基于物联网的日光温室终端控制研究与应用

文/崔玉萍

近年来位于河西地区武威市古浪县的日光温室，在精准扶贫产业引领下发展迅速，但黄花滩移民区大多数日光温室生产方式落后，科技含量低，生产自动化程度有待提高，日光温室产业急需融合科技控制技术，达到精准控制生产要素，提高农业生产效率。突出发展设施农业，运用物联网技术推进设施农业种植业的发展。基于物联网技术的日光温室终端控制与应用就是以日光温室农作物的生长参数作为测控的主要对象，运用物联网的技术对作物的生长参数进行测量、传输、存储、分析和控制，提高设施农业生产过程的智能化控制和规范化管理水平,改变传统日光温室栽种中管理科技含量低、效率低、投入产出比低的状况,提高农业生产效率。本文选取武威市古浪县黄花滩移民区9号点连栋日光温室作为研究对象，研究了基于物联网的日光温室终端控制技术，该系统能够实现温室环境参数的自动采集、实时显示与可视化的数据查询及分析，并监视现场设备的工作状态，实现远程监控、智能控制，提高日光温室生产效率。

1 系统结构

图1：系统结构

智能温室大棚控制器是一种高性能监控仪器，它具有“智能”、“记忆”、“远程控制”及“节省劳动力”等四大显着特点。设备采用先进的微传感器技术将日光温室大棚内的温度、湿度、二氧化碳、光照等多种环境参数采集到微电脑处理器中，微电脑通过智能设置及算法，自动开启或关闭风机、湿帘、加热设备等，自动实现温度调整，湿度调整、通风散热，加热保温，定时光照、智能灌溉、故障报警等功能，使标准化大棚温室内环境在无人值守的情况下设备能自动工作。系统主要包括输入接口、模拟传感器、输出端口、执行机构、操作终端及软件平台。系统通过各种传感器等监测设备感知温室内的环境信息。传感器采集的数据通过通信终端进入上位机系统，并对温室监测的数据进行存储、计算分析和共享，温室环境控制算法通控制终端对调控设备进行控制。该物联网系统还可以通过手机APP或手机流量短信向用户发送实时监测信息、预警信息，实现日光温室集成化、网络化远程管理。系统结构如图1所示。

2 智能控制系统

远程控制的实现使技术人员在办公室就能对多个大棚的环境进行监测控制。采用无线网络来测量获得作物生长的最佳条件，可以为温室精准调控提供科学依据，达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。日光温室、连栋温室控制设备包括内遮阳、外遮阳、风机、湿帘水泵、顶部通风、电磁阀等设备，测控系统由平板电脑、测控模块、各种传感器、电磁阀、配电控制柜及安装附件组成，通过无线Wi-Fi或GPRS模块与综合控制中心连接。通过传感器检测空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤水分、光照强度及二氧化碳等参数，构建测控点实现日光温室环境获取、自动灌溉、自动控制等功能，提高设施生产自动化、智能化程度，具有较好的示范展示效果。

通过光照、温度、湿度、日照数这些无线传感器，对温室内的光照强度、空气和土壤温度、空气和土壤湿度、日照数的环境参数进行实时采集，并进行分析，依据分析结果，自动开启或者关闭指定设备(如远程控制浇灌、开关卷帘等)。同时在温室现场布置摄像头等监控设备，适时采集视频信号。用户通过电脑或4G手机，随时随地观察现场情况、查看现场温湿度等数据和控制远程智能调节指定设备。

图2：中央控制室

图3：系统数据监控图

物联网智能监控系统不仅能对智能温室大棚生产过程中的参数在线高精度测量,而且能实现棚内调温、灌溉等智能控制或报警提示，自动实现保湿、通风、光照调节和历史数据的记录。主控中心和大棚控制器之间采用无线电台或有线进行连接，每栋大棚内，温度、湿度、光照等信号均模块化，不仅扩展灵活而且可多点取样，大棚数据反映准确迅速。可通过现场计算机更改大棚号和名称。主控中心软件界面采用数码管和仪表盘显示形式，显示直观、可视性好、界面精美。该软件可显示设置室内外温度、湿度、光照等参数，并能进行手动/自动控制和切换、自动报警通知等。温室测控点平板电脑、测控模块、各种传感器、电磁阀、配电控制柜及安装附件组成，无线Wi-Fi或GPRS模块与综合控制中心连接。示范联栋温室内传感器检测空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤水分、光照强度及二氧化碳等参数。控制设备包括内遮阳、外遮阳、风机、湿帘水泵、顶部通风、电磁阀等设备。并对基地设施条件较好的日光温室，构建测控点实现日光温室环境获取、自动灌溉、自动控制等功能。该日光温室、连栋温室测控点的建立进一步提高设施生产自动化、智能化程度，具有较好的示范展示效果。中央控制室如图2所示。

2.1 温度自动调节系统

选用二个联栋温室，在每个联栋温室内分别装置空气温度传感器，夏天气温升高，如果系统发现温室内某个空气温度传感器监测到温室内温度超过系统预设的适合农作物的温度，会自动启动相对应的风机和天窗进行排风，启动湿帘给温室降温，直至温室温度值达到预设的区间。

2.2 湿度自动调节系统

系统通过温室内分布的空气湿度传感器，自动定时监测温室内空气湿度，如发现湿度过高，则会启动相应风机工作，给温室通风换气，降低温室内湿度，如发现空气湿度过低，则会启动加湿水帘。直到空气湿度满足作物生长要求。

2.3 光照强度调节系统

在大棚里布置多个光照强度传感器，分别对应温室的内外遮阳系统，只要光照传感器监测的数据与系统内设的数据发生了偏差，系统会自动启动遮阳或补光灯系统进行干预调节，直到棚内光照满足作物所需。

2.4 自动浇灌控制系统

智能浇灌系统是根据分布在温室内的土壤水分传感器监测到的即时土壤水分参数，根据不同的作物，在系统内设定不同的土壤水分参数区间，只要实测参数偏离正常区间值，计算机系统自动启动对各灌溉电磁阀精确控制，确保每块种植区域的土壤水分都符合该区块作物的生长要求。可对智能灌溉、水肥一体化、大棚设施进行手动或自动控制。依据监测信息和预先设定的控制阈值，启动自动控制执行设备，能够实现智能设置控制阈值，远程在线自动控制、实时手动控制，并能在参数达到正常合理值得时候，实现自动关停。

3 系统应用分析

该系统在武威市古浪县黄花滩移民区9号点日光温室园区进行安装调试，温室内种植辣椒、试验期间辣椒处于幼苗期，选择两栋日光温室安装基于物联网的日光温室终端控制系统。

3.1 数据实时监测

系统实时采集的温室内的要素包括空气相对湿度、温度、土壤温度、光照强度和CO2 浓度和六大要素以实时曲线的方式显示，准确记录历史数据同时及时分析各参数变化对作物生长的影响，确保实现对设施作物生长环境数据的精确监测，图 3所示为2019年 1月10 日（室外温度为-3 ～-10℃）1# 实验日光温室内某一时刻的空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、CO2浓度变化曲线。从图3所示中可以看出，通过物联网监控系统的自动调控，温室内温度基本控制在 15 ～28℃范围内，空气湿度在 50% ～70% 之间，均在辣椒植株地上部分生长的适温范围内。辣椒处于幼苗期时，土壤呼吸旺盛，群体光合较弱，且冬季日光温室几乎处于全闭状态，因而辣椒 CO2水平较高，基本维持在 500ppm 以上，未发生 CO2亏缺，因此不需要进行CO2施肥。

图4

图5

3.2 视频监控

从总体上来看，图像和视频提供的农作物生长状态信息更加丰富和直观。运用系统中的高清视频设备，通过无线桥网传输，将作物生长情况以及病害发生情况的图片信息，为作物远程病虫害诊断及环境信息采集控制系统提供有效的数据支持。相关专家可以通过互联网对各地生产进行指导与诊断，实现重大病虫害的预防监测，为最终实现武威市范围内规模化生产的基地联网监测平台奠定基础。

安装基于物联网的日光温室终端控制系统能提高温室作物生产效率，该项技术是温室生产的核心竞争力、融合了传感器技术、计算机控制、网络通信以及物联网等技术的智能监控系统被被河西地区越来越多地运用到日光温室生产，借助物联网技术可实现利用手机短信、电子显示屏、网站等多媒体发布低温预警服务，并采用远程智能控制方式实现对温室定时加温。由此可以看出，我国河西地区农业物联网技术研究广泛深入，总体上处于试验示范阶段，规模小且分散。本研究以连栋日光温室作为应用对象，基于物联网技术框架，设计并实现了日光温室智能监控系统，实现了温室内生产设备的远程控制和农业管理的自动化、智能化生产，结果表明，该控制系统具有良好的扩展性和实用性，对于实现温室的智能化测控管理，降低劳动强度，提高生产效率，创造大棚生产的最佳效益将产生积极作用。