基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計實施及問題分析

楊英茹等

摘要 介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)的具體設計實施內(nèi)容，指出了該系統(tǒng)在設計實施中存在的問題，并提出了相應的解決對策。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；日光溫室；遠程監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：S126 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）08-329-03

設施農(nóng)業(yè)是我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，設施農(nóng)業(yè)中以日光溫室所占份額最高。但目前設施農(nóng)業(yè)普遍存在管理粗放、智能化水平低、占用大量勞動力的現(xiàn)狀，而且結(jié)構(gòu)簡易，環(huán)境控制能力低。如何以更加科學高效的模式對其進行智能管理，是當前的研究熱點之一[1-3]。隨著信息技術在農(nóng)業(yè)中的推廣應用，物聯(lián)網(wǎng)技術為農(nóng)業(yè)智能遠程管理構(gòu)建了新的模式。該技術綜合了RFID無線射頻、無線傳感網(wǎng)絡以及Socket通信技術，實現(xiàn)了生產(chǎn)設備的遠程控制和農(nóng)業(yè)管理的自動化、智能化[4]。將物聯(lián)網(wǎng)與移動網(wǎng)絡以及 Internet相結(jié)合，實現(xiàn)對日光溫室的遠程智能監(jiān)測與控制，對推進現(xiàn)代智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著重要的實踐價值和推廣意義[5]。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)整體設計實施方案

該研究在現(xiàn)有日光溫室的基礎上進行改造，并加裝遠程監(jiān)控系統(tǒng)，其整體設計實施方案如下。

1.1 日光溫室改造

1.1.1 日光溫室基礎條件。

日光溫室為北、東、西3面磚墻結(jié)構(gòu)，前坡面鋼筯骨架，上覆塑料棚膜，再上面覆蓋棉被（或）草苫。一般設上、下風口，或僅設上風口或僅設下風口，但均靠人工拉繩帶動棚膜打開或關閉，或純?nèi)斯は崎_或關閉棚膜，即為打開或關閉風口；草苫（或棉被）由十幾塊組成，由東向西或由西向東依次鋪開，卷放時靠人站在棚頂，對每塊草苫（或棉被）拉繩或放繩以卷起或放下；灌溉一般在東西設PVC主管道，在主管道上按種植作物的行開口，打開開關，順壟灌溉。

1.1.2 日光溫室改造目的。

日光溫室改造目的在于如何通過對日光溫室的硬件改造實現(xiàn)日光溫室硬件開關與遠程監(jiān)控系統(tǒng)接軌，最終實現(xiàn)計算機對溫室內(nèi)硬件的遠程自動控制。

1.1.3 日光溫室保溫被（或草苫）改造。

由原來的十幾塊組成改為由一塊組成，北部頂端進行固定，南部底端固定在一根直徑12～16 cm的中空不銹鋼卷軸上，卷軸與自動卷簾機相連，自動卷簾機的電機可正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，就帶動卷軸將棉被（草苫）整個卷起或放下。

1.1.4 日光溫室風口改造。

將整個日光溫室的棚膜設計為上、中、下3塊，上膜和中膜形成上風口，上膜的下端用卷軸卷起，卷軸連接卷膜器，利用卷膜器通電后正反轉(zhuǎn)動帶動卷軸卷起或放下上膜，從而實現(xiàn)頂風口的開或關。同理，中膜和下膜形成下風口，中膜的下端用卷軸卷起，卷軸連接卷膜器，利用卷膜器通電后正反轉(zhuǎn)動帶動卷軸卷起或放下中膜，從而實現(xiàn)底風口的開或關。

1.1.5 日光溫室灌溉系統(tǒng)改造。

改造后作物采用大小行種植，東西鋪設主管道，在主管道上按行間距安裝微噴帶，每條微噴帶鋪在小行中間，并兩旁起高壟蓋地膜。在主管道中間位置連接過濾器、吸肥器、潛水泵，潛水泵直接沉于蓄水池底部。潛水泵一經(jīng)通電，就可以將蓄水池中的水經(jīng)過濾輸送至主管道，再從主管道進入微噴帶，微噴帶上的小孔將水分散形成細小的霧滴，噴射至空中，又被上面覆蓋的地膜引流至兩旁的根系，為植株提供水源。利用水泵通斷電實現(xiàn)膜下微噴灌溉的開啟或關閉。肥料可以通過吸肥器吸入管道，也可以在蓄水池中溶化直接由潛水泵吸入管道實現(xiàn)水肥一體化灌溉。灌溉方式也可以改為滴灌或其他，但支路的帶子鋪放形式也要隨之改變。

1.1.6 日光溫室其他改造。

其他改造如加裝補光燈，加裝電風扇、補二氧化碳裝置等，改造后只要利用一根總線通電即可打開全部補光燈或打開電風扇或打開補二氧化碳裝置等，就滿足了改造要求。

1.2 安裝日光溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)

1.2.1 系統(tǒng)整體工作流程。

日光溫室中各采集點收集到各種傳感器數(shù)據(jù)，通過ASE接收實時溫室內(nèi)環(huán)境信息并顯示，利用有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡傳輸技術將上述數(shù)據(jù)上傳到綜合控制中心；綜合控制中心接收到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行處理分析，形成決策指令，并通過大屏幕進行顯示，管理人員可根據(jù)情況對溫室的控制設備進行合理的調(diào)控；也可設定自動模式，系統(tǒng)將根據(jù)分析形成的決策指令自動控制棉被（或草苫）、風口、灌溉、風扇、補光燈等設備，對環(huán)境進行智能化科學合理調(diào)控[7]。另外，監(jiān)控系統(tǒng)將視頻信息通過無線方式傳回到綜合控制中心，存儲并顯示，管理人員可通過軟件來控制攝像機，實時了解現(xiàn)場情況。系統(tǒng)整體設計框架如圖1所示。

1.2.2 具體實施系統(tǒng)。具體實施包括5大系統(tǒng)：環(huán)境信息采集系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、遠程智能監(jiān)控軟件系統(tǒng)。

1.2.2.1 環(huán)境信息采集系統(tǒng)。

利用無線數(shù)據(jù)采集技術，對溫室內(nèi)空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、土壤溫度、光照強度、二氧化碳濃度進行實時采集，采集得到的數(shù)據(jù)在現(xiàn)場可以實時顯示，并通過無線傳輸技術，將數(shù)據(jù)傳輸并匯總到中控室[8]。

1.2.2.2 智能控制系統(tǒng)。

在溫室中安裝采集控制器，既能無線接收上述傳感器采集到的環(huán)境信息數(shù)據(jù)，同時控制系統(tǒng)與溫室改造后的卷放棉被（或草苫）的電機、上風口的卷膜器、下風口的卷膜器、微噴（或滴灌）的潛水泵、補光燈的總線、電風扇的總線、補二氧化碳裝置的總線等相連，實現(xiàn)對溫室內(nèi)卷放棉被（或草苫），開關風口，灌溉，開關補光燈、電風扇、補二氧化碳裝置等設備的遠程智能控制或在溫室內(nèi)控制柜按紐實現(xiàn)對其的自動控制。

1.2.2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

在溫室內(nèi)安裝1個高清視頻監(jiān)控攝像頭，實現(xiàn)對溫室內(nèi)視頻圖像的實時采集，并將采集的視頻監(jiān)控信息利用無線傳輸?shù)哪Ｊ剑l(fā)送至中控室[9]。

1.2.2.4 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

環(huán)境信息參數(shù)、環(huán)境信息智能控制及視頻監(jiān)控均通過無線網(wǎng)橋進行傳輸[10]。

1.2.2.5 遠程智能監(jiān)控軟件系統(tǒng)。

設計開發(fā)遠程智能監(jiān)控軟件系統(tǒng)，包括計算機終端WEB版和手機使用終端3G版，系統(tǒng)的主要功能包括：實時顯示采集得到的數(shù)據(jù)；歷史數(shù)據(jù)保存；集成顯示實時視頻圖像；在中控室實現(xiàn)對溫室內(nèi)調(diào)控設備的遠程控制操作。

2 現(xiàn)階段設施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題

2.1 用戶接受度問題[11] 目前，各類基于物聯(lián)網(wǎng)技術的設施蔬菜生態(tài)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)大量出現(xiàn)，但實際運行和調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，在日光溫室生產(chǎn)中應用十分有限，對日光溫室內(nèi)生態(tài)環(huán)境參數(shù)進行測量大部分還停留在原始的方式，大量基于物聯(lián)網(wǎng)技術的成果和產(chǎn)品只停留在科技示范階段，沒有應用到最基層的生產(chǎn)中。

2.2 溫室硬件與遠程自動化不匹配 在實際運行中發(fā)現(xiàn)，溫室硬件與遠程自動化不匹配成為阻礙遠程自動化系統(tǒng)推廣應用的主要障礙，如開關風口的卷膜器行程限位、棉被（或草苫）電機的行程限位控制不夠成熟，在實際操作中會出現(xiàn)卷膜、棉被（或草苫）等卷過位的情況[12]；一般溫室卷起或放下棉被后防止大風刮起棉被常用多條繩子拉緊，如需遠程卷起或放下棉被則還需現(xiàn)場有人先將繩子松開或最后再綁緊，不能實現(xiàn)完全遠程自動控制[13]。

2.3 價格問題 目前，該系統(tǒng)平臺和相關設備成本費用較高[15-16]，超出了用戶的實際承受范圍，而一般情況下農(nóng)產(chǎn)品的價格較低，嚴重阻礙了日光溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的大面積推廣應用。

3 現(xiàn)階段設施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展建議

3.1 開展技術培訓 為解決基于物聯(lián)網(wǎng)技術的日光溫室監(jiān)控系統(tǒng)認知度問題，在物聯(lián)網(wǎng)技術和功能已經(jīng)逐漸完善的前提下，需要加大推廣力度，采用技術培訓等方式，向農(nóng)戶普及先進技術和推廣先進設備，提高農(nóng)戶對新技術、新產(chǎn)品的認知度[17]。

3.2 加強日光溫室硬件建設 加強日光溫室硬件建設，不斷使其與遠程監(jiān)控系統(tǒng)更加匹配，結(jié)合度更強，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的遠程監(jiān)測和控制，而不是示范性的遠程監(jiān)測和控制，才能實現(xiàn)大面積的推廣和普及。

3.3 不斷降低成本[18] 優(yōu)化設備結(jié)構(gòu)，降低成本，采用技術成熟、國產(chǎn)化、成本較低的傳感器、網(wǎng)絡設備等，才能夠使系統(tǒng)的成本降低，使得該系統(tǒng)得到更廣泛的應用。

3.4 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性 系統(tǒng)穩(wěn)定性是影響系統(tǒng)應用效果的最大影響因素，實際生產(chǎn)中要求系統(tǒng)能夠適應農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的高溫、高濕等復雜環(huán)境[19]，所以加強系統(tǒng)穩(wěn)定性建設，以實用和適用為原則，開發(fā)更加耐用、監(jiān)測和傳輸更加穩(wěn)定可靠、標準統(tǒng)一的系統(tǒng)勢在必行[20]。

參考文獻

[1] 楊庚，許建.物聯(lián)網(wǎng)安全特征與關鍵技術[J].南京郵電大學學報：自然科學版，2010，18（8）：136-139.

[2] 何芬，馬承偉.中國設施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與對策分析[J].中國農(nóng)學報，2007，6（10）：462-465.

[3] 王娟.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)試點不計成本規(guī)模化應用尚需時日[EB/OL].（2013-05-20）http：//tech.hexun.com/2013-05-20/154304528.html.

[4] 馬增煒，馬錦儒，李亞敏.基于 WIFI 的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].農(nóng)機化研究，2011（2）：155-157.

[5] 陳爽，王軍，周賢娟.智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].工業(yè)控制計算機，2009，22（4）：3-5.

[6] 周小波.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的設施農(nóng)業(yè)在線測控系統(tǒng)設[J].太原科技大學學報，2011，32（3）：182-185.

[7] 徐海斌，王鴻翔，楊曉琳，等.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中物聯(lián)網(wǎng)應用現(xiàn)狀與展望[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2013，41（5）：398-400.

[8] 劉海明.物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用探究[J].農(nóng)業(yè)與技術，2012，32（5）：30.

[9] 張琛馳.對我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的思考[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2012（22）：341，349.

[10] 李柱，杜永林，趙霞.以物聯(lián)網(wǎng)技術突破現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展瓶頸[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡信息，2011，（8）：98-100.

[11] 戴起偉，曹 靜，凡燕，等.面向現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)應用的物聯(lián)網(wǎng)技術模式設計[J].江蘇農(nóng)業(yè)學報，2012，28（5）：1173-1180.

[12] 張凌云，薛飛.物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)中的應用[J].廣東農(nóng)業(yè)科學，2011（16）：146-149.

[13] 閻曉軍，王維瑞，梁建平.北京市設施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用模式構(gòu)建[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2012，25（3）：149-154.

[14] 徐海斌，王鴻翔，楊曉琳，等.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中物聯(lián)網(wǎng)應用現(xiàn)狀與展望[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2013，41（5）：398-400.

[15] 馬興，王巍，韓潔，等.物聯(lián)網(wǎng)技術加快實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化[J].山西農(nóng)業(yè)科學，2013，39（4）：376-378.

[16] 李金瑩，楊宏業(yè)，呂文艷.物聯(lián)網(wǎng)技術與我國設施農(nóng)業(yè)發(fā)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2013，41（19）：8344-8346.

[17] 高強，滕桂法.物聯(lián)網(wǎng)技術在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2013，30（8）：3723-3724，3730.

[18] 呂連生.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展大趨勢與安徽省對策研究[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)，2013（2）：4-8.

[19] 李作偉，丁捷，毛鵬軍.設施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術及工程化應用探討 [J].農(nóng)業(yè)工程，2012，2（2）：36.

[20] 黃鵬，楊云志 ，李元忠.“物聯(lián)網(wǎng)”推動 RFID技術和通信網(wǎng)絡的發(fā)展 [J].電訊技術，2010，50（3）：58-59.