基于物联网技术的智能养蚕温室系统设计

孙海燕，陈伟国，戴建忠，钱秋杰

（海宁市蚕桑技术服务站，浙江 嘉兴 314400）

基于物联网技术的智能养蚕温室系统设计

孙海燕，陈伟国，戴建忠，钱秋杰

（海宁市蚕桑技术服务站，浙江 嘉兴 314400）

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，是互联网基础上延伸和拓展的一种网络，通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描、视频监控、物理化学传感器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。现阶段我国农业发展正处于从传统向现代化大农业过渡的进程当中，单纯的机械化农业并不能解决产量的提高和资源的浪费之间的矛盾，急需用现代物质条件进行装备，用现代科学技术进行改造，用现代经营形式去推进，用现代发展理念来引领。物联网的快速发展，为我国农业与世界农业同步发展提供了一个国际领先的全新平台，智能农业也就应运而生。目前，智能农业应用领域主要有智能温室、节水灌溉、智能化培育控制、水产养殖环境监控等。近年来，蚕桑生产中也开始尝试引入物联网技术，据报道，江苏省如东县有农户通过物联网来自动调整并监控蚕室的温度，但是蚕室湿度、空气、光线等环境要素未能实现智能化控制。为深入探索物联网技术服务蚕桑产业的前景，达到养蚕的智能化，实现蚕桑产业的转型升级，海宁市周王庙镇云龙村建立了基于物联网技术的智能养蚕温室系统。

1智能养蚕温室建设目标

随着美丽乡村建设的不断深入，加快了对分散农村居民的农房集聚和新社区的建设，同时农村生产用房面积急剧萎缩，导致养蚕用房必须另找出路。目前，钢管结构的塑料薄膜大棚养蚕解决了养蚕用房，也改了善居住环境，但大棚蚕室的温、湿度难以有效调控，经常会出现35℃以上的高温，甚至会出现40℃的极高温度，对大棚养蚕的蚕茧产量、质量产生较大影响。利用钢结构框架、玻璃材质墙面建造的温室，相比传统大棚不仅扩大了单位面积的空间利用率，而且易于增加通风窗口和遮阳设备，在炎热的夏季能提高通风、降温、排湿能力，保证良好的饲养环境，促使蚕体健康发育，从而获得蚕茧的丰收。

物联网的建设使用，一方面为了让劳动力从蚕室环境控制工作中解放出来，从而有利于构建现代蚕业技术体系。利用空气温湿度传感器采集环境信息，通过网络传输实现对养蚕环境参数的实时检测和处理，并且利用环境设备的自动化管理，实现目标环境状态的自动化控制；另一方面通过移动端使用平台的建立，利用无线网络实现环境状态的远程视频监控和相关设备的远程操控。物联网的成功使用，也将促使人工饲料四季饲养家蚕的可能性成为现实。

本方案采用玻璃温室、地源热泵空调、加湿等设备和物联网智能控制技术，实时采集和控制环境温、湿度，按照设定的养蚕环境参数实施自动控制，并通过物联网实现数据和视频图像的远程监控，以及远程操控相关设施设备。

2智能养蚕温室设计方案

2.1玻璃温室与环境调控设备

2.1.1玻璃温室主体结构

玻璃温室建造采用透光率高、密封性好、通风面积大、屋面排水效率高、使用灵活性强的三尖顶文洛型温室大棚，东西向长度为20 m，南北向宽度为10.8 m，总占地面积216 m2，玻璃墙体高度4 m，棚顶高5 m，外拉幕立柱高5.5 m。温室主体形式为天沟连接多连跨栓接装配式结构，文洛式屋面，主要由斜樑、立柱、檩条、天沟等部件组成。根据家蚕饲养特点，小蚕喜高温多湿，大蚕室要求通风保温良好，故将温室大棚分隔成小蚕室和大蚕室，以控制不同的环境温、温度。

2.1.2地源热泵空调设备

家蚕属于变温动物，生长发育的适温范围为20～30℃，在此适温范围内发育进度随温度上升而加快；温度过低发育减慢，食下量减少，生长不良；超过35℃的高温也会影响生长发育，甚至死亡。在适温范围内小蚕期适当偏高温度饲育，大蚕期适当偏低温度饲育，有利家蚕的正常生长发育，提高叶丝转化率和养蚕的经济效益。因此，控制养蚕环境温度是保障养蚕安全的重要措施。调节蚕室温度的方法和设备有多种，本方案采用了地源热泵空调系统。其原理是利用浅层地表地热能，通过压缩机进行热交换，达到增温降温的目的，是一种清洁、绿色、节能设备，目前正逐步应用到现代设施农业上。玻璃温室建设前，在地下70～200米深度预埋了大量闭路循环管道，利用地下水恒温特性作为热能量交换来源，通过压缩机组的工作将地表热能转化为制热量或者制冷量，再通过回水系统以控制玻璃温室内5台出风机组的制热或制冷。地源热泵维护简便，机组使用寿命均在10 a以上，地埋管换热器寿命可达40～50 a，且供热、供冷平稳，降低了停、开机的频率和空气过冷和过热的峰值，更有利于养蚕环境的控制。

2.1.3环境加湿设备

水是蚕体重要的组成成分，蚕体内的水分占75%～88%。环境湿度过低，易使桑叶失水萎凋，蚕的食下量减少，蚕体水分下降、营养不良，发育经过延长，眠中还可能引起蜕皮困难。养蚕的适宜环境湿度，因蚕龄大小而不同。1～2龄90%左右，3龄约85%，4龄70%～80%，5龄65%～75%。如果采用人工饲料，环境湿度还需相应提高，以减缓饲料水分失散。通常情况下，环境湿度低于养蚕的适宜湿度，因此，需要使用相应的设备来提高养蚕环境湿度。

小蚕室采用离心式加湿器，其工作原理是由电机带动离心式转盘高速旋转，将水强力甩出打在雾化盘上，把自来水雾化成5～10 μm左右的超微粒子后喷射出来，经加湿器上端扇叶两次破碎后向上喷出，水粒接触空气后进一步雾化成水分子，从而增加空气湿度。

大蚕室采用推车离心式加湿风机，水在旋转碟和雾粒喷散装置作用下，利用离心力将水粉碎成10 μm左右的雾滴喷出，风扇产生的强力气流吹向雾滴，提高了液体表面风速，加快水分子蒸发扩散。由于风力强，有效喷射距离超过10 m。除用于环境加湿外，还可将消毒液喷雾来用于养蚕环境消毒。

加湿器既可独立使用，也可在物联网系统控制下实现全自动控湿。当环境湿度低于设定湿度时开启加湿设备，达到设定湿度时停止加湿。

2.1.4玻璃温室遮阳通风系统

遮阳系统建设分内遮阳系统和外遮阳系统。内遮阳系统选用遮阳率65%以上的缀铝编织内用幕，利用驱动电机及联轴器，推动带有A型齿条的推杆，完成幕布的开合。外遮阳系统利用温室的雨槽固定立柱，并在各立柱之间架设钢管横梁，组成田字形网状支架。采用遮阳率70%以上的遮阳网，利用驱动电机驱动A型齿轮，带动传动齿条完成遮阳网的展开与收拢。内遮阳和外遮阳系统都能够将遮阳网开、停在任意位置，以达到遮阳要求。

玻璃温室通风系统采用顶部开窗通风和南北玻璃墙开窗通风形式，使室内外空气形成对流，以达到通风除湿降温的效果。顶部开窗系统配有电动机传动，可以实现自动化的开关。

2.2物联网控制系统设计方案

2.2.1温室物联网系统硬件

温室内4台空气温湿度采集器分别分布在大蚕室、小蚕室、操作室及室外，利用空气温湿度传感器采集相关数据并上传到管理服务器。服务器根据管理人员设定的温湿度和采集到的实时各环境温湿度数据进行处理，并将处理结果通过网络传输给物联网智能控制器，由智能控制器驱动继电器模块，以实现各环境设备的运转。同时，在温室的重要区域安装了高清数字枪机，并配合视屏硬盘录像机，实现24 h实时视频监控温室内和周围情况，需要时还可以选择时段回放。

2.2.2电脑端物联网控制系统

海宁云龙四季养蚕温室电脑端物联网服务平台系统具有全面监控、采集温室环境信息和智能化管理生产设备等功能，同时还能对温室内的管理、环境信息进行统一的展示。

打开浏览器，输入服务器名称后，进入平台登录界面。通过输入用户名和密码，登录物联网服务平台系统，该系统主要包含数据监控、系统配置、视频监控和组织权限四项主要功能。

数据监控是用户登录后的默认显示界面。显示的信息主要包括温室虚拟结构图、温室各区域的基本信息、温室内所有设备运行情况和环境、设备异常预警。通过点击结构图的某个区域，就能显示此区域的实时数据采集情况和设备的运转情况，还能将智能控制模式转换成手动控制模式，以便于主动控制设备运转改变环境条件。同时，点击方案图标能查看和修改该区域内智能控制温度、湿度、光照和通风设施的配置情况。点击视频按钮能观看到该区域内的视频监控实时画面。

系统配置界面显示的信息主要包括各区域设备的设置情况和各设备的增减管理。系统配置界面是生产人员配置各种智能控制数据的界面，也可以查看各个模块中所配置的数据情况。通过点击方案配置可以选择定时方案和环境方案来添加、删除和修改方案包以求正确建立智能温室自动化控制方案包。定时方案可以实现温室内、外遮阳网和天窗的定时开合，环境方案可以实现目标温湿度的实时自动化精准控制。

视频监控界面显示的信息为各区域的实时监控画面，可以单独显示某个高清数字枪机所捕获的监控画面，也可以以4宫格或9宫格的形式显示各高清数字枪机所捕获监控画面。

组织权限是对整个系统中操作人员的权限进行分配与管理，主要包括人员管理、组织管理、岗位管理、权限管理、账户管理和角色管理等。

2.2.3移动端物联网控制系统

首先在安卓移动平台端安装“农业物联网”app，然后打开软件设置server地址并保存，这样就能连接架设于云龙村智能养蚕温室内的物联网系统服务器，实现各区域实时的视频监控和环境数据的查看，并适时调整相关设备的运转，主动控制饲养环境的改变。应用内主要包括：生产实况、视频监控、数据采集和设备控制。

在生产实况界面内可以通过选择相应区域来查看该区域内相关的实时视频监控画面与环境数据信息，以达到饲养环境的随时掌握。

视频监控界面可以查看选择区域内的实时视频监控画面，并对需要场景进行截屏留底。

数据采集界面可以查看、掌握选择区域内的实时环境信息。

设备控制界面可手动远程控制智能养蚕温室内各设备的运转，可以随时按照家蚕饲养要求来改变饲养环境。

3讨论

随着人工饲料养蚕技术的不断发展，使得工厂化养蚕变成了可能，但是相比桑叶育，人工饲料养蚕对蚕室的温度、湿度和光线等环境因素控制要求更高，因此，玻璃温室大棚的建立和物联网技术的运用，实现了养蚕环境的全程远程实时视频监控与实时调控，实现了蚕室环境控制的自动化、全程化、网络化，实现了传统产业向精确感知、智能信息处理和决策、机械化控制改造等智能农业的转变。当然，物联网智能控制与养蚕温室也面临一些问题。一是，初期建设成本高。玻璃温室与地源热泵系统虽然使用年限长，但是建设一次性投入大幅高于简易大棚及空调系统；农业物联网也未全面普及，导致系统设备价格居高不下，成为了推广应用的最大障碍。二是，尚未开发基于养蚕环境所设计的物联网系统，软件界面暂时借用设施农业物联网系统，直观性、美观性和操作性有待改进。三是，物联网系统和该系统控制下的养蚕环境各类设备的控制匹配尚属首次尝试，工作的可靠性和稳定性有待进一步检验。因此，应用智能养蚕温室和人工饲料等新技术，实现传统养蚕业向智能化、工厂化的现代农业转变，需要在不断探索和实践中逐步完善提高。