基于物联网的食用菌日光温室终端控制研究*

崔玉萍，席雪琴

（武威职业学院，甘肃 武威 733000）

近年来，我国现代化农业产业结构不断调整，一些新兴农业如食用菌产业逐渐兴起。党的十八大以来，食用菌种植产业一直朝着专业化、规模化、多样化方向发展，成为西北地区重要的农业特色优势产业。2021年，中国蔬菜流通协会授予武威市“中国食用菌之乡”的美誉。食用菌具有高蛋白、低脂肪的特点，富含人体所需的多种氨基酸和微量元素，荤素食均可与之搭配[1]。食用菌是低等植物，不需要光合作用，只需提供较好的空气温湿度和较多的水它就可以生长得很好。只要栽培所需的条件合适，一年四季都可以生产食用菌，不再依赖季节条件，根据市场的供求和生产周期就能随时安排培育时间。在习近平总书记提出的大农业观、大食物观理念的指导下，充分贯彻国家关于农业新发展的理念。目前，武威市及其下辖县区食用菌专业技术人才缺乏，很难满足产业发展对于技术支持的需求。因此，课题组通过将农业物联网技术与食用菌生产相结合，研究设计了一套用于食用菌生产的日光温室终端控制系统，以有效解决食用菌日光温室培育过程中光、温、水、气、肥等精准化管理的问题[2]。该系统不仅可以极大地降低生产过程中的人力及时间成本，而且可以提高食用菌的生产效率并改善其品质。

1 系统目标任务和技术难点

1.1 目标任务

1）建立基于物联网技术的食用菌日光温室终端控制系统，将有效解决食用菌栽培过程中对于光、温、水、气等精准化管理的问题，为解决武威地区食用菌产业化发展所面临的现实困境提供参考。

2）通过基于物联网技术的远程终端控制实现对食用菌日光温室的管理，实时监测食用菌日光温室内的土壤温度等数据。在大风、极高温、极低温等突发灾害性天气来临时，可实现对几十座乃至上百座日光温室的卷放帘进行同时操控的目标，实现无人值守。通过App客户端、微信服务平台、手机短信、WAP网站等实时掌握日光温室内小气候环境的变化情况，并根据日光温室终端控制系统的性能指标、技术规范和生产建议，实现对日光温室的精细化管理，使食用菌尽可能在适宜的环境条件下生长、发育，有利于提高食用菌的产量和种植收益[3]，提高劳动效率，减轻劳动强度，同时减少了气象灾害造成的损失。

1.2 技术难点

在食用菌日光温室的施工建设中，要求温室温度保持在8 ℃~30 ℃之间，根据外部条件实施调控[4]，实现冬季保暖、夏季遮阴降温的效果。如在食用菌生产阶段，日光温室要降低温度，必须通过卷帘遮蔽、喷水等方式来降温，但通风过程中风速不应过高，也不能直吹向食用菌体。为此，须研发一款食用菌日光温室专用的PLC可编程控制器，支持参数变更，既能控制大棚卷帘，也能控制气窗，并且预留富裕接口用来控制光照及灌溉等，同时可以支持以太网、GPRS、Wi-Fi、ZigBee、短信等功能。所以该器件须自行设计，交由专业公司制版焊接，然后返回测试，此为技术关键点。

1）卷帘电机控制器。该控制器为关键器件，控制卷帘电机正反转带动卷帘开启与关闭。但目前该器件多由大功率交、直流接触器组合构成，在实际使用中接线复杂，占用空间大，且会产生较大的电磁干扰。拟研究一种电机控制器，以便简化终端的接线并减小体积。

2）日光温室气窗开闭机构。作为日光温室温度与湿度的调整窗口，气窗开闭机构的灵活性和可靠性至关重要。目前，气窗开闭主要使用长臂加电机和钢丝加电机两种形式，但这两种机构各有优缺点，共同的缺点是存在开闭不到位或到位不停机的现象，容易造成日光温室温度与湿度调整不及时，从而影响作物生长。拟研制一种新型日光温室气窗开闭机构，力求机构简单、安装方便，弥补上述不足。

2 系统技术要求和创新点

2.1 系统技术要求

1）日光温室气窗开闭机构、可编程控制器研发和控制系统优化。

2）研发日光温室气窗开闭机械行走控制机构，可以及时接受指令开闭气窗，同时简化终端的接线并减小体积。

3）研发机电一体化控制箱体，要求无干扰，可以精确控制卷帘和气窗。

4）PLC控制器研发，其研发流程图如图1所示。

图1 可编程控制器研发流程图

①温室闭环控制系统运用PLC控制器对系统软件分析出来的结果进行调节分析，所有参数根据食用菌的生长需求设置。

②获取温室内食用菌的生长参数，依据此参数对节点进行设计，节点设计时整合温湿度、CO2、光照等数据选择传感器，再根据功能不同对子节点和主节点进行设计[5]。

③系统以温室内食用菌的生长参数和特点为模型开发一套专用的参数分析软件包，对传感器节点收集的食用菌各项生长参数进行数据处理、分析、整理、优化，最后通过闭环系统控制终端的调节，使作物在最佳的生长环境下快速生长。

5）优化服务器后台服务软件及手机客户端App。服务器后台软件及App除了需要满足对日光温室集群的控制、实时存储监控日光温室采集器上传的数据、及时发布气象灾害预警信息及各类气象信息外，还需要完善历史查询、操作记录、专家论坛、农业知识、视频监控、气象调控等功能。

6）基于物联网技术的日光温室终端控制研究与推广。

2.2 创新点

搭建物联网食用菌日光温室终端控制系统，以日光温室食用菌的生长参数作为监测的主要对象，对日光温室进行精准化、智能化控制，有效改善传统日光温室栽培过程中生产效率低的情况，运用物联网等多项控制技术对食用菌生长的小气候环境进行精准测量、传输、存储、分析、控制，可以有效提高农作物生产效益，同时为食用菌种植户取得经济效益，助力乡村振兴。

2.3 经济、社会、生态效益

食用菌日光温室终端控制系统是基于物联网技术建立的一种集远端控制、自动控制、手机客户端控制及本地手动控制于一体的智能终端控制系统。该系统可以实时采集日光温室内温度、湿度、地面温度、CO2、光照、风力（置于日光温室外）等数据，并存储数据上传至上位机进行处理，把处理后得到的数据与食用菌所需的最佳生长环境参数进行比较分析，进行反馈控制、调节，优化控制过程，最终达到测试、分析、调节、测试的闭环最佳控制[6]。模拟建立一个适合食用菌生长的气候条件，适时提供检测温度、湿度、CO2等数据，创造一个人工气象环境。在模拟的食用菌最佳生长环境中保证农作物可以实现反季节高产，可以不再完全依赖自然条件。同时，为规范市场、稳定市场秩序，日光温室控制系统需建立配套的终端控制系统性能指标技术规范，以确保控制系统安全、可靠、有效，可以为规模化、高效化种植和推广优质品种提供有力保障。

在武威市推广与应用日光温室终端控制系统，可以填补武威地区食用菌栽培日光温室智能化控制技术的空白，并对农业设施设备（如蔬菜温室大棚、养殖温室等）智能控制设备进行规范化管理，同时对于统一规范武威地区食用菌日光温室自动控制装置设计、制造、安装行为，提供具有科学性、公正性、权威性的指导。此外，对于行业的良性竞争及优胜劣汰起到促进作用，保障有关设备运行稳定、准确、快速、高效。另外，可以派遣团队走村入户，推广食用菌栽培技术，使更多农户栽培食用菌，提高农户收入，助力乡村振兴。

3 系统结构

3.1 物联网系统搭建

物联网技术是当前农业信息化技术发展的主要方向之一。首先，将物联网技术引入农业生产，能够实现农业智能化、高效化，改变传统的农耕生产管理模式，使现代农业朝着信息化与产业化方向发展。其次，农业产业化发展也为物联网技术的推广与应用提供了平台。物联网是以传感器技术为载体的新网络，在现代智慧农业中，大量的传感器节点构建了全方位的监控网络，通过多个传感器采集数据结合农作物生产的各项环境参数，最终实现物物相联的目标，可以帮助农户及时发现问题，准确地捕捉发生问题的位置，对农作物生产过程如耕作、播种、施肥、灌溉等田间作业进行数字化、智能化控制，提高农业投入的资源利用率和生产效率[7]。建立基于物联网技术的食用菌日光温室终端控制系统，能提供一种集远端控制、自动控制、手机客户端控制及本地手动控制于一体的智能终端控制系统，实时采集日光温室食用菌的生长数据，通过控制器进行数据处理分析，再进行反向控制、调节。物联网与日光温室结合如图2所示。

图2 物联网与日光温室结合图

3.2 温室现场控制系统搭建

智能温室现场控制系统会执行各类执行机构的控制命令。该系统设计的食用菌日光温室智能终端控制系统，下位机控制是基于PLC控制器实现的，在日光温室控制系统中采用多个传感器（温度、湿度等）对温室大棚环境中各项参数进行监测，将测量结果传输到PLC中，在PLC中将其与设定值进行分析比较，PLC再发出相应的指令驱动外围设备来调节控制温室大棚内的环境参数，从而实现对温室大棚的精准控制[8]。在此过程中，各项监测数据都会在显示屏上显示[9]，实现了人机界面可以在终端显示的效果。该系统核心部件是可编程控制器，通过多个传感器对温室环境的各项参数进行实时监测，PLC将参数转为电流信号后输送给模拟量输入模块进行分析处理，输出开关量信号，利用多个驱动电路控制通风换气扇、风机、卷帘等多种执行机构，实现对温室现场的智能化、精准化控制[10]。该系统可以通过上位机PC和下位机PLC之间的组态软件实现实时通信，完成人机交互的功能[11]。下位机采集到的温室参数的实时值、执行机头的状态、报名与否等温室内参数信息可以通过控制终端软件进行实时监控，并将监控结果显示在界面上。

3.3 温室终端控制系统搭建

温室智能控制终端是通过收集传感器反馈的数据，对食用菌生产参数的需求数据进行存储、分析、显示，经大数据处理后以表格或图表的形式展现给用户，以实现远程监测、远程控制和预警等功能[12]。物联网智能温室大棚控制终端软件主要有手机App、平板应用、PC应用以及微信公众号或小程序等。包含手机App平台和网页版平台，其中手机App部署在具有Android操作系统的手机上，以网络浏览器作为应用对象的终端控制系统，旨在提供远程控制输出（继电器、开关量）、模拟量（4 mA~20 mA、0 V~10 V、0 V~5 V）采集、开关量采集报警等服务。

基于物联网的温室终端控制系统通过多个传感器（温度、湿度等）对各项环境参数进行采集，将采集的信息传输给PLC控制器进行数值处理[13]，PLC通过信息反馈来调控温度，控制遮阳、通风、浇水等操作，实现温室农作物生长各项参数的精准化、智能化控制。温室大棚自动控制系统的应用不仅可以精准调控温室内小气候环境，提供符合农作物生长需求的最佳参数，还可以实现农作物的高效生产、反季节生产，提高食用菌等农作物的质量和生产效率。

4 结语

基于物联网的食用菌日光温室终端控制系统，结合了武威地区干旱性气象特点，可以有效解决气象要

素与日光温室各项参数融合的问题，实现对温室的智能化、精准化控制。同时，按照食用菌农艺要求，建设适宜食用菌生长的最佳环境，可以有效提高农业生产效率，实现农业设施智能控制设备的规范化管理。此外，在农业生产中，推广食用菌日光温室现代化、智能化控制技术，可以有效促进食用菌产业规模化、标准化、品质化转变，促进农户增收致富，助力乡村振兴。