基于物联网的阳台微型温室作物生长环境因子探究

张 芳，王佩欣，何 勇，骆慧枫，寿国忠，*

(1.浙江农林大学 工程学院，浙江 杭州 311300； 2.浙江农林大学 农业与食品科学学院，浙江 杭州 311300； 3.杭州市农业科学研究院，浙江 杭州 311300)

2014年国家对新型城镇化的提出，推动了人口城市化的快速发展，城镇化率由1978年的17.86%提升到2018年的59.58%[1]。随着可用地面积的不足，阳台农业正逐渐成为一种新的农业生产模式，深受人们的追捧[2]。

樱桃番茄又称圣女果，一年四季均可栽培，因其口味独特、营养丰富等特点深受消费者喜爱[3]。温室樱桃番茄对生长环境有着较高的要求，温室内小气候既受外界环境的影响又与其温室结构、覆盖材料和管理有关，准确了解作物生长环境的变化规律有利于管理和调控作物生长，提高种植效率。传统温室环境参数由人工通过简单的仪表仪器来测量，效率低下、精度不高。随着物联网技术的快速发展，作物的生长环境实现了智能调控[4]。本文采用新一代物联网技术将LoRa无线通信技术应用到农业生产中，不仅功耗低，而且点到点的无线通信距离更远，减少了中继的使用，既简化网络结构、节约成本，又能提高通信质量[5-6]。

目前，国内外学者对温室樱桃番茄的设施栽培技术已经有了较多研究，但对樱桃番茄整个生长期不同区域环境因子特征实时采集与全面分析较少。由于温室环境因子存在空间差异性，某一点环境测量值不能代表整个温室环境的真实值，若不具体分析，环境因子的不适宜将直接关系到其生长和最终产量。本文通过新一代物联网系统实时获取不同区域樱桃番茄生长的空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳浓度、光照强度等环境因子变化规律[7]。通过对其生长环境的长期监控，研究阳台微型温室内不同区域的环境因子日变化和差异，以期为后期阳台温室樱桃番茄生长环境精确调控提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验点位于浙江农林大学三楼阳台(东经119°72′，北纬 30°23′)。温室长3 m，宽3 m，高2.5 m，南北朝向，北面和东侧都靠墙。温室主体结构为钢结构支撑，覆盖材料为聚碳酸酯板，顶部设有天窗和遮帘网用于空气流通与遮阳。

1.2 新一代物联网系统的搭建

阳台微型温室内搭建的物联网系统由硬件设施和软件平台组成。硬件设施的搭建主要包括数据采集、视频监控、无线传输3个部分[8]。数据采集系统主要是由多合一无线传感器实现对温室内、外环境数据的实时采集。视频监控系统由温室外和温室内高清球型摄像头实现对樱桃番茄生长状况的观测。无线传输系统由LoRa网关实现对各个LoRa传感节点的管理，通过收集各传感数据进行数据解析并将数据保存到云数据库中，最后实时显示在大屏幕上[9-10]。软件平台是由Apache服务器和HTML内嵌的PHP等开发工具搭建，实现对温室内樱桃番茄种植管理的显示。新一代物联网系统总体结构如图1所示。

1.3 试验方法

供试樱桃番茄品种为钱江金珠，基质栽培采用的是淮安卉盛农林园艺发展有限公司生产的有机基质，以优质泥炭、木薯渣、腐熟植物秸秆为主，辅料含有蛭石、珍珠岩、食用菌棒。于2019年3月24日播种育苗，4月3日定植到阳台微型温室。温室内共8个基质盆，每盆定植2株。为保持其生长的质量与产量，每株樱桃番茄只保留3穗花，随后进行打顶处理。根据当地春夏季天气特点，4月底在温室顶部覆盖遮阳网，通风口不关闭。

将温室内8盆樱桃番茄分为内侧组与外侧组，如图2所示：基质盆1、2、3、4为内侧组，基质盆5、6、7、8为外侧组。从育苗开始，整个生长期只对不同区域种植的樱桃番茄通过喷灌头进行浇水处理，无施肥处理。

樱桃番茄定植后，分别选取不同天气下各一天的环境数据进行分析，描述其在不同区域环境因子的变化特征，并且每旬对不同区域的樱桃番茄进行株高测量。幼苗期环境数据选取2019年4月3日(雨天)、2019年4月17日(晴天)，开花期选取2019年6月15日(晴天)、2019年6月25日(雨天)，结果期选取2019年7月5日(晴天)、2019年7月13日(雨天)。

图1 新一代物联网系统总体结构图Fig.1 General structure diagram of next generation internet of things system

1.4 数据采集

温室内共放置4个具有外部拓展口的五合一百叶型LoRa传感器节点，实时获取不同区域的空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳浓度、光照强度[7]。传感器节点具体摆放位置如图2所示。在试验期间全天24 h自动采集数据，采集频率为15 min采集1次。

1.5 数据处理

将采集的数据从软件管理平台上下载下来，采用Microsoft Excel 2019进行数据处理，在Originpro 2015上进行绘图并分析。

图2 阳台微型温室内部结构示意图Fig.2 Schematic diagram of interior structure of mini-greenhouse on the balcony

2 结果与分析

2.1 不同生长期光照强度变化规律

光照是作物获得能量的重要来源，对于喜温植物来说，光照强度的大小在一定程度上决定了温室环境的好坏。由图3可见：温室内与温室外光照强度日变化趋势相同：夜晚为0，白天开始增强，达到峰值后下降。峰值的到来受季节的影响，幼苗期与结果期的峰值一般出现在12:00前后，处于开花期的峰值出现在14:00—17:00。温室外光照强度总体上明显高于温室内。温室内不同位置光照强度也有明显差异，上部区域的光照强度强于下部，外侧组的光照强度强于温室内侧组。

A，幼苗期(晴天)；B，幼苗期(雨天)；C，开花期(晴天)；D，开花期(雨天)；E，结果期(晴天)；F，结果期(雨天)。下同。A， Seedling stage (sunny); B， Seedling stage (rainy); C， Flowering stage (sunny); D， Flowering stage (rainy); E， Fruiting stage (sunny); F， Fruiting stage (sunny). The same as below.图3 不同生长期阳台微型温室不同区域光照强度变化Fig.3 Changes of light intensity in different regions of mini-greenhouse on the balcony at different growth stages

2.2 不同生长期温度变化规律

由图4可见，阳台微型温室的空气温度与土壤温度日变化曲线均呈“单峰”型。清晨温度开始上升，在14:00—16:00温度达到峰值，随后开始下降。测试期间内、外侧组温度均可满足小番茄正常生长。整个生长期温室内空气温度均高于温室外。温室内外侧组土壤温度高于内侧组。幼苗期内、外侧组空气温度无明显差异，开花期与结果期内侧组的空气温度明显高于外侧组。

2.3 不同生长期湿度变化规律

如图5所示，温度升高，湿度开始减小，不同天气条件下空气湿度变化趋势与空气温度相反，在一天内呈“单谷”型。测试期间樱桃番茄的土壤湿度为70%～90%，均可满足其正常生长。温室外的空气湿度总体显著大于温室内。由于土壤的热容量大于空气，空气湿度日变化曲线波动较大，土壤湿度较为平稳。幼苗期内侧组空气湿度大于外侧组，进入开花期后，外侧组平均空气湿度比内侧组高4%～6%，结果期空气湿度高于开花期且日变化曲线趋于变缓。

图4 不同生长期阳台微型温室不同区域温度变化Fig.4 Changes of light intensity in different regions of mini-greenhouse on the balcony at different growth periods

2.4 不同生长期二氧化碳浓度变化规律

如图6所示，二氧化碳浓度日变化曲线呈“U”型，夜晚温室内二氧化碳浓度较高，日出后开始降低，19:00左右又开始缓慢上升。可能由于太阳直射角的变化，导致温室内不同区域二氧化碳浓度日变化曲线呈不规则变化，其中，外侧组二氧化碳浓度比内侧组高。幼苗期，内、外侧组二氧化碳波动均较为平缓；进入开花期后，二氧化碳平均浓度相较于幼苗期有所上升；结果期的二氧化碳浓度略小于幼苗期和开花期。

图6 不同生长期阳台微型温室不同区域二氧化碳浓度变化Fig.6 Change of carbon dioxide in different regions of mini-greenhouse on the balcony at different growth periods

2.5 不同区域樱桃番茄生长状况比较

樱桃番茄是喜温植物，既不抗寒又不耐热，生长环境的变化直接影响其生长状况。表1是樱桃番茄定植后不同区域株高的测量记录。由表1可见：定植第20天时，内、外侧组樱桃番茄株高无明显差异。定植第40天时，外侧组樱桃番茄已明显高于内侧组，与温室外侧组相比，温室内侧组没有阳光直射的区域在一定程度上抑制了樱桃番茄幼苗期的生长发育。定植第60天，外侧组樱桃番茄已处于开花期，生长旺盛，植株粗壮，株高95 cm；内侧组樱桃番茄植株弱小，发育迟缓，叶片向内微卷。定植第90天，外侧组樱桃番茄果实开始膨大，内侧组樱桃番茄株高73 cm，生长缓慢，生长新叶出现黄化，图7是此时阳台温室的内、外侧组樱桃番茄生长对比图片。果实成熟采摘后进行统计与称量，外侧组每穗樱桃番茄生长个数为15～21，平均单果重为16.9 g；内侧组樱桃番茄有几株无果实，每穗樱桃番茄生长个数为3～8，平均单果重为10.3 g。

表1 不同区域樱桃番茄株高Table 1 Plant height of cherry tomatoes in different regions

A，内侧组；B，外侧组。A， Inside group; B， outside group.图7 温室内、外侧樱桃番茄生长对比Fig.7 Comparison of growth between inside and outside cherry tomatoes

3 结论与讨论

本研究显示：晴天时温室内光照强度低于温室外，温室内，外侧组上部区域的光照强度最高集中在30 000～36 000 lx，外侧组下部区域最高集中在20 000～31 000 lx；内侧组上部区域最高集中在22 000～30 000 lx，内侧组下部区域最高不足19 000 lx。要维持樱桃番茄正常生长发育，应保证光照强度在30 000～35 000 lx。外侧组的光照强度能较好地满足樱桃番茄的生长，内侧组上部区域次之，内侧组下部区域光照强度明显不足。温室内侧组较低的光照强度一定程度上抑制了樱桃番茄的生长，这与戴伟等[11]温室环境气候对水稻的生长结论一致。要根据作物习性和天气状况及时进行合理补光，建议适当延长内侧组樱桃番茄光合作用时间。

空气温度升高时，空气湿度开始减小。温度差异由天气决定，幼苗期温室昼夜温差明显，内、外侧组空气温度和土壤温度相近。开花期与结果期昼夜温差开始缩小，不同区域环境变化有明显差异。由于靠近通风口，外侧组空气温度波动较大，土壤温度也高于内侧组。当外界空气温度较高时，虽然土壤湿度的日变化不剧烈，但外侧组土壤湿度会低于内侧组，导致内侧组土壤湿度较大，在灌水时，建议增大外侧灌水量，减少内侧组灌水量，同时要注意温室内侧组通风防止病虫害发生。

温室内不同区域二氧化碳浓度变化不同，外侧组二氧化碳浓度大于内侧组。幼苗期由于植株较小，光合作用较弱，土壤呼吸旺盛，晴天二氧化碳浓度有所波动。雨天变化程度较晴天平稳且二氧化碳浓度平均水平低于晴天。开花期二氧化碳日变化曲线呈“U”型，这与魏珉等[12]对日光温室二氧化碳浓度规律研究一致，但趋势不明显，主要是由于温室作物较少。影响二氧化碳浓度变化的主要是光照强度，结果期处于梅雨季节，光照强度不强，导致二氧化碳浓度日变化趋势较平缓且低于前2个生长期。樱桃番茄在开花与结果期，以及温度较高和光合作用较强的时期对二氧化碳需求量较大，建议补充二氧化碳。为保证樱桃番茄的正常生长，从幼苗期开始，白天要加大温室通风力度，提高温室内侧组的二氧化碳浓度。

综上所述，本文使用的新一代物联网系统能很好地对樱桃番茄的生长环境进行监测，从多个环境因子进行详细分析，对今后的阳台温室精准农业有很大的现实意义。但本文的不足之处在于，所用数据仅来自一个生长期观测，为了更好指导用户生产，应当结合当地的天气变化情况，对樱桃番茄的生长发育期进行观测分析。