基于阿里云的无土栽培营养液信息采集系统

王 莹，乔晓军，姚世元，王志彬

（1北京市农林科学院信息技术研究中心，北京 100197；2农芯科技（北京）有限责任公司，北京 100097）

0 引言

无土栽培以人工制造的作物根系环境替代了土壤环境，营造适合作物生长的光、温、水、气、肥等条件，使作物充分发挥生长潜力，达到高产、优质的目标，解决了用地紧张的难题[1-4]。因其节约资源、有效提高产量等优势，在国内得到了较快发展。目前根据栽培介质的不同可以分为水培、雾（气）培和基质栽培。水培是指植物根系直接与营养液接触，营养液栽培代替了天然土壤为作物提供所需养分，营养液养分含量可人为控制，只要作物生长环境控制到位，作物的产量就能得到一定的保障[5-7]。因此，根据无土栽培作物生长对营养液的需求，适时调整营养液的供给时间及各个组分的供给量，可使无土栽培系统更加智能化。

无土栽培环境中自动化水平还很低，而且营养液易受光照等外界因素影响导致营养液中组分改变，因此常常需要对营养液进行遮蔽处理，给工作人员的监测带来了很多麻烦[8-10]。目前，信息传感器、射频技术、定位系统等装置和技术，可通过互联网进行信息交换和通信，智能地感知、识别和管理物体和过程，实现物与物、物与人之间的远程联系。这些技术已经广泛应用于智能家居、公共智能交通等领域[11-13]。

针对营养液信息采集存在的问题，笔者以技术成熟的阿里云平台为基础，设计了一种基于阿里云的无土栽培营养液信息采集系统，以期实现对封闭式存储的营养液信息进行实时、自动采集，并可以对以往数据进行保存，以便用户能够随时查看数据。

1 阿里云平台

物联网可以作为某一领域的公共平台为这一领域的不同应用提供解决方案和相关服务。随着云计算和物联网技术的发展，越来越多的企业将核心业务转移到云端，而终端设备以物联网节点的形式和终端用户交互[15]，通过接入多种应用设备，向上支持数据分析和展示，实现用户和设备之间的互联。

阿里云物联网平台是一款公共、开放的服务平台，拥有全国最大的内容分发网络，可以为企业和个人提供便于操作的物联网服务。该平台不仅能够实现终端和云端的双向通信，还提供了设备管理、数据分析等功能，为用户构建数字化控制并管理资源、收集分析历史信息、基于数据分析结果进行业务决策等提供技术和方法。同时阿里云建有完备的安全机制，能够确保用户存储数据的安全。

目前，由于温室内无土栽培区域面积大，营养液供给装置的数量和分布区域有限，受到维护成本和技术的限制，从事无土栽培的个人及企业难以独立维护营养液监测平台[16-18]，阿里云为笔者提供了一个集成了设备管理、数据安全通信和消息订阅等功能的一体化平台，很好地解决了这些问题。其体系架构如图1所示。

图1 阿里云物联网平台体系架构

2 总体结构

无土栽培营养液信息采集系统的构成如图2所示，包含了采集模块、控制模块、显示模块及阿里云平台。采集模块负责完成对营养液温度、液位、pH、EC、溶解氧浓度等基本信息的实时采集。控制模块负责对栽培环境中其他外部设备（如通风装置）的启停进行控制。显示模块主要完成对数据的接收、实时显示等。阿里云平台负责对所有数据进行存储并分析。它们之间则通过有线和无线通讯模块来进行数据信息的传输。

图2 基于阿里云的无土栽培营养液监测系统结构

工作流程为通过液温、液位、pH、EC、溶解氧浓度采集模块将采集到的信息通过RS485发送给系统级芯片，芯片对多路接收到的数据进行处理，并将数据显示在触控屏幕上，然后通过4G通讯模块将监测数据发送到阿里云平台的特定端口，由于阿里云上运行的数据接收程序始终处于对该特定端口的监听状态，当有数据来临时，就可以完成数据的接收和解码，解析出所需信息后将其存入数据库。同时，利用阿里云Web可视化开发工作台与云端子系统进行数据交互，便于用户通过数据访问终端PC机上的软件系统完成对营养液信息的远程访问、本地存储和处理等操作。

3 系统设计

无土栽培营养液监测系统能够实现对营养液情况全天候的智能化监控，具有实时采集、远程控制设备的功能。在待测营养液中投入各项采集传感器，通过RS485总线传输数据至显示模块。采集到的数据通过显示模块内嵌的4G模块传输至物联网服务平台。用户可根据显示模块实时监测营养液内的多种信息，同时调控设施内的其他设备，通过可视化web平台，对封闭状态下的营养液供给装置内的pH、EC和溶氧量等信息进行实时数据、历史数据的查询，根据生成趋势变化曲线分析数据。

3.1 主控制器

控制器选用400M SOC处理器。该处理器集成了各种功能模块，外围电路包括RS485串口电路、音频输出、时钟、天线和4G通讯模块等，支持LUA脚本编程。触控屏内运行逻辑和算法将传感器送来的信号进行转换，写入缓存后送入触控屏就可以进行数据分析。

3.2 采集模块

采集模块由液位传感器(SIN-P260)、pH传感器(SIN-PH-8001)、EC传感器(SIN-TDS-8001)、溶解氧浓度传感器(SIN-DO-7013)组成。该采集系统如图3所示。

图3 采集系统设计

3.2.1 液位信息采集模块 营养液液位高低的自动监测对于营养液配制、消耗以及水分添加至关重要。由于没有土壤缓冲，营养液使用量不好控制，用量过低作物长势差[19]，过量的营养液就会引起烧苗问题，因此要实时进行监控并调整。

选择的投入式液位传感器(SIN-P260)采用不锈钢隔离膜片的OEM感压探头作为测量元件，具有抗干扰、温度漂移小、稳定性高等优势。

3.2.2 酸碱度信息采集模块 酸碱度(pH)是营养液的基本特性，不同类型的作物对营养液pH的要求也是不同的，它会直接影响到作物根系细胞对养分元素的透过性。一般地，pH过低会对钙离子产生拮抗作用，从而影响作物对钙离子的吸收；pH过高则容易沉淀磷酸盐离子和一些微量元素[20-21]。

选择工业级在线pH传感器(SIN-PH-8001)，采用了Modbus RTU协议RS485，隔离电源设计，具有数据稳定性好、抗干扰能力强的优点。

3.2.3 电导率信息采集模块 电导率(EC)是一个表征营养液中总盐分含量的参数，不同生长时期，作物对营养液总盐分浓度的需求也不尽相同[22-23]。通常情况下，当作物处在苗期时，需要使用低浓度营养液来促进根叶生长，之后逐渐增大营养液浓度；当作物处在结果期时，需要使用高浓度营养液来促进果实的成长发育。类似于酸碱度，每种农作物都有适宜的电导率范围，即使是同一种作物也要根据生长阶段和气候条件等需要进行调整。

3.2.4 含氧量信息采集模块 氧气供给是否充足和及时是作物生长的重要限制因子，如果营养液中的溶解氧无法达到作物正常生长所需的水平，植物根系就会产生缺氧现象，从而影响到根系的吸收和作物生长。

3.2.5 液温信息采集模块 水温是无土栽培作物生长过程中非常重要的环境因子。无土栽培营养液温度是模拟土壤栽培的地温，一般基质温度和营养液温度应稳定在18～20℃，过高过低都会影响根系正常吸收，因此需要实时监测营养液的温度是否处于正常状态。温度的变化不仅直接影响营养液中氧的浓度、肥料溶解度等，还会影响病菌繁殖速度[24-25]。

3.3 继电器模块

本系统配置了继电器驱动电路，可以控制设施内通风设备的启停。温室大棚的通风控制是一项保障农作物生长环境的技术，多风机通风可以起到良好的调节作业。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。本系统采用的是因诺信息技术有限公司的继电器(INNO-8R8I-485-DIN)，考虑到兼容性与扩展性，控制系统中RS485通讯单元、显示模块通信设计为标准的Modbus协议格式。

3.4 显示模块

采集端通过显示模块实时显示数据及外部设备开关。触控屏幕通过串口与主控制器交互指令，点击触摸屏上的外部开关按钮，反馈输出信号给继电器模组，就可以控制外部执行机构的动作，各地的图标也会同步更新。

3.5 数据传输模块

数据传输模块主要由2个部分组成。（1）短距离数据传输。显示模块通过RS485(Modbus)与采集模块、控制模块通信连接，各种传感器采集到的信息进行多路数据统一处理后，按照指定的通信协议将数据传到监测中心云服务器。（2）远距离数据传输。远距离数据传输采用4G模块，通过MQTT协议配置进入阿里云物联网平台。

3.6 云平台

本系统利用阿里云物联网平台作为云端数据中心，主要起到系统的监测和控制作用。平台允许采集设备将数据通过4G网络发送到云端，同时可以下发指令数据到达设备端，实现远程控制。系统软件设计流程如图4所示。

图4 软件设计流程

物联网应用开发(IoT Studio)为阿里云平台提供可视化搭建能力，解决物联网开发定制化程度高、投入产出比低、技术栈复杂等问题。开发人员拖拽组件到画布就可以对监测界面进行设计，通过自定义配置组件样式、设置实时曲线和卡片，创建水培作物营养液监测系统界面。工作人员在Web界面能够直观地观察动态pH、EC值和溶氧数据，以及这些测量值在一段时间内的变化趋势。另外，通过增加控制系统按钮，可以将外部设备控制的工作情况显示在云端界面，实现对无土栽培环境的统一管理。物联网平台可视化界面如图5所示。

图5 系统控制主界面

4 系统测试

系统首先在实验室内调试成功，并经过一段时间的稳定运行。软硬件性能稳定、数据可靠后在北京市农林科学院植保所内的无土栽培系统中进行测试。测试人员将一套水培作物营养液监控系统投入待测营养液。对液温、液位、pH、EC和溶氧度值进行监测后，每2 min采集并上传一次数据，还可根据需要设置采集时间。在数据访问终端PC机上运行水培作物营养液监测系统，可以实时查看到各采集器所采集的数据，并以图表形式显示。图6为该系统的连接图。

图6 测试系统连接图

在阿里云平台上点击某一采集设备，可查看任意时间段内的数据信息，图7所示为1周内的溶解氧数据统计。

图7 1周内的溶解氧含量监测数据

由实验结果可见，该系统可以稳定工作。通过使用无土栽培营养液信息采集系统，在温室内安装传感器、控制器等搭建起无线传输网络，采集封闭式营养液的液位、液温、溶解氧、pH、EC等数据，借助免费的开放式平台，降低了开发成本，工作人员不用在炎热的温室内频繁穿梭，只需通过电脑登录阿里云平台，进入营养液信息采集系统，就能够轻松对无土栽培进行管理。经验证，系统对数据的采集精确度高，并且数据具有实时性，上传后可在云平台中进行自动分析，绘制出易于查看的曲线图，便于工作人员随时查看各项数据，从而及时地对营养液进行补充、调整，大大提高了工作效率。

5 结论

笔者基于传感器、4G网络以及阿里云平台提出了面向无土栽培营养液的监测系统，实现了对封闭式营养液信息的实时采集、远程传输、历史数据管理等功能，解决了当前系统开发复杂度高、效率低的问题。在以后的工作中，可通过对系统公共需求分析，研究基于数据模型建立通用的营养液监测数据，可对无土栽培中营养液的管理做出快速决策，系统将更加适应未来智慧农业的发展。