物聯網技術在智能連棟溫室中的應用研究

王 瑞，吳樂天，孫小麗，史慧鋒

（1.新疆農業科學院農業機械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆設施農業工程與裝備工程技術研究中心；3.農業部林果棉與設施農業裝備科學觀測實驗站；4.新疆農業科學院農業工程公司）

物聯網技術在智能連棟溫室中的應用研究

王 瑞1,3，吳樂天2,4，孫小麗1,2，史慧鋒3

（1.新疆農業科學院農業機械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆設施農業工程與裝備工程技術研究中心；3.農業部林果棉與設施農業裝備科學觀測實驗站；4.新疆農業科學院農業工程公司）

針對現有溫室管理過程中出現的人為因素干擾和粗獷管理模式帶來的諸多問題，本文設計了一種基于物聯網技術的設施農業遠程控制系統，對作物生長環境進行精細化的智能管理，精確控制溫室內溫度、濕度、光照等環境因素，營造農作物生長的最佳環境，實現農業溫室作物生產精細化、智能化、多功能的現代農業溫室種植模式。

物聯網；智能連棟溫室；傳感器；控制器

物聯網技術是信息感知、數據傳輸與信息處理三大子領域相互融合的產物，物聯網綜合了傳感器技術、無線傳感網技術、嵌入式計算技術、無線通信技術及信息處理技術，極大地擴展了網絡的功能和認知世界的能力。物聯網技術具備全面感知、可靠安全、智能處理等幾大特征，且具有組網維護便利、成本低廉、數據可靠、處理量大等優點。在物流產業、交通運輸、醫療器械以及銷售管理等系統中被廣泛應用，本文介紹的是將物聯網技術應用于現代溫室的自動灌溉、保溫、施肥、降溫和補光等設施設備的管理中。

試驗溫室為新疆農業科學院農業機械化研究所2012年建設的智能連棟溫室，占地面積約800 m2，溫室骨架采用熱鍍鋅組裝式鋼架，跨度9.6 m，2跨，屋頂采用小尖頂Venlo型結構，溫室總高度6.8 m（含外遮陽），尖頂高6.3 m，天溝高5.5 m，溫室長44 m，開間4 m，11個開間。屋面配備排水槽和集露槽，以便排出雨雪水。溫室四周采用中空玻璃覆蓋，頂部采用單層玻璃，密封和保溫性能好。

通過物聯網技術對外遮陽、內遮陽保溫系統、濕簾/風機強制通風降溫系統、加溫系統、植物補光系統、二氧化碳發生系統和節水灌溉系統等進行智能化的調控，克服了溫室管理過程中出現的人為因素干擾和粗獷管理模式，通過傳感器技術對溫室環境實現了實時監測和云端共享，對連棟溫室中內外遮陽系統、降溫系統、灌溉系統、補光系統等設施和裝備實現了自動化智能控制，為作物提供了最佳的生長環境，同時解放了勞動力，實現了溫室作物精細化生產和智能化管理。

1 系統方案設計

本設計基于新疆農業科學院農業機械化研究所智能連棟試驗溫室，以實現異地遠程監控、實施監測和自動控制。該系統由異地訪問終端、數據輸出中心和農業應用、監測與控制系統、網絡傳輸和現場感知控制技術五大內容構成（表1）。

試驗溫室遠程監控系統中現場感知和控制網絡采用WSN技術實現，包括網關節點、傳感器節點和控制器節點，大量無線節點通過隨機或固定部署的方式分布在監測區域內，以自組形式形成無線傳輸網絡。傳感器節點負責采集現場數據，通過無線網絡傳輸到網關節點，再傳輸到云服務端，經過云服務端綜合計算處理，然后將控制命令發到網關節點，最后傳到控制節點執行控制命令。

1.1 網關節點設計

網關節點通常由嵌入式處理器、網絡通訊模塊和無線通訊模塊組成，如圖1。網關節點具有較強的處理能力、存儲能力和通訊能力，網關連接傳感器網絡與云服務，實現兩種協議棧之間的通信協議轉換，把收集到的數據轉發到云服務端或者將云端指令發到現場控制器。網關處理器通常采用ARM系列處理器，通常采用C語言開發。網關節點既可以是一個有增強功能的傳感器節點，也可以是一個沒有監測功能的僅具備網絡轉換功能的特殊網關設備。

圖1 網關節點結構示意

1.2 傳感器節點設計

傳感器節點通常是一個微型嵌入式系統，如圖2。傳感器節點主要由信號轉換模塊、處理器模塊、無線通訊模塊和電源管理模塊組成。信號轉換模塊與傳感器一起將傳感器的物理信號轉換為可處理的數據，經過處理器模塊處理后，通過無線通訊模塊將數據報送到網關節點。傳感器節點通常有能量有限的電池供電且采用低功耗低成本設計，因此傳感器節點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱。處理器通常采用單片機實現，如51、AVR系列單片機，開發語言通常采用C語言。

圖2 傳感器節點結構示意

1.3 控制器節點設計

控制器節點通常是一個微型嵌入式系統，通常由無線通訊模塊、處理器模塊和控制通訊模塊組成。

圖3 控制器節點結構示意

云端的控制指令通過無線通訊模塊傳到處理模塊，經過轉換處理后，通過RS485或者CAN轉發到PLC（或者其他繼電器控制板）執行；同時將PLC執行狀態經過轉換，通過無線通訊模塊轉發到云端（圖3）。控制處理器通常采用單片機設計，如51、AVR等，開發語言通常采用C語言開發。

2 系統布局設置

2.1 節點分布

該系統采用WSN技術實現現場感知和控制網絡，將網關節點、傳感器節點、控制節點三大系統整合成一條通訊路線，在監測區域內固定部署大量無線節點，以自組形式形成無線傳輸網絡。傳感器節點負責采集現場數據，通過無線網絡傳到至網關節點，再通過云服務端綜合計算處理，將控制指令反饋回各個網關節點，最后由控制節點執行控制指令，從而實現了物聯網平臺的整體運行。

2.2 傳感器布點

為了實現對溫室內溫度、濕度、光照等環境因子的精確控制，將環境監測傳感器合理布局，在溫室內作物的生長區20 m×44 m內，分別設置2個溫度、濕度傳感器，溫、濕度傳感器間隔20 m，放置高度約為1.5 m左右為宜；在溫室內均布4個光照傳感器和4個二氧化碳傳感器。為了對比室內外氣象條件的變化，同時在溫室外20 m內沒有遮擋物的地方架設一座溫室專用室外氣象站，用于實時監測溫室外溫、濕度、光照強度、風速、風向及雨雪情況。各傳感器在溫室內的分布如圖4。

圖4 傳感器分布

2.3 數據傳輸

傳感器節點采集的數據通過GPRS融入到網絡節點并上傳至云端，從而完成了數據的整個采集過程。根據室內外氣候變化情況設計編寫相應的控制程序，通過無線通訊模塊與單片機連接實現數據信息通訊，實現對溫室內環境數據的監測和遠程控制。

3 應用效果

3.1 數據實時監測

該系統通過空氣溫度傳感器、濕度傳感器、光照、二氧化碳傳感器、室外風速、風向傳感器等六要素的環境感知平臺，將溫室內外的溫濕度、光照、風速、風向、二氧化碳等數據，以實時曲線的方式顯示出來，記錄歷史曲線并分析各參數變化對作物生長的影響，實現對設施作物生長環境數據的精確監測，圖5為溫室內8點～0點的溫室和濕度變化情況，從圖中可以看出：在12時～20時之間通過物聯網系統實現了室內高溫在25℃～32℃的自動調控，溫室內濕度控制在37%～55%的作物最佳生長范圍內。

圖5 溫室內溫度、濕度變化監測曲線

3.2 遠程監控

通過無線傳感器裝置的遠程無線數據采集設備，實現對溫室相關參數的信息采集、存儲、顯示、無線轉發；通過云端的自動化邏輯指令控制，實現了對溫室的遠程操作和溫室環境設備的自動控制，在特殊情況下也可以通過手機客戶端對溫室灌溉、開窗、通風、遮陽、補光等設備進行調控操作，實現對作物生長環境的溫、濕、光、氣等因素的標準化調控。

3.3 視頻監控和專家診斷

通過該系統中360°無死角的高清視頻設備，將作物生長情況以及病害發生情況通過3G網絡連入互聯網平臺（圖6），通過網絡發送信息至設施生產管理專家，通過專家系統與互聯網平臺無縫對接，相關專家可以通過互聯網對各地生產進行指導與診斷，實現重大病蟲害預防監測，為最終實現全疆范圍內規模化生產的基地聯網監測平臺提供條件。

表1 溫室系統方案構成

圖6 高清視頻監測及專家診斷平臺

4 結論

（1）新疆農業科學院農業機械化研究所的智能連棟溫室采用物聯網系統，溫室中外遮陽、內遮陽保溫系統、通風降溫系統、灌溉系統等設備全部實現了自動控制，實現了溫室內環境的精細化調控和監測。

（2）物聯網技術在現代化智能溫室中的應用改變了粗放的農業經營管理方式，一座800 m2的溫室僅由一個管理人員管理，徹底解放了勞動力，實現智能溫室的高效生產管理，將信息技術完美的應用于設施農業領域。

（3）該系統提高了植物病蟲害防控能力，確保了農產品的質量安全，是改善設施農業生產手段、提高設施農業生產效率和生產水平的有益嘗試,同時，物聯網系統在日光溫室群等設施環境中也具有良好的應用前景。

[1]陳靜.物聯網技術在日光溫室大棚中的應用研究[J].科技信息，2012,(36):578～579.

[2]歐亞軍.物聯網技術在溫室大棚中的應用研究[J].軟件導刊，2013,12(11):143～145.

[3]郭清華.蔬菜大棚智能溫度控制系統應用研究[J].安徽農業科學，2008，36(11):4487～4488.

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.03.015

S126

：A

1007-7782（2015）03-0033-03

2015-5-20

自治區科技計劃項目（201211114）；烏魯木齊市科技局項目（H131222001）；公益性行業（農業）科研專項（201203002）；新疆維吾爾自治區科技計劃（201130104）；自治區工程技術研究中心組建項目；新疆設施農業技術裝備重點實驗室（xjnkkl-2013-002）

史慧鋒