基于物聯網的高檔花卉智慧大棚關鍵技術研究

隨著人們物質和精神文化不斷提高，在各種場合，特別是喜慶布置，家庭裝飾和大型禮儀布置等方面，盆栽花卉深受大家喜歡，市場需求量較大，國內外都進行廣泛栽培。在我國，由于高檔花卉生產起步較晚，生產設施較落后，栽培技術相對落后，難以規模化生產出高品質的花卉產品，市場競爭力不強，且主要以自然開花為主，花期較短，供應期相對集中，商品經濟效益不高。

特別是一些高檔花卉，對環境要求較高，在華東地區無法在室外栽培，因此大多采用大棚栽培。但是大棚栽培對棚內的光照、溫度和濕度等環境的控制要求比較高，傳統的人工檢測和調節難度較大，且精度不高，這樣使得溫室的利用率比較低。目前隨著科技的不斷發展，有些大棚也已經開始使用一些傳感器監測大棚內的環境，但也只局限于環境的監測。根據監測到的數據，技術人員才會對大棚的環境進行調整。

本課題提出的基于物聯網的智慧大棚主要是是利用物聯網及分布式傳感器網絡將溫室內的光照、溫度、濕度、二氧化碳含量、作物長勢、土壤質地和養分水分狀況等進行采集、存儲、傳輸、處理和輸出，再與信息轉換、實時控制、專家系統相配合，按區內要素的空間變量數據精確設定最佳施肥、灌溉、光照控制、加濕等多種農事操作，使傳統的粗放生產變為精細農作，從而可以顯著提高水、肥等的利用效率，以最經濟的投入獲得最佳產出。與傳統的溫室相比，智慧大棚，除了能夠保證棚內花卉的高質量外，還能夠對溫室環境的控制來調整高檔花卉的長勢，使得這些花卉能夠提前或者滯后進入花期，從而使得花卉提前上市，并延長上市的時間從而獲得更高的經濟效益。

本智慧大棚項目除了完成物聯網在農業中的基本應用外，還包含以下三個平臺：

精準花卉栽培管理平臺 —— 建立環境參數分析控制模型，利用無線傳感器網絡監測花卉溫室的局部環境參數和周邊地區的區域環境參數并加以分析，然后通過PLC實現溫室機械裝置的自動控制，使花卉生長在適宜的溫度、濕度、光照和CO2環境中。

精準花卉栽培專家系統 —— 建立花卉栽培專家知識庫，建立花卉栽培環境參數數據倉庫，通過人工智能和數據挖掘技術實現花卉栽培管理、生長發育診斷和病蟲害診斷。

精準生態農業公共服務互動平臺 —— 建設互聯網互動平臺，使消費者體驗精準花卉栽培全過程，了解花卉知識，促進花卉市場健康化發展；使種植戶獲得園藝專家技術支持，提升花卉栽培產業水平。

通過智慧大棚的應用，能夠有效的提高花卉的成品質量，在脫葉、花卉長勢、花期控制等方面有很好的效果。這使得花卉產品在市場的競爭里更加明顯，提高市場的占有率。

1、具體研究開發內容和重點解決的關鍵技術問題

（1）構建智慧大棚環境監測系統

在本項目中，我們將利用先進的高可靠低功耗無線傳感器網絡節點，采集精準溫室花卉栽培的數據，包括溫度、濕度、光照、CO2濃度等。通過專有協議及互聯互通網關將數據傳輸到生產管理中心。對于一個精準溫室花卉栽培環境監測系統，無線傳感器網絡的設計會面臨許多技術挑戰。這些挑戰部分是無線傳感器網絡設計中的難點，一部分是農業生產監測本身的自身特性所導致的設計難點。

（2）建立健全花卉栽培專家數據庫系統

專家系統技術是人工智能中面向應用的重要分支之一。專家系統與一般人工智能系統又有所區別。最重要的特征是它的研究對象不是普通人的職能，而是某個領域具有技術特長的專家解決專門問題的本領。知識和推理構成專家系統的兩大要素。因此，專家系統是一個由存放專門領域知識的知識庫，以及一個能選擇和運用知識的推理機制組成的計算機系統。根據專家庫的特點，邀請花卉栽培方面的專家組與公司技術骨干完成花卉栽培的專家系統。

（3）智慧大棚精確反饋全自動控制系統

當溫室環境參數發生異常時，必須及時對該環境參數值進行調整，也就是必須及時地啟動相應設備來改變溫室環境，體現出實時性。同時，溫室的環境控制通過不同配套設施來實現，這就包含多個控制任務，其中有些是定時任務（如灌溉等），有些是隨即任務（如降溫等），只有它們互相協調，并發執行，才能達到好的控制效果，體現出多任務和并發性。不同執行機構對溫室環境可能產生相同影響，因此對執行機構的控制要考慮一定的順序問題，以提高控制效果，減少運營成本。為此針對本項目的一些特點，將采用一種基于反饋量的智慧大棚精確自動控制系統。

（4）構建WEB服務器平臺，實現遠程登錄訪問

消費者通過互聯網不僅僅可以購買到自己需要的商品，同時在該項目所提供的參與性網站中，消費者還可以全過程體驗花卉栽培，不但可以了解花卉栽培的全過程，同時也加深對于高附加值生態農產品的認知。在該平臺所提供的在線品種展示中，消費者可以了解到不同品種花卉的具體信息，從而對于消費者的購買選擇起到導引的作用。同時，在花卉的栽培過程中，如遇到突發或者專家數據庫無法解決的問題時，可以請專家通過互聯網遠程登錄并提供技術支持，查看問題的實際情況，以及監測數據，共同分析原因解決問題。

（5）構建花卉成長數據庫，實現追溯功能

通過對花卉栽培的全過程進行跟蹤監測，從種子、基土的選擇到花卉的上市。該數據庫系統將記錄所有的信息，包括日常環境變量、花卉長勢，施肥等。通過分析這些數據記錄，能夠分析花卉的各成長階段對環境的要求，通過不斷改善專家數據庫系統能夠更加高效的實現花卉的人工智能栽培。

2、項目的特色和創新之處

“基于物聯網的高檔花卉智慧大棚關鍵技術研究”項目的創新之處在于：

（1）建立溫室花卉栽培專家系統

該專家系統主要包括花卉知識數據庫、推理機構、解析機構和人機交互接口，通過獲取到得環境參數，自適應計算及調整環境溫度，使得花卉始終在最佳的環境中生產。

（2）基于反饋環境變量的精確控制

在普通的溫室控制系統中，大部門控制技術都是基于開關量的，而基于反饋的精確控制則是通過對環境變化的增量來不斷調整控制信號，使得調節能夠快速、穩定的到達預定環境。

（3）花卉溯源系統

該系統的主要功能是記錄花卉栽培的全過程，并記錄成長過程中所有的環境變量情況以及花卉成長情況。對以后改善花卉的栽培技術提供參考，并能夠為專家系統提供幫助。

（4）專家系統的云服務功能

在該項目中，為了能夠達到環境的自動控制，我們建立了專家系統，但是作為一個專家系統不應該僅僅為本公司的作物栽培提供幫助，同時也可以通過服務器開放一個接口，為本地其他花卉種植戶也提供服務。只要將他們的溫室環境變量上傳給專家系統，專家系統通過計算返回一個控制結果，從起到調節的功能。

遼寧科技大學校級大學生創新創業訓練計劃項目：201810146307。