2017年 / 第5期 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能處理與應(yīng)用Intelligent Processing and Application970 引 言自 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，中國(guó)以日光溫室、塑料大棚為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)得到快速發(fā)展，其中 “日光溫室 ”和其它類型溫室相比具有成本適中、建造容易、保溫良好等特點(diǎn)，近 20年來(lái)已成為農(nóng)業(yè)種植中效益最高的產(chǎn)業(yè)。由于新疆獨(dú)特的氣候特點(diǎn)和地理特征，新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)以日光溫室為主體，截止2013 年底，全疆設(shè)施農(nóng)業(yè)占地面積達(dá) 91.4 萬(wàn)畝（新疆農(nóng)業(yè)廳園產(chǎn)處提供數(shù)據(jù)），覆蓋全疆 14 個(gè)地（ 州、市） 和 91 個(gè)縣（ 市、區(qū)），預(yù)計(jì)到 2020 年，全疆設(shè)施農(nóng)業(yè)將達(dá)到 125 萬(wàn)畝。設(shè)施農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為新疆的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，被自治區(qū)確定為新疆農(nóng)業(yè)六大產(chǎn)業(yè)之一1。雖然近年來(lái)新疆日光溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但大多數(shù)日光溫室日常生產(chǎn)管理仍以經(jīng)驗(yàn)為主，科技含量不足，生產(chǎn)自動(dòng)化程度低，日光溫室生產(chǎn)急需提高工作效率并實(shí)現(xiàn)精細(xì)管理2， 3。隨著信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的融合，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在大田糧食作物種植精準(zhǔn)作業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)和灌溉施肥控 制、果園生產(chǎn)不同尺度的信息采集和灌溉控制等方面應(yīng)用廣泛 4， 5。以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架為基礎(chǔ)的溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)注重全面感知、穩(wěn)定傳輸和智能應(yīng)用 3 個(gè)方向6。本文以連棟日光溫室環(huán)境作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)顯示與可視化的數(shù)據(jù)查詢及分析，并監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能控制，達(dá)到在提高作物產(chǎn)量的同時(shí)降低生產(chǎn)成本的目的。1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)如圖 1 所示，主要包括傳感器、控制終端、通信終端、操作終端及軟件平臺(tái)。系統(tǒng)通過(guò)各種傳感器等監(jiān)測(cè)設(shè)備感知溫室內(nèi)的環(huán)境信息。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)通信終端進(jìn)入上位機(jī)系統(tǒng)，并對(duì)溫室監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算分析和共享，溫室環(huán)境控制算法通過(guò)控制終端對(duì)調(diào)控設(shè)備進(jìn)行控制。該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)還可以通過(guò)手機(jī)流量或短信向用戶發(fā)送實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息、 預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)日光溫室集成化、 網(wǎng) 絡(luò)化遠(yuǎn)程管理。CO2P O y ' P O Ô µ $YÖ Ã$¯ Ö P O O $YÖ Ã$¯ Ö P O CO2P O y ' P O Ô µ $YÖ Ã$¯ Ö P O O $YÖ Ã$¯ Ö P O 4ï *1 - × £ AÑ 1Ç j4ï 5 5 × f 4ø 1× f 4ø 1 j 4ø 1圖 1 基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)1.2 環(huán)境信息采集終端環(huán)境信息采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)各類傳感器數(shù)據(jù)的采集控制，主要包含空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、土壤溫度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器和二氧化碳濃度傳感器。環(huán)境信息采集系統(tǒng)的外部網(wǎng)絡(luò)以基于 IP 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和 GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)進(jìn)行環(huán)境信息的傳輸；內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)則采用短距離、低功率的 ZigBee無(wú)線通信技術(shù)7?；?ZigBee 的無(wú)線傳輸模式中，傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)由 ZigBee 發(fā)送模塊傳送到中心節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，操作終端和控制終端間傳送的控制指令也傳送至中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用周 偉1，2，呂全貴1，2，李雪蓮1，林紅兵3（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所，新疆 烏魯木齊 830052；3.新疆宏研智慧農(nóng)業(yè)科技有限公司，新疆 烏魯木齊 830011）摘 要 ： 針對(duì)新疆日光溫室生產(chǎn)科技含量不足 ， 生產(chǎn)自動(dòng)化程度落后等問(wèn)題 ， 文中提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日光溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng) ， 實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能控制 。 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)表明 ， 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定 ， 環(huán)境調(diào)控可靠 ， 可滿足日光溫室智能監(jiān)控的需求 ， 大大降低了農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度 、 提 高了日光溫室園區(qū)的管理水平 ， 加快了新疆農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程 。關(guān) 鍵 詞 ： 日光溫室 ； 監(jiān)控系統(tǒng) ； 物聯(lián)網(wǎng) ； 智能控制中圖分類號(hào)： S24； TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-1302（ 2017） 05-0097-03收稿日期： 2016-12-27基金項(xiàng)目 ： 新疆維吾爾自治區(qū)科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目 （ 201431118）； 新疆維吾爾自治區(qū)自然基金項(xiàng)目 （ 2016D01B028）DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2017.05.031物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2017年 / 第5期 智能處理與應(yīng)用Intelligent Processing and Application98點(diǎn)再經(jīng)邊緣網(wǎng)關(guān)將傳感器數(shù)據(jù)、控制指令發(fā)送到上位機(jī)的業(yè)務(wù)平臺(tái)。技術(shù)人員可以通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò) / 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)上位機(jī)系統(tǒng)業(yè)務(wù)平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室現(xiàn)場(chǎng)的傳感器參數(shù)，控制溫室現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)設(shè)備。1.3 控制終端控制終端主要由控制器、觸摸屏、電源、開(kāi)關(guān)器件、 CO2氣體存儲(chǔ)釋放裝置等組成。控制箱可以通過(guò)在上位機(jī)或手機(jī)終端執(zhí)行操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)、水泵、卷簾設(shè)備的手動(dòng)控制和遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，并根據(jù)用戶需求定時(shí)啟 / 停設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)控制柜如圖 2 所示。圖 2 現(xiàn)場(chǎng)控制柜1.4 操作終端和軟件平臺(tái)操作終端為計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)（安卓系統(tǒng)）。系統(tǒng)軟件平臺(tái)主要由客戶端（包括電腦客戶端和手機(jī) App），應(yīng)用服務(wù)端和數(shù)據(jù)庫(kù)三部分組成。通過(guò)手機(jī)客戶端軟件，可隨時(shí)隨地掌握溫室內(nèi)的環(huán)境信息及設(shè)備工作狀況，匯總、分析采集得到的環(huán)境信息，遠(yuǎn)程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)配置、功能配置。手機(jī) App 監(jiān)控界面如圖 3 所示。系統(tǒng)每分鐘保存一次采集的溫室數(shù)據(jù)，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)列表顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)下載、歷史數(shù)據(jù)列表、曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)分析等功能。后臺(tái)部分在服務(wù)器上主要用于用戶注冊(cè)系統(tǒng)維護(hù)，系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)更新維護(hù)等。圖 3 手機(jī) App 監(jiān)控界面2 系統(tǒng)應(yīng)用分析該系統(tǒng)在新疆烏魯木齊市農(nóng)十二師西山農(nóng)牧場(chǎng)日光溫室園區(qū)內(nèi)進(jìn)行安裝調(diào)試，溫室內(nèi)種植草莓，實(shí)驗(yàn)期間草莓處于幼苗期，選擇兩棟日光溫室安裝該物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備，安裝現(xiàn)場(chǎng)如圖 4 所示。圖 4 安裝現(xiàn)場(chǎng)2.1 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的溫室內(nèi)空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、土壤溫度、土壤相對(duì)濕度、光照強(qiáng)度和 CO2濃度六大要素以實(shí)時(shí)曲線的方式顯示，記錄歷史數(shù)據(jù)并分析各參數(shù)變化對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)施作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)的精確監(jiān)測(cè)，圖 5 所示為2016 年 1月 10 日（室外溫度為 3 10） 1# 實(shí)驗(yàn)日光溫室內(nèi) 24 h 的空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、 CO2濃度變化曲線。從圖 5 中可以看出，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)控，溫室內(nèi)溫度基本控制在 15 25范圍內(nèi)，空氣濕度在 50% 70% 之間，均在草莓植株地上部分生長(zhǎng)的適溫范圍內(nèi)。草莓處于幼苗期時(shí)，土壤呼吸旺盛，群體光合較弱，且冬季日光溫室?guī)缀跆幱谌]狀態(tài)，因而溫室 CO2水平較高，基本維持在 500 ppm 以上，未發(fā)生 CO2虧缺，因此不需要進(jìn)行CO2施肥。2.2 視頻監(jiān)控相對(duì)傳感器數(shù)據(jù)而言，圖像和視頻（圖像序列）提供的農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)信息更加豐富和直觀。通過(guò)該系統(tǒng)中的高清視頻設(shè)備，將作物生長(zhǎng)情況以及病害發(fā)生情況的圖片信息通過(guò)無(wú)線橋網(wǎng)傳輸，為作物遠(yuǎn)程病蟲(chóng)害診斷及環(huán)境信息采集控制系統(tǒng)提供有效的數(shù)據(jù)支持。相關(guān)專家可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)各地生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)與診斷，實(shí)現(xiàn)重大病蟲(chóng)害的預(yù)防監(jiān)測(cè)，為最終實(shí)現(xiàn)全疆范圍內(nèi)規(guī)?；a(chǎn)的基地聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)奠定基礎(chǔ)。溫室內(nèi)草莓生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像如圖 6 所示。3 結(jié) 語(yǔ)溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是提高溫室作物產(chǎn)量、減少勞動(dòng)力成本的關(guān)鍵技術(shù)，代表了溫室生產(chǎn)的核心競(jìng)爭(zhēng)力、融合了傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)通信以及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)被越來(lái)越多地應(yīng)用到溫室監(jiān)控領(lǐng)域8-11，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)利用手機(jī)短信、電子顯示屏、網(wǎng)站等多媒體發(fā)布低溫預(yù)警服務(wù)，并采用遠(yuǎn)程智能控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室定時(shí)加溫。由此可以看出，我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究廣泛深入，但應(yīng)用上總體處于試驗(yàn)示范階段，規(guī)模小且分散。本研究以連棟日光溫室作為應(yīng)用對(duì)象，基于物聯(lián) 網(wǎng)技術(shù)2017年 / 第5期 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能處理與應(yīng)用Intelligent Processing and Application99框架，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了日光溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溫室內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和農(nóng)業(yè)管理的自動(dòng)化、智能化，同時(shí)，該物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)還能分析環(huán)境參數(shù)變化曲線，便于研究日光溫室不同作物的最適宜環(huán)境。該系統(tǒng)的投入運(yùn)行降低了日光溫室生產(chǎn)中人力、物力的投入，達(dá)到了節(jié)能增收的效果。0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:0012:0014:0016:0018:0020:0022:000:00時(shí)間/hh:mm溫度 相對(duì)濕度相對(duì)濕度%010203040506070801012141618202224溫度/（ a） 空氣溫度 、 濕度變化曲線土壤溫度 土壤濕度0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:0012:0014:0016:0018:0020:0022:00 0:00024681012141618666870727476788082時(shí)間/hh:mm相對(duì)濕度%溫度/（ b） 土壤溫度 、 濕度變化曲線CO2濃度50070090011001300150017000:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:0012:0014:0016:0018:0020:0022:000:00CO2濃度時(shí)間/hh:mm（ c） CO2濃度變化曲線圖 5 環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)曲線圖 6 溫室內(nèi)草莓生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像參考文獻(xiàn)1 王浩，馬月虹，楊關(guān)勇，等 . 新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)區(qū)域布局及其生產(chǎn)功能區(qū)劃研究 J. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2014， 51（ 12）： 2328-2337.2 曲文濤，范思梁，吳存瑞 . 我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展存在的問(wèn)題及對(duì)策 J.農(nóng)業(yè)科技與裝備， 2010 （ 6）： 151-152.3 楊英茹，郭利朋，岳趙寒，等 .日光溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及問(wèn)題分析 J. 農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息， 2015（ 3）： 50-51.4 閻曉軍，王維瑞，梁建平 . 北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式構(gòu)建 J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2012， 28（ 4）： 149-54.5 鄒承俊，余攀 . 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能溫室關(guān)鍵技術(shù)研究 J. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， 2015， 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