便、成本低廉等优势，同时可以有效实现环境信息的采集和传输，及时调整管理策略，保证作物生长处于最佳状态，为温室环境参数检测提供一种新颖的、低成本的解决方案。

环境数字化信息系统就是要实现温室作物生长环境的温度、空气相对湿度、土壤温度以及光照度等环境因子的实时数据获取，并对这些数据进行实时显示、存储、分析和处理，实现对温室内作物生长的各种环境参数的控制，达到现代化管理、精准化作业和获取更高效益的目的。

1 环境数字化信息系统的组成和功能

蔬菜日光温室环境数字化信息系统主要由无线网络温室环境采集控制单元、无线型室外微型气象站、调频编码发射台组件和系统上位机组成。

①无线网络温室环境采集控制单元连接6个环境传感器，包括1个光照传感器、1个湿度传感器、4个温度传感器，可实现日光温室内主要环境因子（光照、温度、湿度）的实时监测（根据经济承受能力可加装土壤水分、二氧化碳等传感器），并实现环境数据的存储（4 000～24 000条数据）。

②无线型室外微型气象站置于室外，可实现室外环境数据的实时采集，为室内环境管理提供参考。

③无线网络温室环境采集控制单元和无线型室外微型气象站可通过无线射频实现环境数据的无线传输至系统上位机。

④系统上位机是一台数据服务器，可实现实时数据查看与数据库存储、历史数据查询、曲线分析、极值查询、数据统计等功能；可通过Internet网络连接远程登录系统上位机，实现管理人员对远程温室环境参数进行集中监视、远程监控、参数设定、问题追溯等；根据温室栽培蔬菜种类的差异，设定蔬菜所需环境参数范围，若环境实时数据超出设定范围，可实现超限报警功能。另外，系统上位机与短信模块连接，可实现手机短信实时数据召唤，便于种植者和管理者了解温室内环境变化情况。

该系统是一个数字化的环境信息系统，是种植者、管理者监测、查询日光温室环境数据可靠、便捷、高效的技术手段，而且根据温室内外环境的变化适时发出各种农事操作提示，使温室环境调控和相关栽培操作准确到位，同时超限报警可使不当操作和极端天气所造成的损失降到最小，提高栽培效果，增加生产效益。

2 环境数字化信息系统的特点

2.1 实现日光温室内环境信息的准确、稳定的采集

日光温室内空间紧凑，目前智能温室内使用的有线传感器布线复杂，直接在日光温室内使用会严重影响日常的生产管理。传统的无线传感器技术通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电，数据传输不稳定，破损数据较多且通信距离有限。

无线传感器网络系统是现代传感器技术、微电子技术、通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术等多项技术的综合，它把无线传感器网络技术引入到温室蔬菜生产中来，逐步建立以信息和软件为中心的数字化环境管理模式，从而实现温室实时环境数据的自动采集与传输。为了更适用于日光温室的环境采集，针对无线传感器技术的弊端，从技术上进行了无线传感器网络技术的改良，首先，采用直流电源代替电池，给系统提供稳定的能源，从而保证了较稳定的数据传输和较远的通信距离，同时，免去了更换电池的繁琐；其次，采用数据融合技术，即在传输过程中对数据进行综合处理，避免了由于环境和能量因素，导致无线传输的数据易受干扰，传感器节点易失效等问题，得出更为准确完整、更符合用户需求的信息。该系统可以在日光温室高温高湿环境下良好工作，日光温室蔬菜生产的环境控制可以逐渐摆脱人为经验判断，使用寿命可达5～8 a，大幅度提高单位面积的劳动生产率和工作效率，对实现日光温室蔬菜的高产、稳产具有重要意义。

2.2 符合我国农村日光温室生产现状

目前，我国大部分的温室管理者专业素质较低、电脑知识水平缺乏，复杂的控制系统即使技术完善，也没有办法在实际生产中应用。因此该系统设计为自启动、自加载、自运行、可断电恢复的实时系统，简单实用，系统不直接面对农民，农民也不需要面对电脑进行任何操作。通过前期的系统设置、报警设置，系统可以向农民手机发送实时的数据，农民通过查看手机短讯，就可以了解相关的温室环境信息，从而进行相关的管理。该系统符合了我国农业生产的国情，更利用推广。

2.3 便于管理者和科研工作者查询与分析数据

本系统除了能够胜任温室的日常生产管理以外，还可以为科研工作者提供便利的数据信息和数据统计。本系统可以让工作者通过电脑的远程登陆界面进入系统的控制界面，进行数据观测、数据下载、参数修改等控制，真正实现足不出户的远程控制，避免由于时间原因无法及时采集数据的问题。同时，本系统还可以对采集的数据进行统计分析，结合生产科研的需要，对积温、积光、温湿度的极值大小、极值范围等科研参数进行统计。

3 展望

本系统通过汇聚节点与传感器网络进行双向通信，实现了环境信息的自动采集、无线传输、信息的图表显示、查询、统计分析和报警等，特别是通过远程网络传输和可视化显示技术，达到系统易用性与功能性的统一，初步实现了日光温室蔬菜生产的数字化管理。而且，随着我国日光温室的机械如配备卷帘机等外部执行设备的增加，该系统也可通过继电器实现设备自动运行与智能控制，显著提高温室环境的管理能力和生产能力，提高蔬菜栽培效果，同时短信超限报警等功能可使不当操作和极端天气所造成的损失降到最小，对实现日光温室蔬菜生产的可持续发展发挥重要作用。

10.3865/j.issn.1001-3547.2012.18.024

章铁军（1976－），男，学士，讲师，从事计算机程序开发及农业环境控制研究，电话：13463689878，E-mail：zhangtiejun@hebau.edu.cn

2012-05-28