物联网技术在智能连栋温室中的应用研究

王 瑞，吴乐天，孙小丽，史慧锋

（1.新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆 乌鲁木齐 830091；2.新疆设施农业工程与装备工程技术研究中心；3.农业部林果棉与设施农业装备科学观测实验站；4.新疆农业科学院农业工程公司）

物联网技术在智能连栋温室中的应用研究

王 瑞1,3，吴乐天2,4，孙小丽1,2，史慧锋3

（1.新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆 乌鲁木齐 830091；2.新疆设施农业工程与装备工程技术研究中心；3.农业部林果棉与设施农业装备科学观测实验站；4.新疆农业科学院农业工程公司）

针对现有温室管理过程中出现的人为因素干扰和粗犷管理模式带来的诸多问题，本文设计了一种基于物联网技术的设施农业远程控制系统，对作物生长环境进行精细化的智能管理，精确控制温室内温度、湿度、光照等环境因素，营造农作物生长的最佳环境，实现农业温室作物生产精细化、智能化、多功能的现代农业温室种植模式。

物联网；智能连栋温室；传感器；控制器

物联网技术是信息感知、数据传输与信息处理三大子领域相互融合的产物，物联网综合了传感器技术、无线传感网技术、嵌入式计算技术、无线通信技术及信息处理技术，极大地扩展了网络的功能和认知世界的能力。物联网技术具备全面感知、可靠安全、智能处理等几大特征，且具有组网维护便利、成本低廉、数据可靠、处理量大等优点。在物流产业、交通运输、医疗器械以及销售管理等系统中被广泛应用，本文介绍的是将物联网技术应用于现代温室的自动灌溉、保温、施肥、降温和补光等设施设备的管理中。

试验温室为新疆农业科学院农业机械化研究所2012年建设的智能连栋温室，占地面积约800 m2，温室骨架采用热镀锌组装式钢架，跨度9.6 m，2跨，屋顶采用小尖顶Venlo型结构，温室总高度6.8 m（含外遮阳），尖顶高6.3 m，天沟高5.5 m，温室长44 m，开间4 m，11个开间。屋面配备排水槽和集露槽，以便排出雨雪水。温室四周采用中空玻璃覆盖，顶部采用单层玻璃，密封和保温性能好。

通过物联网技术对外遮阳、内遮阳保温系统、湿帘/风机强制通风降温系统、加温系统、植物补光系统、二氧化碳发生系统和节水灌溉系统等进行智能化的调控，克服了温室管理过程中出现的人为因素干扰和粗犷管理模式，通过传感器技术对温室环境实现了实时监测和云端共享，对连栋温室中内外遮阳系统、降温系统、灌溉系统、补光系统等设施和装备实现了自动化智能控制，为作物提供了最佳的生长环境，同时解放了劳动力，实现了温室作物精细化生产和智能化管理。

1 系统方案设计

本设计基于新疆农业科学院农业机械化研究所智能连栋试验温室，以实现异地远程监控、实施监测和自动控制。该系统由异地访问终端、数据输出中心和农业应用、监测与控制系统、网络传输和现场感知控制技术五大内容构成（表1）。

试验温室远程监控系统中现场感知和控制网络采用WSN技术实现，包括网关节点、传感器节点和控制器节点，大量无线节点通过随机或固定部署的方式分布在监测区域内，以自组形式形成无线传输网络。传感器节点负责采集现场数据，通过无线网络传输到网关节点，再传输到云服务端，经过云服务端综合计算处理，然后将控制命令发到网关节点，最后传到控制节点执行控制命令。

1.1 网关节点设计

网关节点通常由嵌入式处理器、网络通讯模块和无线通讯模块组成，如图1。网关节点具有较强的处理能力、存储能力和通讯能力，网关连接传感器网络与云服务，实现两种协议栈之间的通信协议转换，把收集到的数据转发到云服务端或者将云端指令发到现场控制器。网关处理器通常采用ARM系列处理器，通常采用C语言开发。网关节点既可以是一个有增强功能的传感器节点，也可以是一个没有监测功能的仅具备网络转换功能的特殊网关设备。

图1 网关节点结构示意

1.2 传感器节点设计

传感器节点通常是一个微型嵌入式系统，如图2。传感器节点主要由信号转换模块、处理器模块、无线通讯模块和电源管理模块组成。信号转换模块与传感器一起将传感器的物理信号转换为可处理的数据，经过处理器模块处理后，通过无线通讯模块将数据报送到网关节点。传感器节点通常有能量有限的电池供电且采用低功耗低成本设计，因此传感器节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱。处理器通常采用单片机实现，如51、AVR系列单片机，开发语言通常采用C语言。

图2 传感器节点结构示意

1.3 控制器节点设计

控制器节点通常是一个微型嵌入式系统，通常由无线通讯模块、处理器模块和控制通讯模块组成。

图3 控制器节点结构示意

云端的控制指令通过无线通讯模块传到处理模块，经过转换处理后，通过RS485或者CAN转发到PLC（或者其他继电器控制板）执行；同时将PLC执行状态经过转换，通过无线通讯模块转发到云端（图3）。控制处理器通常采用单片机设计，如51、AVR等，开发语言通常采用C语言开发。

2 系统布局设置

2.1 节点分布

该系统采用WSN技术实现现场感知和控制网络，将网关节点、传感器节点、控制节点三大系统整合成一条通讯路线，在监测区域内固定部署大量无线节点，以自组形式形成无线传输网络。传感器节点负责采集现场数据，通过无线网络传到至网关节点，再通过云服务端综合计算处理，将控制指令反馈回各个网关节点，最后由控制节点执行控制指令，从而实现了物联网平台的整体运行。

2.2 传感器布点

为了实现对温室内温度、湿度、光照等环境因子的精确控制，将环境监测传感器合理布局，在温室内作物的生长区20 m×44 m内，分别设置2个温度、湿度传感器，温、湿度传感器间隔20 m，放置高度约为1.5 m左右为宜；在温室内均布4个光照传感器和4个二氧化碳传感器。为了对比室内外气象条件的变化，同时在温室外20 m内没有遮挡物的地方架设一座温室专用室外气象站，用于实时监测温室外温、湿度、光照强度、风速、风向及雨雪情况。各传感器在温室内的分布如图4。

图4 传感器分布

2.3 数据传输

传感器节点采集的数据通过GPRS融入到网络节点并上传至云端，从而完成了数据的整个采集过程。根据室内外气候变化情况设计编写相应的控制程序，通过无线通讯模块与单片机连接实现数据信息通讯，实现对温室内环境数据的监测和远程控制。

3 应用效果

3.1 数据实时监测

该系统通过空气温度传感器、湿度传感器、光照、二氧化碳传感器、室外风速、风向传感器等六要素的环境感知平台，将温室内外的温湿度、光照、风速、风向、二氧化碳等数据，以实时曲线的方式显示出来，记录历史曲线并分析各参数变化对作物生长的影响，实现对设施作物生长环境数据的精确监测，图5为温室内8点～0点的温室和湿度变化情况，从图中可以看出：在12时～20时之间通过物联网系统实现了室内高温在25℃～32℃的自动调控，温室内湿度控制在37%～55%的作物最佳生长范围内。

图5 温室内温度、湿度变化监测曲线

3.2 远程监控

通过无线传感器装置的远程无线数据采集设备，实现对温室相关参数的信息采集、存储、显示、无线转发；通过云端的自动化逻辑指令控制，实现了对温室的远程操作和温室环境设备的自动控制，在特殊情况下也可以通过手机客户端对温室灌溉、开窗、通风、遮阳、补光等设备进行调控操作，实现对作物生长环境的温、湿、光、气等因素的标准化调控。

3.3 视频监控和专家诊断

通过该系统中360°无死角的高清视频设备，将作物生长情况以及病害发生情况通过3G网络连入互联网平台（图6），通过网络发送信息至设施生产管理专家，通过专家系统与互联网平台无缝对接，相关专家可以通过互联网对各地生产进行指导与诊断，实现重大病虫害预防监测，为最终实现全疆范围内规模化生产的基地联网监测平台提供条件。

表1 温室系统方案构成

图6 高清视频监测及专家诊断平台

4 结论

（1）新疆农业科学院农业机械化研究所的智能连栋温室采用物联网系统，温室中外遮阳、内遮阳保温系统、通风降温系统、灌溉系统等设备全部实现了自动控制，实现了温室内环境的精细化调控和监测。

（2）物联网技术在现代化智能温室中的应用改变了粗放的农业经营管理方式，一座800 m2的温室仅由一个管理人员管理，彻底解放了劳动力，实现智能温室的高效生产管理，将信息技术完美的应用于设施农业领域。

（3）该系统提高了植物病虫害防控能力，确保了农产品的质量安全，是改善设施农业生产手段、提高设施农业生产效率和生产水平的有益尝试,同时，物联网系统在日光温室群等设施环境中也具有良好的应用前景。

[1]陈静.物联网技术在日光温室大棚中的应用研究[J].科技信息，2012,(36):578～579.

[2]欧亚军.物联网技术在温室大棚中的应用研究[J].软件导刊，2013,12(11):143～145.

[3]郭清华.蔬菜大棚智能温度控制系统应用研究[J].安徽农业科学，2008，36(11):4487～4488.

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.03.015

S126

：A

1007-7782（2015）03-0033-03

2015-5-20

自治区科技计划项目（201211114）；乌鲁木齐市科技局项目（H131222001）；公益性行业（农业）科研专项（201203002）；新疆维吾尔自治区科技计划（201130104）；自治区工程技术研究中心组建项目；新疆设施农业技术装备重点实验室（xjnkkl-2013-002）

史慧锋