植物工廠生產方式下智慧農業(yè)監(jiān)控平臺的研究與設計

陰囯富， 朱創(chuàng)錄

(1.渭南師范學院大學科技園/陜西省渭南市智慧城市工程技術研究中心，陜西渭南 714000； 2.渭南師范學院網絡安全與信息化學院/陜西省渭南市智慧城市工程技術研究中心，陜西渭南 714000)

植物工廠是通過設施內高精度環(huán)境控制實現農作物周期性連續(xù)生產的高效農業(yè)系統，是利用智能計算機和電子傳感系統對植物生長的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境條件進行自動控制，使設施內植物的生長發(fā)育不受或較少受自然條件制約的高效生產方式[1]。植物工廠是現代設施農業(yè)發(fā)展的高級階段，是一種高投入、高技術、精裝備的生產體系，集生物技術、工程技術和系統管理于一體，使農業(yè)生產從自然生態(tài)束縛中脫離出來。按計劃進行植物產品生產的工廠化農業(yè)系統，是農業(yè)產業(yè)化進程中應用高新技術成果最具活力和潛力的領域之一，是現代精細農業(yè)的典型代表。

植物工廠的發(fā)展已超過了半個世紀，根據光能的利用方式可分為3種類型，即太陽光利用型植物工廠、全人工光利用型植物工廠、太陽光和人工光并用的綜合型植物工廠[1]。廣義上來說，一切通過改變植物的生活環(huán)境的設施，包括大棚、溫室、種苗繁育箱等都屬于植物工廠概念范疇，目前，通常的分類方法是按照植物生長中最重要的條件之一光能來進行分類。太陽光利用型在我國有廣泛的應用，主要表現形式為精密溫室；太陽光和人工光并用的綜合型植物工廠則在歐美較為盛行；全人工光利用型植物工廠又稱為密閉式植物工廠，它是植物工廠發(fā)展的高級階段，該類型植物工廠大多屬于學術上的研究，但也有產業(yè)界發(fā)展的例子，不過由于其投資及過程控制成本較高，難以得到全面推廣，但目前隨著LED光源技術的不斷發(fā)展，LED光源的成本、能量消耗不斷降低以及LED可控光譜的擴展，使該類型的植物工廠逐漸被人們所關注[2]。人工光源的普遍應用使植物工廠降低了作物生產過程中對環(huán)境的依賴，保證了產量的穩(wěn)定性和可控性，然而此種生產方式由于在植物工廠中大量的控制設備的使用，如果還采用傳統的人工控制方式，可能導致生產效率不能有效提高、控制不精準等問題的出現，因此迫切需要將植物工廠的生產模式和物聯網的泛在互聯和全面監(jiān)控技術結合起來，打造新型的自動化、智能化的智慧農業(yè)生產模式。

本研究旨在建立一套適用于植物工廠內作物栽培的環(huán)境監(jiān)控物聯網系統，系統涉及的硬件包含Web服務器、可編程無線網絡接入器、無線基站、溫度與濕度傳感器、二氧化碳傳感器、酸堿度傳感器、導電度傳感器、荷重元、加濕機、二氧化碳電磁閥與鋼瓶、人工光源、蠕動泵、太陽能發(fā)電設備和集熱裝置等。各項傳感器通過可編程無線網絡接入模塊或有線網絡將數據傳遞給無線光載交換機，實現與服務器的數據傳輸，構建植物工廠的網絡基礎。系統軟件可分成Web服務系統與APP客戶端2個部分，Web服務可以通過無線基站與可編程無線網絡接入器通信，負責量測數據的獲取、上傳至Web系統、執(zhí)行各項設備的控制動作及與Web系統的同步作業(yè)。由于Web系統提供了便捷的人機接口，允許用戶通過網絡聯機來瀏覽與操作整套系統，當用戶對控制策略或各項設定值修改時，即可和主程序維持相同設定，達到同步作業(yè)的目的。

1 總體設計

物聯網被世界公認為是繼計算機、互聯網和移動通信之后的又一次信息革命浪潮，在農業(yè)生產領域，物聯網技術的應用也為實現農業(yè)的信息化和產業(yè)化帶來了前所未有的機遇。尤其對像我國這樣的農業(yè)大國，智慧農業(yè)的應用推廣對加快轉變農業(yè)發(fā)展方式、提高農業(yè)的種植和管理效率、促使傳統農業(yè)轉型升級具有十分重要的意義[3]。植物工廠由于設備自動化程度高、管理工藝控制精確，特別適合物聯網進行智慧農業(yè)的試點應用[4]。本系統實踐應用的陜西省渭南市智慧農業(yè)華州區(qū)試驗站建有太陽光和人工光并用的綜合型植物工廠，為系統的實施提供了平臺基礎，構建的這種溫室將低碳節(jié)能技術、物聯網技術及現代農業(yè)裝備技術有機融合，不僅具有低耗能、高效能、生態(tài)環(huán)保等特點；在功能上，還可同時進行果菜、花卉和種苗的試驗、展示與生產，實現精準遠程控制、自動化育苗及智能果蔬栽培、立體栽培模式等的運用，構成了智慧農業(yè)的生產環(huán)節(jié)，其中控制的核心就是智慧溫室監(jiān)控系統。

植物工廠智慧農業(yè)系統從層次控制角度可分為數據采集及設備控制層、數據傳輸及存儲層、網絡應用層3個層次，植物工廠智慧農業(yè)系統基本框架見圖1。數據采集及設備控制層負責從遍布植物工廠內的傳感器獲取環(huán)境信息，為主控機決策提供數據支持，還負責從數據傳輸與網絡層獲取控制信息對設備進行控制[5]。數據傳輸與存儲層負責將數據采集與控制層采集到的數據通過數據融合的方法匯總成滿足以太網傳輸的EThernetII格式，并通過TCP/IP協議與上層應用進行通信，另外還負責進行控制信息的傳輸以及植物工廠內部數據的存儲及控制過程的記錄。網絡應用層從數據傳輸與存儲層獲取植物工廠中的環(huán)境信息，這些環(huán)境信息經過農業(yè)專家系統進行邏輯判別產生設備的控制信息，并傳遞給網絡傳輸與存儲層實現設備的控制，通過Web平臺進行環(huán)境信息的展示及手動控制接口的實現。智慧農業(yè)生產監(jiān)控系統主要包括5個獨立的子系統，分別為環(huán)境控制、營養(yǎng)液控制、太陽能發(fā)電、太陽能集熱、視頻監(jiān)控子系統。

1.1 溫室環(huán)境控制系統

溫室環(huán)境控制系統主要由現場的環(huán)境數據采集設備(包括室外氣象站、室內環(huán)境數據采集器)、控制器及主控機組成[6-8]。安裝在現場的環(huán)境數據采集器、控制器、主控機及室外氣象站之間采用可編程無線網絡接入器、無線基站進行數據傳輸。主控機與數據庫服務器及Web應用服務器之間通過以太網或光纖進行互聯[9]。

主控機自帶數據庫，可以將采集的環(huán)境參數進行本地保存，本地數據庫與數據庫服務器可以根據用戶設置進行同步。同時，主控機上安裝有自控程序，可根據室內采集器及室外氣象站獲取的環(huán)境參數以及用戶配置的相關閾值，按照既定的控制邏輯模型進行控制計算，并對控制器發(fā)送控制指令。控制器通過接收主控機發(fā)出的控制指令，來控制相關繼電器的閉合，進而對環(huán)境控制設備(天窗、內外遮陽、側窗、濕簾風機、高壓霧噴等)進行控制。通過主控機還可以設置主控機的工作參數，配置采集設備節(jié)點。

1.2 營養(yǎng)液控制系統

與環(huán)境控制系統相似，營養(yǎng)液控制系統基于采集器、控制器及主控機進行設計，現場設備之間采用無線通信技術進行數據傳輸。通過為采集器配置不同的傳感器來采集營養(yǎng)液液位、溶解氧量、pH值及EC值等相關參數，采集數據傳輸至主控機，主控機根據既定的營養(yǎng)液控制模型進行計算，并向控制器發(fā)送控制指令。控制器接受控制指令后，控制配電柜中相關繼電器的閉合，進而控制相關營養(yǎng)液控制設備(如營養(yǎng)液配液電磁閥、營養(yǎng)液純水電磁閥、紫外線消毒器等)。

1.3 太陽能光伏微網發(fā)電系統

公共電網正常時，太陽能微網發(fā)電系統的全部光伏發(fā)電能被優(yōu)先使用，同時作為備用能量源的蓄電池始終處于充滿狀態(tài)，多余光伏發(fā)電可以饋向公共電網。通過雙向逆變器，蓄電池可以接入公共電網中，雙向逆變器工作在交流充電器模式，確保蓄電池始終處于充滿狀態(tài)。當公共電網停電時，太陽能微網發(fā)電系統的蓄電池向主控機提供電能，并通過主控機向用戶手機發(fā)送報警信息，此時主控機處于節(jié)能模式，停止具有較低優(yōu)先級的設備工作，以達到節(jié)能的目的。

1.4 太陽能集熱系統

太陽能集熱系統主要負責采集太陽熱能，實現植物工廠內部的營養(yǎng)液溫度控制需求，在能量供應充足的情況下，也可作為植物工程內部溫度控制的熱源之一。太陽能集熱系統主要包括太陽能集熱器、太陽能儲熱水箱、循環(huán)系統、自動控制系統、智能監(jiān)控顯示系統等。

1.5 視頻監(jiān)控系統

在生產區(qū)、走廊、附屬作物定植間、包裝間等根據需要設置監(jiān)控點，實現視頻采集的無死角全面覆蓋，在監(jiān)控中心通過攝像頭實現對溫室以及周圍環(huán)境的全方位監(jiān)測。

2 關鍵技術及設計

植物工廠環(huán)境控制系統涉及到傳感器、網絡傳輸、機電控制以及計算機信息處理等諸多方面。本研究以植物工廠環(huán)境數據采集為基礎，通過Web端或手機APP進行監(jiān)視并通過手動或者自動的方法發(fā)出控制指令，實現植物工廠環(huán)境及生產過程的自動控制。在植物工廠中，影響作物生長的環(huán)境因子很多，但影響作物生長的主要因素是溫度、濕度、營養(yǎng)液濃度以及光照強度，因此該設計以這幾個方面的參數作為監(jiān)控重點，實現植物工廠溫室內溫濕度、營養(yǎng)液濃度、關照強度數據的采集與控制以及太陽能的綜合利用等功能。

2.1 網絡及控制系統設計

監(jiān)控系統總體架構見圖2，通過遍布植物工廠室內和室外的傳感器，動態(tài)感知環(huán)境信息，包括環(huán)境溫度、環(huán)境相對濕度、露點溫度、大氣壓力、風速、風向、降水量、水面蒸發(fā)、葉面濕度、日照時數、光照度、太陽總輻射、光合有效輻射、紫外線輻射等，通過可編程無線網絡接入器匯集信息并傳遞給無線AP，在有布線條件的區(qū)域可以通過以太網進行傳輸，在無布線的臨時農業(yè)生產區(qū)域通過Wi-Fi網絡、ZigBee網絡接入，并最終將匯集信息傳遞給主控機。主控機的功能包括：通過光載無線接入技術，將多種網絡進行融合接入，實現在不同植物工廠網絡基礎差異化較大情況下的無障礙接入，既可以實現基于以太網的多機溫室群組的網絡控制，又可以直接接入互聯網，實現Web網站發(fā)布，可以通過普通電腦或者手機APP客戶端遠程網絡控制，實現農業(yè)溫室遠程全智能控制系統的控制理念，通過簡便的用戶接口實現智能溫室內部和外部環(huán)境的全覆蓋動態(tài)監(jiān)控。

監(jiān)控系統不但實現了環(huán)境信息的采集、分析、顯示，并以動態(tài)折線圖的形式顯示出來，而且主控機內部嵌入的專家系統可以實現農業(yè)生產要素參數的動態(tài)控制。監(jiān)控系統數據流程見圖3。采集和控制功能主要包括以下幾個方面：(1)主控機通過室外氣象站獲取室外環(huán)境的空氣溫度信息、空氣濕度信息、光照信息、風向信息、風速信息、雨量信息、雨雪信息、光照信息；主控機對接收到的室外環(huán)境信息進行解析后，將室外環(huán)境信息保存到本地數據庫，并顯示在主控機的顯示屏上。(2)采集器獲取室內環(huán)境的空氣溫濕度信息、營養(yǎng)液相關信息、輻射信息、CO2濃度信息，并將該信息發(fā)送給主控機；主控機對接收到的室內環(huán)境信息進行既定模型分析，根據分析結果生成對應的控制命令，并將控制命令發(fā)送給各區(qū)域的控制器，控制對應受控設備動作。(3)用戶可通過物聯網溫室控制系統訪問Web服務器，對溫室內外的環(huán)境進行監(jiān)測，根據需要進行遠程設備控制。(4)主控機通過以太網與數據庫服務器相連接，將環(huán)境參數實時存入數據庫作為歷史記錄數據保存。(5)主控機里面的專家數據智能判決系統根據采集到的環(huán)境信息控制營養(yǎng)液蠕動泵、自動加濕、光照補償以及太陽能集熱系統自動溫度調劑。

2.2 營養(yǎng)液控制系統

營養(yǎng)液控制模塊由主控機、通信模塊、系統控制箱、DFT模式控制單元等部分組成，設置供液、攪拌、檢測、配液、液位檢測控制以及溶氧量檢測及增氧、移動式液溫檢測、營養(yǎng)液加溫/降溫功能，以滿足植物全生長期對營養(yǎng)液的需求(圖4)。

在營養(yǎng)液控制模塊中，采集器獲取營養(yǎng)液池的液位信息、溶解氧信息、pH值信息、EC值信息、流量信息，發(fā)給主控機；主控機接收到營養(yǎng)液池的信息后，在本地數據庫進行存儲，并利用營養(yǎng)液控制模型進行計算，生成控制指令。主控機將控制指令發(fā)送給控制器，進而控制受控設備(母液閥、凈水閥、pH調節(jié)閥、循環(huán)泵、攪拌泵、液氧泵)動作。

數據庫服務器與主控機本地數據庫進行同步，一方面對采集的營養(yǎng)液參數進行備份，另一方面Web服務器通過對數據庫服務器的訪問實現對營養(yǎng)液參數的讀取；同時Web服務器可直接對主控機發(fā)送控制命令。主要控制包括以下幾個方面。

2.2.1 供液 水培床采用定時控制及專家系統智能判決2種模式。在定時控制工作模式中每次供液時間和間隔可自由設置；在專家系統智能判決模式中根據作物的生長特性由專家系統內控參數自動進行供液，其判決信息來源于水培床中的傳感器。執(zhí)行供液程序時，為防止沉淀，先進行一定時間攪拌后開始供液。營養(yǎng)液經由儲液池、供液泵、供液電池閥、供液管道進入水培床，利用新液換出陳液后，經過回液管道進入儲液池。

2.2.2 營養(yǎng)液調配 營養(yǎng)液調配系統設計共有4個母液罐，分別為A液、B液、酸液、堿液。A、B液體是含有不同離子的母液，用于調整營養(yǎng)液中的EC值，酸液和堿液則用來調整營養(yǎng)液中的pH值。營養(yǎng)液調配采用PWM技術，由中控機執(zhí)行機構操作完成。當EC值低于設定值下限時，A、B原液經雙腔計量泵聯動同時等量施加，當EC值高于設定上限時，補水電磁閥打開，補入清水。酸堿液則按照pH值的要求，分別通過酸堿液電磁閥控制，采用液面高度差自流。

2.2.3 液溫及增氧控制 液溫控制主要是保障營養(yǎng)液溫度滿足植物健康生產的溫度要求，主要包括溫度傳感器、冷卻裝置、加熱器，在實施過程中采用2個獨立的PT1000溫度傳感器，其中1個溫度傳感器放置在營養(yǎng)液池中，另外1個是可移動溫度傳感器，用于監(jiān)測水培床內部的營養(yǎng)液溫度。當溫度超出閾值的時候自動開啟溫度控制裝置進行溫度調節(jié)。

在水培營養(yǎng)液供液系統中為了防止外界病原菌進入營養(yǎng)液，水培床、液體池供給管路等都采用了封閉處理，這種方式阻礙了營養(yǎng)液與大氣之間的氧氣交換，造成了營養(yǎng)液中氧氣相對含量較低，因此還必須采用增氧裝置。水培床中氧氣含量的數值由溶解氧DO傳感器獲取，作為判斷是否開啟增氧機的依據。

2.2.4 液位控制 液位控制分為3級傳感器采集數據，分別是高位傳感器、中位傳感器、低位傳感器。當頁面高度達到高位傳感器位置時關閉液體供給并發(fā)出報警信息；當液面高度低于中位傳感器最低值時，開始給液體池供給液體，液體補充達到中位傳感器上限時自動停止液體補充；當頁面?zhèn)鞲衅鞯陀诘臀粋鞲衅魑恢玫臅r候進行液體補充并發(fā)出報警信息。

2.2.5 安全報警控制 營養(yǎng)液控制系統是植物工廠生產控制的核心，其安全性直接關系到整個植物工廠生產的安全性，因此必須采取可靠有效的手段進行安全控制，有效避免因系統故障造成事故或對植物生長造成損壞。主要包括以下幾個方面的報警控制。

2.2.5.1 中控機報警 造成中控機報警的主要原因是營養(yǎng)液中控制因子超出專家系統設置的預警值，如溫度上下限，pH值上下限，EC值上下限等原因，這些參數在正常生產過程中是通過自動控制進行的，但可能因為控制系統故障或者傳感器故障等問題造成控制失效，因此必須通過中控機進行及時預警，預警信息可以在植物工廠內部通過報警音提示告知管理者，也可以通過服務器向管理員手機發(fā)送預警信息。

2.2.5.2 設備安全報警 出現設備安全的報警情況，主要為設備或執(zhí)行機構出現了不正常的工作狀態(tài)，當設備安全報警時，控制箱的紅色報警燈點亮并發(fā)出報警的聲音。為防止事故發(fā)生和設備損壞，安全報警的同時，系統和相應設備停止工作。設備安全報警分類如下：(1)低液位報警。系統在運行過程中，當液位低于低位傳感器時報警。此時，除了補水之外，其他設備暫停工作。(2)制冷機組保護報警。當制冷機組故障或相應熱繼電器電流過大時報警。此時制冷機組不工作，處于保護狀態(tài)。(3)攪拌機保護報警。當攪拌機故障或相應熱繼電器電流過大時報警。此時攪拌機不工作，處于保護狀態(tài)。(4)電源斷相保護報警。當電源斷相時報警，同時切斷控制電源，系統停止運行。除以上各項保護外，控制箱內對系統各分支均設有相對獨立的電源開關，當運行電流過大或者短路時，將迅速切斷相應電源，以保護人身和設備安全。

2.3 太陽能光伏微網發(fā)電系統

將太陽能光伏微網發(fā)電系統與市電網相結合，太陽能光伏微網發(fā)電系統進行植物工廠內部的能量供應，由于天氣等原因，太陽能光伏微網發(fā)電系統供電不足時自動切換到市電能量供給。通過中控機對太陽能光伏微網發(fā)電系統進行控制，從圖5可以看出，根據光照強度、日照長度可以適量開啟LED光源補充，以營造適合植物生長的光照條件，使能量消耗大幅度降低。另外，太陽能光伏微網發(fā)電系統對LED進行直流電充電還具能量損耗小的特點，可以提高在電力供應中的能量損失。太陽能光伏微網發(fā)電系統具有電池模塊，作為在停電服務器的UPS(不間斷供電系統)使用，可及時向管理員發(fā)送停電預警信息并保持關鍵設備在應急期的正常運行。

2.4 太陽能集熱系統

太陽能集熱系統是綜合利用太陽能的另外一種手段，在陽光的照射下使太陽的光能充分轉化為熱能，通過控制系統自動控制循環(huán)泵或電磁閥等功能部件將系統采集到的熱量傳輸到儲水保溫水箱中，把儲水保溫水箱中的水加熱并成為比較穩(wěn)定的定量能源供應[10]。

植物工廠部署的太陽能集熱系統采用強制循環(huán)工作方式，從圖6可以看出，在陽光的照射下，集熱器內的水受太陽輻射能加熱，溫度逐步升高，一旦集熱器出口水溫和儲水箱底部水溫之間的溫差達到設定值時，溫差控制器給出信號，啟動循環(huán)泵；夜晚太陽輻照度降低，當集熱器出口處水溫和儲水箱底部水溫之間的溫差達到一定設定值時，溫差控制器給出信號，關閉循環(huán)泵。循環(huán)泵的開啟和關閉信號來自于主控機的控制信號，一般設定開啟循環(huán)泵的溫度差值為8～10 ℃，關閉循環(huán)泵的溫度差為2～3 ℃。

2.5 控制軟件

軟件部分通過與軟件公司合作進行了定制開發(fā)，是以上部分控制功能的用戶界面的操作接口，也是自動控制的參數配置接口，主要包括Web端的服務管理以及移動端的服務管理2個部分。Web端的服務界面見圖7，主要包含手動控制、自動控制、監(jiān)控走勢分析、遠程測試、歷史數據、操作日志等功能，另外還可以通過Web端實現基礎數據的配置和管理員的后臺管理功能。遠程傳感器參數及網絡參數的手動調試和配置見圖8。

3 結論

針對以植物工廠為代表的智慧設施農業(yè)的現代化管理需求，研究設計了一套能夠進行智慧農業(yè)生產的綜合智能監(jiān)控系統的軟硬件平臺，實現了對植物工廠生產管理的智能化、集約化。本研究設計是基于陜西省渭南市華州區(qū)智慧農業(yè)植物試點項目進行的，通過建立物聯網自動感應和控制系統，促進了精細農業(yè)生產的環(huán)境控制和過程控制的精細化，系統設計能夠滿足現代綠色農業(yè)生產需求，提高農業(yè)生產的穩(wěn)定性，降低植物工廠生產模式中的能源消耗成本，提高生產質量和生產效率，為品質作物的量化生產和標準化管理提供平臺保障。