一种双膜双结构新型蔬菜大棚智能远程控制系统设计与实现

周晓磊，王振海，陈 辉，李培帅

（1.临沂大学 信息科学与工程学院，临沂276000；2.浙江大学山东（临沂）现代农业研究院，临沂 276000）

目前国外的大棚基本已经实现智能化管理，通过物联网技术采集大棚内环境参数、对收集的数据进行分析实现大棚智能化控制，并拥有相关的智能化控制系统；而国内大多以传统农业大棚为主，现有的大棚存在智能控制系统稳定性差、对环境因素调控不及时、远程控制不稳定等问题[1]。 双膜双结构新型蔬菜大棚通过摄像头、传感器和控制器，实时监测大棚系统中的空气温湿度、土壤湿度、光照强度、二氧化碳浓度、氮元素含量等环境信息并上传至云端，以便于系统根据特定的植物生长模型对棚内的相关环境参数自动调节，使用摄像头监控大棚内的蔬菜生长情况，并将获取到的图像利用计算机识别技术对图像进行病虫害识别检测，分析出病虫害种类，推送到用户移动端，通过灌溉系统进行定向定量的智能化施肥灌溉，同时还可以通过远程移动端对大棚进行自动卷膜，实现了大棚的智能化管理。

1 大棚的构造与性能

1.1 双膜双结构大棚构造

双膜双结构大棚具有两层大棚结构，内层大棚主要包括固定杆、弧形支架、支撑杆、横梁、透光膜和卷帘机，外层大棚主要包括固定杆、弧形支架、透光膜、盖外保温被、电动卷帘机、大棚外层弧形支架与内层弧形支架。 两层结构之间有一定的空间，使内层透光膜与外层透光膜形成了一层不流动的空气层[2]。 大棚模型如图1 所示。

图1 双模双结构大棚模型Fig.1 Dual-mode，dual-structure greenhouse model

1.2 双膜双结构大棚性能

1.2.1 保温性能好

双膜双结构大棚采用内外双层透光膜、地膜和一层保温被形成三膜一被提高了保温性能。 大棚内外两层膜之间形成的不流动的空气层是热的不良导体， 双膜之间形成的不流动的空气层导热性能差，使得大棚内的热量不容易散失掉，从而增强了蔬菜大棚的保温性能。

1.2.2 实用性能好

大棚构造科学坚固、内部空间大、操作使用方便，双膜双结构大棚的宽度和高度增加，使棚内空间大，便于机械化操作；大棚双结构构造抗御自然灾害的能力强；卷帘机代替人工揭盖保温被，节省大量的人力资源。

2 硬件技术主要应用

2.1 大棚环境监测系统

大棚中包含摄像头、温湿度传感器、土壤湿度传感器、土壤pH 值传感器、光照强度传感器、二氧化碳浓度传感器等设备，对大棚内部的蔬菜生长状况、温度、湿度、土壤湿度、土壤pH 值、光照强度、二氧化碳浓度进行实时监测并将大棚内环境实时信息通过树莓派总控系统上传至云端进行数据储存、数据分析。 用户通过大棚内液晶监控面板显示或远程移动端进行实时查看，了解大棚内实时状况[3]。

2.2 摄像头实时监控系统

大棚内分多个蔬菜种植区域，每一个区域安装一个监控摄像头， 对区域内蔬菜进行实时监控，系统利用视频推流技术，将获取到的监控录像上传至云端，并利用上传的蔬菜图像与数据库中的生长模型相对比，判断并记录当前植物状态，并针对蔬菜不同的生长状况进行定向施肥、灌溉。 同时在大棚外部安装监控，对大棚外部透光膜、盖外保温被的状态和开闭程度进行监控。 并对电动卷帘机的工作状况进行实时监控，便于用户对自动卷联机的控制。

2.3 灌溉、施肥系统

大棚内使用多个水泵，对大棚内蔬菜种植区域进行分区域施肥浇灌。大棚内传感器对土壤pH 值、水含量及肥料含量进行采集，并通过树莓派将采集的数据发送至后台，通过后台系统数据分析，将蔬菜种植区域内所需要补充的土壤水含量及肥料含量发送至大棚内液晶监控面板显示和远程移动端，通过用户指令将所需肥料通过灌溉系统进行定向、定量灌溉施肥[4]。

2.4 自动卷膜系统

自动卷膜机主要是通过系统控制的电机启动带动卷膜轴转动， 将膜被卷起实现通风窗的启闭。可有效地控制大棚内的温度和湿度，给蔬菜的种植营造一个良好的生长环境，使蔬菜长势良好，大大提高了温室大棚种植的经济效益。 用户通过系统设置，在卷膜机开启和关闭的过程中，能实现任意位置的停止和启动无须任何辅助装置。

3 软件技术设计

3.1 采用卷积神经网络对病虫害进行检测

蔬菜图像中含有的特征信息包括叶片的纹理、病害区域的边缘等。 卷积神经网络便可以利用图像中的特征信息对蔬菜图像中的病虫害类型进行分类。 此外，卷积神经网络以其高效的局部结构和优良的分类性能获得了广泛的关注，其优点是不需要对输入的图像数据进行预处理，可以减少分类和学习过程中的额外工作量[5]。

3.2 采用蔬菜生长模型

采用蔬菜生长模型，通过网络以及实际调研收集环境变量对蔬菜生长情况（如重量、大小等）的影响。 以环境中的一个因素为自变量，蔬菜生长情况为因变量建立坐标系做函数图。 根据函数图大棚自动调控大棚内环境，提供蔬菜最合适的生长条件。

蔬菜生长模型最重要的意义是对整个作物生育系统的知识进行综合，并量化生理生态过程及其相互关系，即综合知识和量化关系。 蔬菜模型是利用计算机强大的信息处理和计算功能，对不同的生育过程进行系统分析和合成，相当于所研究系统的最新知识的积累和综合。

3.3 开发环境与设计技术

系统页面构建主要采用uniapp 完成，前端技术使用htmlcssjavascript，主要以C/C++编程语言进行编码，主要使用开发工具：hbuilder、platformio（vscode），通过MQTT 协议（message queue telemetry transport，消息队列遥测传输协议）进行消息发布，实现移动端对物理设备的控制。

3.4 远程移动端控制

利用移动互联网技术对手机移动端进行控制，移动端控制主要包括：首页显示界面、控制显示界面、视频显示界面、个人中心[6]。

（1）首页界面显示的各类参数值，为大棚内部部署的传感器采集到的相应的实时数据，包括大棚中空气温湿度、土壤湿度、光照信息二氧化碳浓度和氮元素含量，用户可以实时看到这些数据，并根据这些数据对大棚内的环境进行调节。 如图2所示。

图2 首页界面Fig.2 Home page interface

（2） 控制界面为双膜双结构大棚控制中心，用于对大棚内的环境进行调节。 如图3 所示。

图3 控制界面Fig.3 Control interface

第一部分内层为大棚的内层膜，第二部分外层为大棚的外层膜，每层膜都可通过手机控制被独立的打开或闭合，无需人工操作；第三部分是对风扇的开关操作，打开风扇，实现通风以及降温功能，当中间区域的参数值达到期待值时，则可进行关闭操作；第四部分通过加热实现大棚的增温操作，关闭则停止加热；第五部分是对水泵的开关操作，打开水泵，实现喷灌操作，可增加空气湿度与土壤湿度；第六部分是对智能施肥的控制开关，打开智能施肥开关，系统将根据生长模型中参数，实现施肥操作。

（3） 视频界面为双膜双结构大棚视频监控中心，可实时监控大棚内的情况，并定时拍照上传云端，便于图像识别病虫害检测。 如图4 所示。

图4 视频界面Fig.4 Video interface

（4）个人中心为用户登录界面，用户需登录后才可以进行操作。 用户登录分为免密登录（手机号登录）和账户登录2 种方式，在登录时系统会对用户账户密码进行判断， 账户密码都正确才能登录；用户可在个人中心修改密码、 接收系统推送的信息、及时向开发者反馈用户使用信息。 如图5 所示。

图5 个人中心Fig.5 Personal center

4 结语

本文所设计的双膜双结构新型蔬菜大棚智能远程控制系统实现了大棚保温性能强、远程智能化控制、 智能化施肥精细化培养和病虫害检测等功能，为蔬菜提供了适宜的生长环境，有利于增加蔬菜产量，为种植农户带来更多的经济收益，减轻劳动强度，推动我国自主研发型大棚系统的发展进程，促进传统农业转型向智能化农业迈进，为我国智能化农业发展跻身世界前列增砖添瓦。