基于物联网的精密温室环境管控系统研究

阴国富　朱创录

摘要：通过构建无线WiFi网络，将传感器采集到的数据进行统一控制，建立一套适用于精密温室内农作物栽培的环境与营养液监控物联网系统，包括精密温室环境监测网络、数据实时采集与无线传输、生长环境监测与预警发布、远程控制等。试验田应用表明，该系统管理简便、控制精准，对其进一步优化，综合型植物工厂可实现大面积管控。

关键词：物联网；传感器；精密温室；监控；农作物；无线传输

中图分类号： TP277.2；S126 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）10-0491-03

随着信息通讯技术的快速发展，物联网（internet of things）技术应运而生。通过物联网可使物体与网络连接，相互沟通，人们可在任何地点、任何时间对这些物体进行监控或基于这些物体所反馈的信息提供服务。精密温室环境管控系统基于物联网技术，可以为管理者简便、实时获取精密温室内的状况，并以此为基础使管控系统设计简化，使设备扩充更为容易。陕西省渭南市地处我国西部、关中平原东部，农业资源相对紧张，适合密集化精细农业的生产，目前已形成大规模的草莓生产基地；但长期以来草莓生产处于粗放式管理，若能运用精确灌溉技术，如利用蒸发量、重量变化和蒸汽压差等配合自动化灌溉设备决策灌溉，不但可以提高草莓的质量，而且通过统一精细化管理，草莓果品质量的一致性也可得到保证。

1 基于物联网环境的植物工厂模式

“植物工厂”广义是指在一定生产管理下全年无休的植物生产系统，而狭义是指在完全人工环境下全年无休的植物生产系统，主要目的皆是使植物生产能达到全年的稳态量产。植物工厂依照其光源利用方式一般可分为太阳光利用型、完全控制型与综合型3大类[1]。

太阳光利用型植物工厂使用日光为光源，外部结构由玻璃或塑料材质构成，屋顶具有遮阳网，当光照过强时可用来遮蔽；仅能以平面单层栽种，多为一般花卉温室或具有高度环控设备的精密温室，如台湾蝴蝶兰温室等。完全控制型植物工厂使用人工光源，对植物生长有影响的主要环境条件温度、湿度、二氧化碳、培养液等由人工控制，不易受到外界环境所干扰，是理想的植物工厂，非常适合立体化栽种，可以增加土地利用率，但需要的能源成本相对较高，如日本短期叶菜类栽培等。综合型植物工厂兼用太阳光与人工光源，介于前2种类型之间，以日光为主、人工补光为辅，在北欧、北美冬季日照较短的地区应用较多，如欧美名贵花卉、西红柿、莴苣种植等。

微处理器成本越来越便宜，功能也越来越强大。物联网是指在某一物体中嵌入一个微处理器，使物体变得具有智慧，能“自动开口说话”，同时，借助无线网络技术，人们可以和物体进行“对话”，物体和物体之间也能相互进行“交流”。2011年，日本学者Fukatsu等针对中小型温室环境控制设备建构提出一个解决方案，即环境监控系统（ubiquitous environment control system，UECS）[2]，其基本单元为配有嵌入式计算机的设施与传感器（称为节点），作业具有独立性，可通过局域网与计算机连接。该系统线路简化为电源线与网络线，通过网络传输信号再通过嵌入式计算机控制，不会存在使用特定规格部件的问题，且可通过笔记本电脑、PDA、可携式游戏机进行节点设定或远程操作[3-4]。而集中型环境控制系统线路较为复杂，各项设备可能会因生产国家、型号不同，使节点或控制信号不同，温室计算机只能使用特定机种进行监测与调控。

2 基于物联网的精密温室环境管控系统关键技术

2.1 无线网络监控架构

无线监控系统的网络架构主要由数据库服务器、网页服务器、无线基站、网络摄影机及 PICNIC 卡组成（图1），环境参数、视频影像等信息存储于资料库服务器，远程使用者可通过客户端网页系统监控精密温室环境。精密温室需要调控环境的风（温度、湿度、内循环风速）、光（光量、光质、光周期、均匀度）、水（供给方式、时机、频度）、养（营养液、供给方式、时机、频度）、气（二氧化碳）五大要素[5-6]，对这些环境状况随时记录，并能通过互联网获取实时信息，在环境异常时实时告知管理者。

2.2 营养液控制系统

精密温室的栽培方式多为水培方式立体化种植，搭配使用人工光源，并通过营养液供给补充植物生长所需，而营养液电导率与酸碱度会随植物生长而发生改变，进而影响植物的生长。电导率是判断营养液浓度的指标，营养液浓度越高，电导率也会越高，因此，可依据电导率来调控营养液。电导率变化由电阻给出信号，为方便测量，可将电阻信号转换为电压或电流信号，并在电极与数据获取端之间加装信号传送器。营养液控制系统采用的电导率传感器型号为HOTEC CM-61，测量范围最高可达20 mS/cm。另外，电导率传送器具有 LCD

面板，可供现场人员实时监看测量值。系统采用的酸碱度传感器型号为 HOTEC PH-10C，也具有 LCD 面板供现场人员实时监看测量值。

营养液调控是将高浓度的原液通过蠕动泵以微量的方式添加到水中，而蠕动泵是以凸轮为转子，通过凸轮转动挤压软管，使软管内的流体向前移动，同时也会吸取液体。由于转子转速可以调控，因此可使推进的流量相同。系统采用的蠕动泵型号为 CS074-3，采用 12 V直流电马达驱动。

营养液控制系统与无线监控系统相比，除传感器外具有相同的软件架构，具有 PICNIC、计算机、酸碱度电极、电导率电极、蠕动泵、A 液与 B 液、内含氢弱酸性阳离子交换树脂的调酸槽、混合槽及循环泵（图2）。PICNIC 负责获取酸碱度与电导率电极所测得的信号，驱使蠕动泵动作；计算机负责下达控制命令给 PICNIC，储存所获取的信号；蠕动泵负责抽取 A 液与 B 液至混合槽，由混合槽抽取营养液至氢弱酸性阳离子交换树脂使酸碱度降低，再回到混合槽；循环泵负责将营养液供给植物，增加混合槽内营养液的循环。endprint

营养液调控流程为：系统开始运行，检查营养液的电导率；若营养液电导率不足时会启动蠕动泵添加A 液与 B 液，每次添加约8 mL；检查营养液的酸碱值，若未达到设定值则会进行调酸；如果在进程中添加A液与B液或调酸，则会等待10 min，使营养液与混合槽内营养液均匀混合（图3）。A 液与 B 液添加量和等待时间可在软件中重新修改设置。

2.3 灌溉系统

灌溉测量平台（图 4）上方安装 6 根 T5 LED光源，灯下

10 cm光量最高可达 260 μmol/（m2·s）；平台安装荷重元，荷重元上方装有1块60 cm×120 cm 的珍珠板用来摆放栽培物，T5灯管距离珍珠板约 50 cm，荷重元测量的质量由 PICNIC 获取，由蠕动泵将营养液抽至栽培物内[7-8]。

试验前，栽培物进行前处理：将栽培物以淹灌方式等待10 min，使水苔充分吸收水分；移至阴凉处等待10 min，使水苔内部的多余水分自然流出。前处理完成后才进行试验。试验每处理摆放4盆，测量每盆的质量变化。有2个试验内容：（1）灌溉时机的建立：以草莓栽培为例，在7 ～14 d进行灌溉，在之后的16 d内不再进行灌溉，连续记录总质量变化，计算每日质量减少百分比；（2）灌溉试验：以灌溉时机试验建立的第10天质量减少百分比为灌溉参考，当质量减少相同百分比时开始灌溉，灌溉量为减少百分数乘以最初总质量。试验过程中，每日连续给光12 h，环境温度维持在（24±1） ℃，湿度保持在60%～70%。

3 基于物联网的精密温室环境管控系统的实现

3.1 传感器参数校正

3.1.1 重量转换器的设定与荷重元的校正 RI 1203 重量转换器第1次使用时需对硬件内部进行相关设定，包含输出方式、输出格式等。步骤为：将 RI 1203 重量转换器通过 RS-232 接口与计算机连接；计算机上运行Rinstrum PTY LTD的View1203软件，点选联机按钮，再选取RI 1203 使用的COM Port进行联机；进入Test/Command Mode页面，在Command中输入指令COF设定输出质量值数据格式；在Command 中输入指令IAD调整转换器参数，包含小数位数、单位及称量等。

重量转换器设定完成，需要校正荷重元。本研究采用的荷重元最大负重为30 kg，测量精度为1 g。校正步骤为：确认荷重元上没有任何载重；运行Rinstrum PTY LTD的View1203软件，点选联机按钮，再选取RI 1203使用的 COM Port进行联机；进入Test/Command Mode 页面，在Command 中输入 LDW 指令进行质量归零；在Command中输入 LWT10000命令，将1 000 g标准砝码置于荷重元上，在Command中输入TDD1，将校正设定储存至RI 1203重量感测模块。

3.1.2 湿度传感器的校正 一般传感器厂家都提供相对湿度传感器的特性曲线及其计算公式，但相对湿度感测器的特性曲线会以每年小于1%的速度逐年降低，因此有必要重新测量其特性曲线。另外，为能便于田间使用，湿度传感器往往设计成可更换式的，也需要对卸下的湿度传感器重新校正。相对湿度传感器是利用饱和盐溶液进行校正的，使用K2SO4、KCl、NaCl、KI、K2CO3这5种不同的饱和盐溶液为标准，其 25 ℃ 时对应的相对湿度分别为97.30%、84.34%、75.29%、6886%、43.16%。将配制好的饱和盐溶液置于玻璃瓶内，密封，25 ℃温控室待瓶内相对湿度稳定，记录传感器所测量的电压，6次重复取平均值，利用反函数求回归方程。

3.1.3 光量传感器的校正 采用RGB比例可调整式LED作为测量光源，以LI-189（LI-COR，USA）作为参考。有3个试验内容：（1）单晶硅与非晶硅太阳能板的比较。将单晶硅与非晶硅太阳能板分别放置于LED光源下方 10 cm处，维持在室温，改变 LED 光量输出，记录各个太阳能板电压输出与 LI-189所测量的值。（2）环境温度对太阳能板的影响。将太阳能板及光源置入可调控温度的低温控制箱，最高温度可达到53 ℃，分别测量室温、40、50 ℃时太阳能板的电压输出，并改变 LED 输出光量。（3）不同生产周期的太阳能板对光量的反应。将3块不同生产周期的太阳能板放置于相同位置LED光源下方 10 cm处，改变LED光量输出，记录各个太阳能板的电压输出。

3.2 传感器反馈公式

3.2.1 相对湿度传感器 由图 5可知，试验测得的结果线性度较好，决定系数r2为0.997 1，回归方程式为RH=32.26×U-25.81。其中，RH为相对湿度，单位为%；U为传感器输出电压，单位为V。

3.2.2 光量传感器 （1）单晶硅与非晶硅太阳能板的比较。单晶硅太阳能板如SM-5626，PAR值约为250 μmol/（m2·s），输出电压不呈线性，此类单晶硅太阳能板只适于PAR值为250 μmol/（m2·s）以下的光源[7]。由图6可见，SC-7035非晶硅太阳能板呈现出比较好的线性度，光量最强能达到 350 μmol/（m2·s），且尚未达到饱和。对于光需求量不高的作物，一般提供 300 μmol/（m2·s）的光量就足够了。SC-7035 非晶硅太阳能板的回归方程式为PAR=99.593×U。 其中，PAR为光合作用有效能量，单位为μmol/（m2·s）；U为太阳能板输出电压，单位为V。（2）环境温度对太阳能板的影响。由图7可见，不同环境温度下，光量相同时太阳能板输出的电压不会因温度升高而改变；输出光源在相同工作比下，温度越高输出光量则会降低。（3）不同生产周期太阳能板对光量的反应。由图8可见，LED工作比在80～100之间，因LED输出光量已趋于饱和，测量到的电压不会有明显变化；3块不同周期的太阳能板具有相同的变化趋势，相同光量下第一块与第二、第三块会有细微差异，在使用前还是必须对不同太阳能板进行回归处理。endprint

3.3 营养液控制系统构建与测试

营养液调控需要使用3个蠕动泵，分别为调酸（A 泵）、A液添加（B泵）及B液添加（C泵）。由表1可见，B、C泵差异较小，测量60 s时流量约为 52 mL/m；A泵流量最小，约为 47.7 mL/m。这是由于营养液添加时，A液与B液需以1 ∶ 1比例添加，因此选用差异较小的蠕动泵。

使用营养液控制系统调控90 L的营养液实践：初始手动方式添加营养液、酸碱度不进行调整，以节省等待时间；当营

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养液电导率由0.2 mS/cm上升至1.1 mS/cm，此时营养液的pH值会迅速下降；系统自行将营养液微调整至设定值 1.2 mS/cm，酸碱度调整至pH值为6，此时需经过较长时间达到平衡，通过蠕动泵增加流量以提高调酸速度。

4 结论

通过物联网技术将精密温室中的各种传感器互联，不但可以实现对农作物的自动管理，而且可以通过互联网远程监控。光量传感器部分采用非晶硅太阳能板，当光量在 350 μmol/（m2·s） 以下时，传感器可在保证精确控制的基础上大幅降低成本。适用于精密温室内环境的无线监控系统，可对风、光、水、养、气进行监控，系统可依照使用地点不同、PICNIC安装数目以及使用传感器种类而更改软件设定，使系统能够很容易移植到相应的农田并易于扩展。控制策略以条列方式进行处理，对控制要素进行扩充，使系统在控制设备的应用更具多样化。

无线监控系统要对设备进行精确控制，无线网络需要有很强的稳定性；因此，必须根据实际环境更改无线接入点的数量，在相对集中的温室或大棚中采用有线网络传输，使系统消除因其他无线网络干扰等带来的不稳定性。

参考文献：

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