基于作物长势实时监测的日光温室物联网系统研究

徐岚俊，李小龙，陈 华，张传帅，刘婞韬

（北京市农业机械试验鉴定推广站，北京 100079）

日光温室环境智能监控系统的研发对于促进北京现代化农业的发展具有积极作用，主要表现在以下3个方面：在政策上，随着农业结构调整，北京农业瞄准“科技创新中心”的定位，为发挥农业科技辐射、引领带动京津冀三地农业水平提高的作用，实现“调粮、保菜、做精畜牧水产”的目标，在蔬菜种植园区建设上，需要开展先进智能化技术配套的研究示范；在产业上，随着农业现代化进程的推进，人工匮乏、工作效率和园区管理效率低下、种植科学化程度低等问题日益凸显，都市型现代农业对劳动生产率、土地利用率、资源利用率提升的需求日趋旺盛，需要综合各园区的管理与生产环节要素，通过智能化的管理和控制手段，实现资源的合理调配、科学的管理、精细化的种植，加快发展方式的转变；在生产上，智能化、信息化技术能实现管理由定性向定量的转变，使管理人员对水、肥、光、温湿度等影响作物生长的因子调节更加精准便捷，决策判断更加科学。日光温室环境智能监控系统能有效提高蔬菜种植生产效率、节约人工和提高经济效益，能让管理环节变得高效，为规模化设施农业发展奠定基础。

近年来，随着设施农业物联网技术的不断发展，北京市大规模种植的园区普遍开展了环境信息采集技术的试验应用，但基于环境信息采集的智能控制还没有完全应用到实际生产中，目前应用的信息采集系统主要依据农民的生产管理经验，而环境监测的数据没有结合作物的实时生长情况，尚未充分具备科学研究的价值。为了更有效地提高日光温室管理的科技水平，在对京郊各大种植园区以及国内各设施农业信息化先进企业进行调研的基础上，设计了基于作物生长实时监测的日光温室环境智能监控系统，为物联网技术在日光温室中的深入应用打下基础。

1 系统结构

1.1 系统总体结构

如图1所示，系统总体结构主要包括远程控制云平台、室外环境监测、室内环境监测、电脑管理平台和移动管理平台等部分，分为信息采集子系统、智能控制子系统和智能管理子系统。系统通过各种传感器等监测设备感知温室内的环境及作物生长信息。传感器采集的数据通过通信终端进入上位机系统[1]，并对温室监测的数据进行存储、计算、分析和共享；同时，传感器采集的环境信息和作物生长信息形成的大数据可供给技术人员进行研究，温室环境控制系统通过控制终端对调控设备进行控制。该物联网系统可以通过App向用户及时发送实时监测信息、预警信息，实现日光温室集成化、网络化远程管理。

图1 系统整体结构设计

1.2 信息采集子系统

信息采集是实现信息化管理、智能化控制的基础。信息采集主要依托于传感器技术来实现，由于日光温室内高温、高湿的环境特性，传感器需具备耐高温、耐腐蚀等功能。目前，主要应用的信息采集项目有空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳浓度、光照瞬时值等，信息采集子系统应用植物长势传感技术，实现作物生长情况和环境情况的同步采集，包括果实膨大传感器、茎秆微变化传感器、叶片温度传感器以及信息采集终端等。

信息采集系统通过各类不同传感器按照设置的采集时间进行相应数据的采集，采集的信息通过低功率的ZigBee无线通信技术[2]传输到温室内的中心节点，温室内的中心节点通过有线网络等传输方式将采集的数据传输到系统的服务器上存储，中心节点的发送地址可以通过网络进行批量修改。

1.3 智能控制子系统

智能控制子系统是日光温室物联网的核心。系统利用传感器监测到的环境和作物生长信息与作物的生长决策模型匹配[3]，将匹配结果通过互联网反馈到温室内相应的控制器，由控制器引导相应的设备运行。目前日光温室中的智能控制系统主要涉及卷帘、补光、除雾、灌溉、施肥等，技术最成熟的是智能灌溉和施肥，但精确补光、除雾手段还较难实现。

智能控制系统主要包括任务计划、预警预报、电动控制3个部分。科学的任务计划以生长决策模型作支撑，本系统的任务计划采用2种方式，一是在自动灌溉施肥方面，根据不同的配方施肥要求在可编程控制器上设置相应的施肥程序，通过肥料注射装置，自动施加肥料溶液。通过这种自动施肥系统能够实现精确可控的水肥一体化灌溉方式，从而大大提高水肥利用效率，充分满足作物生长的需要；二是在卷帘、补光、除雾等环节，采用经验控制，通过经验提前设置作业时间、作业触发条件等进行触发控制。

智能控制子系统的核心部分是水肥一体化灌溉施肥模块，该模块设计的工作方式为显示器（上位机）→不同通讯方式→可编程控制器→控制电缆或无线电→田间控制单元→控制命令管或电缆→灌溉阀门。智能控制子系统主要由以下几个部分组成。

1.3.1 显示器

用于与控制器进行实时通讯，提供操作简单的动态人机运行界面，数据信息长期存储，作为网络化控制的服务中心。

1.3.2 可编程控制器

可编程自动控制器是整个自动控制系统的核心部分，相当于整个控制系统的“大脑”。它负责整个灌溉系统程序的运行和操作、数据的采集存储、系统的报警监控等。

1.3.3 田间电动控制阀门

通过控制电缆连接到可编程控制器，根据可编程控制器上设置的灌溉施肥程序，自动执行来自控制器的命令，实现灌溉的自动启动和关闭。

1.3.4 自动施肥系统

根据不同的配方施肥要求，在可编程控制器上设置相应的施肥程序，通过文丘里施肥泵、电动脉冲式施肥泵或其他肥料注射装置，自动向灌溉系统按比例均匀施加肥料溶液。通过这种自动施肥系统能够实现精确可控的水肥一体化的灌溉方式，从而达到真正的水肥耦合效应。

1.3.5 自动控制配电箱

用于灌溉控制系统中的控制终端设备，如水泵、电机等设备的自动化控制。

1.3.6 不同规格的控制电缆

控制命令和数据信号的传输工具，用于连接自动控制系统内部的所有构成设备。

1.3.7 无线电发送接收装置

专业化设计的无线控制模块，用于无线控制模式。

1.3.8 电源稳压装置和雷电保护装置

自动灌溉施肥控制系统为可编程控制器和各个控制输出设备配备了先进的电源稳压装置和雷电保护装置，能够尽可能减少电源系统对控制系统的影响，以便于控制系统能够在恶劣的环境条件下正常运行。

1.3.9 传感或信号输入设备

主要指用于监控灌溉系统运行状况的传感设备以及提供控制条件或运行数据的传感器或信号输入设备。

1.3.10 预警预报

主要根据作物生长环境参数的安全阈值来启动报警系统。

1.3.11 电动控制

通过控制电缆连接到可编程控制器，根据可编程控制器上设置的条件，自动执行来自控制器的命令，将命令转化为电动开关的工作状况。

1.4 智能管理子系统

智能管理子系统包括基础管理、农事管理、监测控制管理、物流调度管理。

1.4.1 基础管理

包括园区数字地图展示、视频监控和土地、人员及固定资产的数字化管理。通过系统方便地规划土地、温室、人员、固定资产等各种资源，并详尽记录这些资源的历史和当前情况，使农场管理人员可以轻松、高效地管理园区。

1.4.2 农事管理

排产数字化，根据园区资源合理安排生产。通过管理系统制定生产计划，记录每个生产环节的各类资源参与情况以及每个环节的生产情况。

1.4.3 监测控制管理

通过物联网查看传感器采集的土壤温度、土壤水分、空气温湿度、光照及作物生长指标等信息，设定温室内各设备的运行条件，当环境信息未达到预先设定的条件时，自动启动温室内的相关设备，具体包括自动卷帘、自动灌溉、自动加湿除湿、自动施肥、自动补光等设备。

1.4.4 物流调度管理

在物流运输车上安装调度终端，实时采集运输情况，记录运输车辆的行走路径等。

1.5 系统的设计原则

根据系统建设需求，结合信息系统建设的成功经验，采用以下设计原则进行系统设计。

1.5.1 易用性原则

指系统使用的方便程度。由于系统建成后的使用者比较多，使用者的专业知识水平、对农业信息化物联网系统的了解程度大不相同；这就要求系统界面尽量简洁易懂，使系统使用者能够在短期内接受、了解、熟知并应用农业物联网应用系统。

1.5.2 稳定性原则

系统稳定性是指系统保持正常运行的能力。由于系统一旦建立，将嵌入到日常农业生产活动中，一旦系统出现不稳定的情况，将会对农业生产管理活动造成很大的影响；因此系统配置的各类硬件设备必须安全、稳定、可靠。系统应该采用容错性设计[4]，使得系统局部出现问题不会影响到整个系统的使用。

1.5.3 安全性原则

系统安全性是指保护系统内重要机密信息不泄露，防御外部恶意攻击的能力[5]。此系统设计时需要考虑使用多重防护的安全体系，对于数据的安全和保密应该进行相应的处理，提高系统对于恶意攻击的防护能力，并保证与其他应用系统或异构系统间数据传输的安全可靠性和一致性，确保不会有非授权操作和意外的非正常的操作，保证系统数据的安全、完整。

1.5.4 可扩展升级原则

可扩展升级是指系统在使用过程中根据实际需要进行功能扩展或升级的能力。

1.5.5 规范性原则

系统采用统一采集指标、统一编码规则、统一传输格式、统一接口规范，并且形成对外公布的数据接口，保证设施种植园区无论应用哪类物联网系统，只要对应该数据接口，即可向系统传输数据，为下一步在全市推广应用打下基础。

2 系统应用案例

2016年9 月—2017年3月，结合顺义、密云、房山的4个蔬菜种植园区的实际生产，在8栋日光温室内安装了系统涉及的硬件，应用系统管理园区，从而对系统进行全面的试验验证。

2.1 网络设计的稳定性

经试验，系统在短距离采用了ZigBee技术，传输稳定，响应时间短，180 d内没有出现控制失常的情况。

2.2 传感器的精准、稳定性

温度传感器的分辨率达0.1 ℃，误差为±0.5 ℃；湿度传感器的分辨率达到±0.1%（RH），误差为±3%（RH）；光照强度传感器分辨率在1%，误差为±5%；二氧化碳浓度分辨率为1 μL/L，误差为±3%。传感器耗电低，断电后已采集的数据不受影响。

2.3 管理系统使用方便

园区管理者登录后，可实时查看园区的监控情况，生产数据精确到每栋温室，可记录生产、采收、库存情况，传感器采集的数据可以随便分时段、分传感器统计查询，可以曲线图显示，具备预警、预报的功能，控制系统可根据实际生产进行自动、手动控制，系统记录所有设备的工作情况，APP具备系统的所有功能。

2.4 作物长势监测效果明显

作物长势传感器能实时监测植物茎秆粗细的变化、果实膨大速率、叶面的温度等，能够直观地反映植物的生长状态。作物长势监测有助于建立科学的植物生长模型，反映环境和作物生长最直接的联系，并反过来指导生产，如果不应用长势监测技术，则无法判断生长环境条件供给的科学合理性。2017年3月份在京郊开展的作物长势监测试验结果如下：3 d灌溉1次，第3天时作物茎秆的生长速度明显变小；4 d灌溉1次，第4天时作物茎秆停止生长，同时，果实生长速度也明显变慢；2 d灌溉1次，无论作物茎秆还是果实均保持平稳生长。试验表明：作物的长势监测能科学地检验作物的生长情况，从而结合环境的监测判断出作物在不同生长阶段对环境的需求量，为下一步量化作物的生长需要与制作科学的作物生长决策模型打下基础。

3 系统应用前景

基于作物长势监测的日光温室环境智能监控系统应用了无线传输、传感器、计算机编程等技术，具备信息采集、智能控制、智能管理三大系统。结合4个园区8栋温室的应用实践，进行了系统应用、硬件稳定性、传感技术准确性的验证，表明系统稳定、精确，可以进行示范推广。同时，系统只进行了初步的作物长势监测与试验验证，接下来可以借助作物长势监测技术针对各类作物进行细致的研究，研究不同作物生长与水、光、气、土等环境条件的关系，进一步指导科学生产，提高生产效率，避免浪费。

就目前的试验示范情况来看，该系统的应用主要有以下几点优势：

一是合理施用化肥，降低生产成本，减少环境污染。采用因土、因作物、因时间全面平衡施肥技术，有效避免了传统农业中因经验施肥而造成的三多三少（化肥多，有机肥少；N肥多，P、K肥少；三要素肥多，微量元素少），N、P、K比例失调的状况，具有明显的经济和环境效益。

二是节约水资源。目前传统农业灌溉方式的水分利用率只有40%左右，而温室大棚控制系统可通过作物动态监控技术，实现定时、定量供给水分，同时应用滴灌、微灌等一系列新型灌溉技术，使水的消耗量减少到最低程度，并能够获得尽可能高的产量。

三是使农作物的物质营养得到合理分配，保证农产品的产量和质量。通过各类传感器和智能控制设备，对农作物的生产过程进行动态监测和控制，并根据其结果采取相应的措施。

另外，目前市场上环境监测、控制设备众多，有必要进一步建立各类日光温室生产及环境情况的大数据平台，提供标准的接口，方便各个环境监测控制系统把数据共享到该大数据平台，便于政府决策和科研利用。

[1]尚明华,秦磊磊,黎香兰,等.温室环境信息无线监控系统设计与应用[J].山东农业科学,2012,44(10):19-24.

[2]周素茵,章云,曾斌.无线通信技术在我国现代温室中的应用综述[J].传感器与微系统,2011,30(12):14-17.

[3]戴剑锋,罗卫红,乔晓军,等.基于模型的温室加温控制目标优化系统研究[J].农业工程学报,2006,22(11):187-191.

[4]张云飞.关于云计算中的数据汇总和容错性分析[J].电脑知识与技术,2011,7(5):1046-1047.

[5]于杰.面向互联网的软件系统整体安全加固技术的研究与设计[D].北京:北京邮电大学,2013.