基于物联网的温室大棚控制系统设计*

曾 学，贺成柱

(1.甘肃华维智慧农业发展有限公司，甘肃 兰州 730030； 2.甘肃省机械科学研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730030)

0 引 言

农业作为我国国民经济基础，现阶段主流农业模式仍是传统农业生产方式，多采用以半人工半机械劳作方式[1-2]。与日韩和欧美和等发达国家比较，我国农业还未普及规模化智能化作业方式。目前我国工业现代化发展成果显著，采用先进技术手段，对农业生产要素进行人为可控，是摆脱农业生产对自然环境的严重依赖的重要工具和途径[3-4]。国内广大科技工作者致力于将物联网、水肥一体化等技术应用于智慧农业大棚[5]。文献[6]设计的温室大棚可满足植物生长、减少人工，缓解土地压力，但各生产要素单一控制，在温室效益提升方面还有较大空间。为确保植物长期处于最佳生长条件下，文献[7]、[8]采用无线传感器网络、远端云平台等技术，采集温室内植物生长环境与植物生长状态信息并控制现场执行设备动作。目的是提高温室对多种作物的适应性，文献[9]基于神经网络技术预测温室环境信息，可优化调节作物生长条件。目的是有效解决智能温室环境与作物多点采集长期存储造成的数据冗杂问题，文献[10]通过构建数据中心将各类数据存储于对应数据库，提高用户查询使用效率。

笔者结合目标设计需求,重点通过在土壤和作物生长环境中安装环境各种传感器、控制终端和电气执行设备，对温室大棚内农作物生长的空气温度、湿度、光照度、二氧化碳等气候环境状况和土壤温度、水分、PH值等墒情状况进行监测和管理；实现农作物在各个生长阶段按照农艺控制参数要求，达到远程或自动进行灌溉、卷帘、喷淋、施肥及打药等，使作物保持在在适宜的生长环境的最终目标。

1 项目概况及要求

为解决果蔬供应淡旺季的局限性问题，内蒙土默特左旗需要设计满足当地气候的温棚结构及配套设施——节地型内保温日光温室，项目于2021年6月份启动，共建成6组温室大棚。每组温室建筑面积1 466.44 m2，温室长120.2 m、跨度12.2 m、后墙高4 m、顶高为6 m，温室方位角南偏西5°，后屋面仰角为75°。主体骨架材料为热镀锌带内几字钢装配式骨架，温室的前后屋面骨架均采用35×36×2的内几字钢镀锌装配式骨架，用专用的镀锌连接件连接，横向11道25×25×1.5内几字钢镀锌管。根据内蒙土特默左旗的实际情况，温室方位角采用座北朝南偏西3°～6°为宜，温室由南向北排列，每组温室之间相距12 m。该温室采用压块机制作温室机制土墙体，代替传统土墙及砖墙实现了温室建造的低成本化、快速化，使其具备高效的蓄放热性能；无立柱结构，种植面积开阔，采光效果好。

所开发物联网温棚控制系统，需要满足符合果类蔬种植的温度环境要求，顶开窗通风系统、内遮阳系统、外遮阳系统、风机/湿帘降温系统、水肥灌溉系统、内循环风机、电供暖系统等配合调节，按照农作物栽培工艺要求目标值，现场调节上述系统控制终端保持农作物始终处于最佳生长环境中，根据以上目标要求提出以下基于物联网的温室大棚系统设计方案。

2 系统总体设计

基于物联网的温室大棚系统借助物联网、智慧农业构建集环境监控、精准调节为一体的农业生产系统，对不同的农业生产环境及对象进行监测监管，通过传感设备检测环境的物理参数，对土壤、虫情、气象、苗情等生产环境状况进行实时动态监控，为农作物栽培工艺改进提供数据服务，提高农产品品质，促进我国食品安全，帮助农户增产增收。

2.1 系统架构

基于物联网的温室大棚系统，通过在土壤和作物生长环境中安装环境各种传感器、控制终端和电气执行设备，对温室大棚内农作物生长的空气温度、湿度、光照度、二氧化碳等气候环境状况和土壤温度、水分、PH值等墒情状况进行监测和管理，通过对作物长势、病虫害情况等进行分析和预测，按照农作物各个生长阶段的农艺控制参数要求，远程或自动控制侧窗通风系统、水肥一体化系统、外遮阳系统、补光等设备，实现灌溉、卷帘、喷淋、施肥、打药等作物管护智能化，保证温棚环境适宜农作物生长，系统架构如图1所示。

图1 物联网温棚系统架构图

2.2 系统功能

物联网温棚系统将物联网、云平台、无线传感器和智能控制等技术应用于温室大棚，通过先进的计算机信息技术和现代温棚设施，农户通过手机或计算机课远程调控作物生长环境，实现高产值和高效益的农业生产。农户使用该系统时，预先按照作物培养农艺生长阶段需求设置环境参数，现场安装的各传感器对温室大棚内的温室环境、土壤墒情和苗情状况进行监测，主要对空气温湿度、光照度、土壤温湿度、土壤PH值、土壤养分、二氧化碳浓度等环境参数进行采集，发送至上位机进行统计分析存储，控制现场执行设备动作，同时将预警信息推送至农户手机，农户也可查询农技知识等，上述功能实现了温棚集约化远程管控，系统功能结构如图2所示。

图2 系统功能结构图

3 系统设计及实现

物联网温棚系统通过安装各类传感器，远程实时采集农作物生长环境信息，包括温室环境、土壤墒情和苗情状况等数据，按照农作物栽培工艺要求设置最优环境目标值，现场调节控制终端按照控制策略实现自动灌溉、自动卷帘、自动喷淋、自动施肥、自动打药，保持农作物始终处于最佳生长环境中。该系统对温室大棚内的病虫状况(病虫种类、病虫数量等)、气候状况(空气温湿度、光照度和二氧化碳含量等环境参数)、土壤墒情状况(土壤温湿度、土壤PH值和土壤肥力等)、苗情状况(长势、病虫害)进行系统监测和管理，通过GPRS/4G或网口将数据上报至管理平台，农户通过手机可实时温室内现场环境情况，节省人力，并根据数据反馈作出相应调整，以保证农作物良好的生长态势，助力农业生产。

3.1 水肥一体化系统设计

水肥一体化系统借助压力将可溶性固体或液体肥料与灌溉水配兑相溶，将作物灌溉与施肥两种工艺融为一体，按照作物生长需求以比例供给。在物联网温室大棚种植中，将滴灌和微喷配合使用，按照农作物各个生长阶段需求设置配比，把水肥按需直接供给到作物根部土壤，系统控制流程如图3所示。对于需要频繁灌水和施肥的作物，特别是对于大规模设施农业来说，大大减少劳力成本、作业时间。

图3 水肥一体化系统控制流程

水肥一体化系统给作物水肥同步供给，养分吸收快，可提高肥料利用率，能有效控制土壤湿度、调节作物周围气候环境、防止土壤板结，改善土壤结构，减少作物病虫害发生。根据作物需求精准灌溉，减少药物施用，避免了传统灌溉方式将过量肥料、农药冲入河道，有效减少水源污染。

3.2 系统平台

物联网温棚系统平台将现场采集参数进行分析处理，结合用户设置的参考值，按照作物生长工艺控制模型要求，不断下发指令给执行器改变环境参数逼近设置值，实现环境参数闭环控制，达到预期理想值。为了实现通信稳定性和数据安全性，上位机软件安装在应用服务器上，数据库安装在数据库服务器上，与外网通过安全网关和硬件防火墙隔离。上位机平台软件与终端器件之间，通过TCP/IP通信方式，基于中国移动通信技术的GPRS/4G功能，实现数据的传输和指令下发。

现场环境数据经过平台处理后转存到SQLServer数据库中，用户可以对其中任意参数进行历史数据、指定时间区间数据访问，包括数据分析统计，同时，可以添加用户经验公式，分析出某一参数随着时间的变化规律，研究环境参数对于植物生长的影响。为保证终端运行的可靠性，避免因停电和现场无市电供电影响，可采用太阳能电池板和蓄电池作为备用电源。

4 系统应用效果

设计满足当地气候的温棚结构及配套设施——节地型内保温日光温室如图4所示。

图4 内蒙土默特左旗节地型皮料日光温室

温棚主体工程建设完后，配置应用了所开发的物联网温棚控制系统，满足果类蔬种植的温度环境要求，顶开窗通风系统、内遮阳系统、外遮阳系统、风机/湿帘降温系统、水肥灌溉系统、内循环风机、电供暖系统等配合调节，按照农作物栽培工艺要求目标值，现场调节上述系统控制终端保持农作物始终处于最佳生长环境中，系统平台应用界面如图5所示。

图5 系统平台应用界面

传统农业中每1万m2温室至少要20个人管理，在节在地型内保温日光温室内应用此物联网控制系统后，人工减少了一半，防风防雪抗冻能力增强，隔热保温效果好。试验表明在室外-30 ℃时，不采用任何增温措施，大棚内温度可以达到8 ℃以上。在物联网控制系统操作下，室内温度白天控制在25 ℃左右，夜间控制在18℃左右。用水量由以前传统喷淋方式每周7次消耗14 t，现在采用微滴灌方式后减少到每周2次消耗2 t，对比曲线如图6所示。整个温室的水肥、温度、照光、气候等植物生长要素都实现了智能化控制，确保作物常年处于舒适的生长环境中，保证作物正常生长。当出现温室湿度过高、光照太强或太弱等报警信息后，操作人员只需要在电脑前操作，设备就自动按照设定流程运行，实现了无人化管理。内蒙土默特左旗应用此温棚系统后，丰富了果蔬品种，提高了果蔬品质，对提高种植产的经济收入，促进当地果蔬供应及市场发展具有举足轻重的作用。

图6 用水量曲线图