番茄大棚物联网数据采集系统的设计

燕佳惠，张 虎，2，许晓燕

（1.晋中信息学院，山西 太谷 030800；2.山西三鼎液压制造有限公司，山西 榆次 030600；3.山西晋西集团国营利民机械厂，山西 太谷 030800）

0 引言

近年来，随着农业产业结构的调整，种植技术的不断更新和提高，温室大棚在种植业上得到越来越广泛的应用。

番茄（西红柿）作为一种营养价值非常丰富的蔬菜，是餐桌上常见的美味，既是让人食欲大开的菜肴，又是营养美颜的水果，不仅有酸酸甜甜的口感，而且还有圆润讨喜的外形，一直以来都备受大家喜爱，因此番茄成为很多农户共同的种植选择。近年来，番茄不仅在种植面积上不断扩大，规模也在不断变大。不过种番茄容易，但要种出高品质的番茄还得下一番功夫。温室大棚中番茄种植，是在营造的人为控制的环境中种植番茄，是一个系统性，多因素耦合控制的繁琐过程，需要在番茄生长的各阶段中注意很多问题[1-2]。

1 番茄生长周期特点及生长环境要求

番茄产量高，喜肥，需肥量大，全生长期所需养分包括氮、磷、钾、钙、镁、硼等。在热带地区，番茄属多年生草本植物，而在温带地区，尤其是有霜地区，则属于一年生植物，但是其生长和发育过程是一致的，基本可分为发芽、幼苗、开花坐果和结果4 个过程，各过程阶段、周期性显著，其不同的生长阶段时期，有不同的温湿度要求和需肥特点[2]。比如在开花坐果前期，以枝叶生长为主，需要大量的氮肥来满足枝叶的生长，但是结果后，枝叶基本长足，以果实生长为主，此阶段氮肥量就需适当减少，反而钾肥需求量增长。因此，要充分结合番茄生长周期特点，在不同阶段，施以不同种类和不同量的肥，以确保番茄健康优质的生长[3]。

温湿度在番茄发芽期有重要的作用，保证一定的土壤和环境温湿度才能保证一定的发芽率，经研究总结可知，番茄发芽合适温度在15～30℃之间，需要保持所处土壤环境的湿度在40%以下，同时要保证所处外界环境的空气流动性和一定的空气湿度，但在此期间所用肥料量甚微。在番茄发芽至成为幼苗期间，可适当施肥，以满足枝叶的生长所需，但必须要考虑幼苗的承受能力，以防施肥量过多，烧伤幼苗根系。在育苗期如遇温度骤降或雨水天气等影响成活率的外因时，可施加一些抗病耐寒的药剂[4]。

一般在番茄幼苗长成后，在分苗定植时，一般都要覆膜，做到保温保湿的作用，同时保证一定的浇水量，维持土壤的湿润，同时浇水时可适当添加抗病耐寒药剂和助壮素或矮壮素，以保证植株生长[4]。

2 温室大棚控制技术的发展现状

温室大棚发展至今，其建设水平随着科学技术的发展逐步提高，智能化的建设已是主流。通过互联网+物联网的方式，来操作并实现智能温室的相关因素的监视和控制，实现远程管理或者无人化管理，助推着“智慧农业”的发展。

2.1 多因素耦合综合控制

温室大棚环境，是人为参与影响下的多因素生态系统，其中各因素之间耦合性比较大，互相之间相互影响，比如控制温度的同时，必将引起环境湿度的变化，因此在实际控制系统中，单因素的控制已经很难满足实际环境控制需求，现在大多采用比较成熟的多因素耦合控制，来实现温室大棚的环境控制要求[5]。

2.2 温室控制模式智能化

随着控制技术和控制算法的不断更新，相应的技术在农业领域中的应用也越来越多，控制效果得到了很大的提升。北美、西欧、日本等农业比较发达的国家地区，在多因素耦合控制的基础上，已将自适应控制，神经网络控制，预测控制等先进算法应用到了温室大棚控制系统中，自动化智能化水平显著提升，温室单位面积效益也得到了提升[6]。

2.3 控制系统网络信息化

随着传感器技术、网络技术，物联网技术以及控制器技术的不断发展，温室控制系统也逐步向网络化方向发展，体现在立体式、层次式、综合式以及开放式，性能越来越多，使用者的体验模式也多样化，实现了分层，分级，分类化的温室管理模式[7-8]。

2.4 温室分布式控制系统

分布式控制系统是近几年发展起来并推广比较广的一种控制系统，其适应性好，扩展能力强，可靠性高，便于用户掌握和维护，已在农业上进行了使用[9]。分布式控制系统在网络技术的基础上，采用分散控制和集中管理的设计思想，每一个终端都是一个独立处理器进行现场数据采集运算和控制，所有终端处理器的信息与上位机服务器进行通信，实现分而自治和综合协调的效果[10]。

3 番茄大棚控制系统的硬件选择

番茄大棚生长管理主要分为植株自身管理和大棚环境管理2 部分。植株自身管理主要针对植株生长过程中的肥料管理，植株自身病虫害管理和自身长势阶段管理。大棚环境管理主要针对的是植株生长环境。在番茄植株生长过程中，要根据其生长期和结果前后期对肥料的需求来决定施肥量及施肥种类，在本设计中，暂且不考虑土壤肥料元素的测控，只针对温室大棚中的环境温湿度、土壤温湿度、光照及CO2进行测控。

3.1 传感器选择

传感器作为信息检测和传达的关键器件，是自动控制环节中最重要的一环，其性能的高低直接影响控制精度的水平。结合前文描述，大棚中需选取环境温湿度传感器，土壤温度水分传感器，CO2检测仪及光照传感器。传感器将环境参数传输至控制器，控制器结合预设值与传感器传输数据进行比较分析，进而控制相应的执行机构进行动作，或者将信息传输至管理员处进行相应的操作。

设计中选用KZWS/F2 常温分体式温湿度传感器（图1 所示），KZMS-10 土壤水分温度传感器（图2 所示），这2 种传感器都是高精度、高灵敏度的传感器。环境温湿度检测传感器利用氯化锂电解质感湿液依据当量电导随着溶液浓度的增加而下降的原理进行环境湿度的测量。土壤水分温度传感器通过测量土壤的介电常数，直接稳定地测量土壤水分的体积百分比。2 种传感器的测温范围为-40～80℃，湿度范围为0%～100%，均可输出电流模拟量。

图1 KZWS/F2 常温分体式温湿度传感器

图2 KZMS-10 土壤水分温度传感器

设计中选用OHR-MT20 CO2变送器（图3 所示）和OHR-MT30 光照度变送器（图4 所示），这2 种传感器都为高精度低功耗传感器，既能够通过模拟信号变送输出，也可以通过通讯输出与控制器进行数据信息传输。

图3 OHR-MT20 CO2变送器

图4 OHR-MT30光照度变送器

3.2 控制器选择

设计中选用的是繁易PLC 专用物联模块（图5 所示），该模块可通过以太网、2G、4G、WiFi等方式上网。通过物联网模块，支持PLC 程序的远程更新和在线调试，免除现场服务的烦恼，操作简单方便。通过物联模块，可以接入繁易FlexCloud 物联网平台，随时访问，实时查看设备运行状态和数据，实现数据统计等功能，且可在手机App、网页、客户端、微信端等多种软件、平台上访问。控制器将传感器所检测上传数据进行运算处理，把运算结果输出，控制相应的执行机构进行动作。

图5 FL3-40MR-AC+FL3-4G

3.3 监控端选择

上述控制器描述中，通过繁易FlexCloud 物联网平台，可在手机App、网页、客户端、微信端等多种软件、平台上访问设备状态和监控数据，在本设计中，选用了FE6070W 触摸屏作为监控端，实现各种采集数据的显示、各现场设备的远程控制以及各数据报表的打印等，同时此触摸屏也可通过以太网、2G、4G、WiFi 等方式上网。

3.4 硬件结构搭建

将上述硬件进行连接，如图6 所示，传感器连接至PLC 输入端；PLC 与触摸屏进行通信连接，且因PLC 自带物联模块，可插入4G 卡或连接WiFi 接入繁易FlexCloud 物联网平台，在平台中进行相关的页面设计。

图6 硬件结构搭建

4 软件设计及实施效果

软件设计主要涉及传感器的数据采集，经过A/D 转换，在触摸屏上显示即时的数据；同时即时数据与预设值进行比对，根据比对结果，PLC 输出端输出相应的执行指令。土壤湿度检测控制流程如图7 所示。

图7 土壤湿度检测控制流程

本系统设计初期在实验室中完成，所有传感器信号与控制器之间能够实现有线传输，且能够通过传感器连接的无线发送和控制器连接的接收模块实现无线信号传输。控制器接收信号后，经过软件数据处理，可将实时信号传至触摸屏进行显示；同时在触摸屏设置界面，将所预设值进行设置后，进入控制器，进而通过运算处理，控制器输出端进行相应的输出控制。在触摸屏界面中，设置报警界面，在传感器检测数据超出预设值范围时，报警界面显示控制室同时输出报警信号；在触摸屏端设置数据存储功能，以便随时查询数据。触摸屏综合显示温湿度界面如图8所示。

图8 触摸屏温湿度显示界面

5 总结展望

本文结合番茄生长周期的环境需求和温室大棚发展的现状引出番茄大棚物联网数据采集系统的设计，从传感器、控制器及监控端展开了叙述。该设计能够实现远程监测装置集温室大棚中相关信息的采集，是集控制器输出、无线及有线通讯于一体的综合性测控装置，从监控端既能获得相关信息的即时数据，也能即时了解相关执行机构所处的状态，操作简便，便于用户掌握（如图9所示），在温室大棚数据的采集和设备控制中有一定的推广价值。

图9 触摸屏界面

由于本人学识水平有限，在设计和实施过程中还存在一些不足，在今后学习和工作中，对于物联网技术的设计和应用还要继续深入研究，并在此设计的基础上，在软件设计控制中，真正实现多因素耦合控制，以达到更好的使用效果。