小型智能蔬菜大棚模型的設計

孫志明　趙國飛　蔡金鵬

摘 要：隨著生活水平的提高，老百姓期待一年四季都能吃到各種綠色蔬菜，溫室大棚也隨之逐漸在各地普及。但傳統溫室大棚人工管理，成本高，效率低。本項目利用物聯網技術模擬真實蔬菜大棚各種參數的檢測及監控情況。在大棚各個點放置安裝有傳感器的小節點，小節點將檢測到的數據每隔一段時間通過無線傳輸傳送給Zigbee協調器，當有參數超限時，可用LED燈及蜂鳴器實現模擬報警。

關鍵詞：智能大棚；物聯網；Zigbee

引言：智能溫室大棚是農業物聯網的一個重要應用領域，是以全面感知、可靠傳輸和智能處理等物聯網技術為支撐和手段，以溫室大棚的自動化生產、最優化控制、智能化管理為主要目標的農業物聯網的具體應用領域，也是目前應用需求最為迫切的領域之一。溫室大棚以日光溫室為主，溫室結構簡易，環境控制能力低。我國溫室大棚的技術裝備盡管有了較大發展，但是溫室大棚種植普遍存在管理粗放、技術設施落實不到位、智能化水平低，導致單位生產效率低、投入產出比不高、農業產品質量安全水平起伏較大的現狀，在溫室環境、栽培管理技術、生物技術、人工智能技術、網絡信息技術等方面和發達國家存在著較大差距。我國建設在南方的大型智能溫室以生產花卉為主，北方的則以栽培蔬菜為主，少部分智能溫室用于栽培苗木。

目前智能大棚存在一部分問題比如首先是成本較高。一般來講，一套智能化的控制系統成本主要包括硬件成本、運行成本和維護成本。硬件成本包括各儀器儀表、通信線纜等。整個系統也不能自由組合或者裁剪應用于不同的對象，使得難以得到推廣和普及。同時，由于系統復雜、布線繁多、故障率高而且使得故障后的維修成本極大。另外，系統龐大造成的運行成本也不是一筆小費用。其次是布線復雜。溫室中有大量分散的傳感器和執行機構，這些設備可能隨著作物的改變而進行調整，同時錯綜復雜的線纜也需要重新鋪設，工作量較大。為了科學、合理地實現大面積溫室環境參數的自動檢測與控制，電子檢測裝置和執行機構的設置不僅數量大而且分布廣，連接著各個裝置與機構的線纜，也因此縱橫交錯。當溫室內生產的果蔬作物更替時，相應的電子檢測裝置和執行機構的位置常常需要調整，連接著各個裝置與機構的線纜有時也需要重新布置。這不僅增大了溫室的額外投資成本和安裝與維護的難度，有時也影響了作物的良好生長。第三，故障解決難。當數據無法正常接收時，檢查人員不知道是線路問題還是節點故障。另外，目前的控制系統多采用基于現場總線的分布式模式，當總線出現故障時，雖然各控制節點尚能正常工作，但是上位機卻無法正常管理整個網絡，專家控制策略無法實施。

本項目設計的小型智能蔬菜大棚模型擬實現：

（1）廣范圍的測量，需求傳感器節點多當前溫室生產的首要特點就是監控區域很大，普通單個連棟溫室都有幾千平方米，而一個園區溫室群的面積可能會在幾百畝以上，因此需要大量的傳感器節點構建傳感器網絡，在每個溫室中采集諸如空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤濕度、等信息，除此以外，目前對作物生理參數的檢測也逐漸受到人們的重視，因此將會有更多的傳感器節點被用于溫室生產。另外，用于驅動溫室中執行機構的控制節點的數量也不能忽略。由此可見，溫室對其監測與控制系統的首要需求就是網絡容量大。

（2）檢測點位置靈活變動：溫室中大量分散的傳感器，但隨著作物的生長而需要不斷調整位置；或者當溫室內生產的作物更替時，相應的電子檢測裝置和執行機構的位置也常常需要調整；另外，溫室的利用結構也會經常根據用戶需要而不斷改變，這就要求系統中各個節點能根據需要隨意變換位置而不影響系統工作。

（3）節點數目可隨意增減：作物生長階段不同，環境因子對作物的影響可能也不同，生長初期可能對溫度比較敏感，而后期可能對光照比較敏感，這就要求系統可以隨意改變節點的類型和數量。除此以外，隨著作物的生長，用戶可能還需要對植物的生理參數進行監測而需要不斷增加傳感器節點。在某些科研溫室中，也經常需要改變傳感器節點的類型和數量，以達到精確監測與控制。上述這些情況都需要所用的監控系統的節點能隨意增減。

本項目結構及配套設施：主體骨架為熱鍍鋅型組裝、覆蓋材料、通風模塊、遮陽模塊、風機模塊、溫濕度模塊、CO2模塊、電源模塊、上位機界面。該模型是一個半封閉系統，依靠覆蓋材料形成與外界相對隔離的室內空間，一方面要以通風換氣創造植物生長優于室外自然環境的條件；另一方面，室內產生的高溫高濕和低二氧化碳濃度，通過通風換氣來調控，創造植物生長的最佳環境。

本系統分為感知層、傳輸層與應用層。感知層可檢測溫濕度、光、CO2等，傳輸層選用ZIGBEE模塊進行信息的無線傳輸，在應用層簡單界面，可顯示出當前檢測到的各項參數。經運行調試，證實本系統可作為智慧大棚部分參數遠程控制實現方法的參考，為真實布線提供依據。

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基金項目：山東協和學院實驗室開放項目（2017SYKF71）