一種雙膜雙結構新型蔬菜大棚智能遠程控制系統設計與實現

周曉磊，王振海，陳 輝，李培帥

（1.臨沂大學 信息科學與工程學院，臨沂276000；2.浙江大學山東（臨沂）現代農業研究院，臨沂 276000）

目前國外的大棚基本已經實現智能化管理，通過物聯網技術采集大棚內環境參數、對收集的數據進行分析實現大棚智能化控制，并擁有相關的智能化控制系統；而國內大多以傳統農業大棚為主，現有的大棚存在智能控制系統穩定性差、對環境因素調控不及時、遠程控制不穩定等問題[1]。 雙膜雙結構新型蔬菜大棚通過攝像頭、傳感器和控制器，實時監測大棚系統中的空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度、二氧化碳濃度、氮元素含量等環境信息并上傳至云端，以便于系統根據特定的植物生長模型對棚內的相關環境參數自動調節，使用攝像頭監控大棚內的蔬菜生長情況，并將獲取到的圖像利用計算機識別技術對圖像進行病蟲害識別檢測，分析出病蟲害種類，推送到用戶移動端，通過灌溉系統進行定向定量的智能化施肥灌溉，同時還可以通過遠程移動端對大棚進行自動卷膜，實現了大棚的智能化管理。

1 大棚的構造與性能

1.1 雙膜雙結構大棚構造

雙膜雙結構大棚具有兩層大棚結構，內層大棚主要包括固定桿、弧形支架、支撐桿、橫梁、透光膜和卷簾機，外層大棚主要包括固定桿、弧形支架、透光膜、蓋外保溫被、電動卷簾機、大棚外層弧形支架與內層弧形支架。 兩層結構之間有一定的空間，使內層透光膜與外層透光膜形成了一層不流動的空氣層[2]。 大棚模型如圖1 所示。

圖1 雙模雙結構大棚模型Fig.1 Dual-mode，dual-structure greenhouse model

1.2 雙膜雙結構大棚性能

1.2.1 保溫性能好

雙膜雙結構大棚采用內外雙層透光膜、地膜和一層保溫被形成三膜一被提高了保溫性能。 大棚內外兩層膜之間形成的不流動的空氣層是熱的不良導體， 雙膜之間形成的不流動的空氣層導熱性能差，使得大棚內的熱量不容易散失掉，從而增強了蔬菜大棚的保溫性能。

1.2.2 實用性能好

大棚構造科學堅固、內部空間大、操作使用方便，雙膜雙結構大棚的寬度和高度增加，使棚內空間大，便于機械化操作；大棚雙結構構造抗御自然災害的能力強；卷簾機代替人工揭蓋保溫被，節省大量的人力資源。

2 硬件技術主要應用

2.1 大棚環境監測系統

大棚中包含攝像頭、溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、土壤pH 值傳感器、光照強度傳感器、二氧化碳濃度傳感器等設備，對大棚內部的蔬菜生長狀況、溫度、濕度、土壤濕度、土壤pH 值、光照強度、二氧化碳濃度進行實時監測并將大棚內環境實時信息通過樹莓派總控系統上傳至云端進行數據儲存、數據分析。 用戶通過大棚內液晶監控面板顯示或遠程移動端進行實時查看，了解大棚內實時狀況[3]。

2.2 攝像頭實時監控系統

大棚內分多個蔬菜種植區域，每一個區域安裝一個監控攝像頭， 對區域內蔬菜進行實時監控，系統利用視頻推流技術，將獲取到的監控錄像上傳至云端，并利用上傳的蔬菜圖像與數據庫中的生長模型相對比，判斷并記錄當前植物狀態，并針對蔬菜不同的生長狀況進行定向施肥、灌溉。 同時在大棚外部安裝監控，對大棚外部透光膜、蓋外保溫被的狀態和開閉程度進行監控。 并對電動卷簾機的工作狀況進行實時監控，便于用戶對自動卷聯機的控制。

2.3 灌溉、施肥系統

大棚內使用多個水泵，對大棚內蔬菜種植區域進行分區域施肥澆灌。大棚內傳感器對土壤pH 值、水含量及肥料含量進行采集，并通過樹莓派將采集的數據發送至后臺，通過后臺系統數據分析，將蔬菜種植區域內所需要補充的土壤水含量及肥料含量發送至大棚內液晶監控面板顯示和遠程移動端，通過用戶指令將所需肥料通過灌溉系統進行定向、定量灌溉施肥[4]。

2.4 自動卷膜系統

自動卷膜機主要是通過系統控制的電機啟動帶動卷膜軸轉動， 將膜被卷起實現通風窗的啟閉?？捎行У乜刂拼笈飪鹊臏囟群蜐穸龋o蔬菜的種植營造一個良好的生長環境，使蔬菜長勢良好，大大提高了溫室大棚種植的經濟效益。 用戶通過系統設置，在卷膜機開啟和關閉的過程中，能實現任意位置的停止和啟動無須任何輔助裝置。

3 軟件技術設計

3.1 采用卷積神經網絡對病蟲害進行檢測

蔬菜圖像中含有的特征信息包括葉片的紋理、病害區域的邊緣等。 卷積神經網絡便可以利用圖像中的特征信息對蔬菜圖像中的病蟲害類型進行分類。 此外，卷積神經網絡以其高效的局部結構和優良的分類性能獲得了廣泛的關注，其優點是不需要對輸入的圖像數據進行預處理，可以減少分類和學習過程中的額外工作量[5]。

3.2 采用蔬菜生長模型

采用蔬菜生長模型，通過網絡以及實際調研收集環境變量對蔬菜生長情況（如重量、大小等）的影響。 以環境中的一個因素為自變量，蔬菜生長情況為因變量建立坐標系做函數圖。 根據函數圖大棚自動調控大棚內環境，提供蔬菜最合適的生長條件。

蔬菜生長模型最重要的意義是對整個作物生育系統的知識進行綜合，并量化生理生態過程及其相互關系，即綜合知識和量化關系。 蔬菜模型是利用計算機強大的信息處理和計算功能，對不同的生育過程進行系統分析和合成，相當于所研究系統的最新知識的積累和綜合。

3.3 開發環境與設計技術

系統頁面構建主要采用uniapp 完成，前端技術使用htmlcssjavascript，主要以C/C++編程語言進行編碼，主要使用開發工具：hbuilder、platformio（vscode），通過MQTT 協議（message queue telemetry transport，消息隊列遙測傳輸協議）進行消息發布，實現移動端對物理設備的控制。

3.4 遠程移動端控制

利用移動互聯網技術對手機移動端進行控制，移動端控制主要包括：首頁顯示界面、控制顯示界面、視頻顯示界面、個人中心[6]。

（1）首頁界面顯示的各類參數值，為大棚內部部署的傳感器采集到的相應的實時數據，包括大棚中空氣溫濕度、土壤濕度、光照信息二氧化碳濃度和氮元素含量，用戶可以實時看到這些數據，并根據這些數據對大棚內的環境進行調節。 如圖2所示。

圖2 首頁界面Fig.2 Home page interface

（2） 控制界面為雙膜雙結構大棚控制中心，用于對大棚內的環境進行調節。 如圖3 所示。

圖3 控制界面Fig.3 Control interface

第一部分內層為大棚的內層膜，第二部分外層為大棚的外層膜，每層膜都可通過手機控制被獨立的打開或閉合，無需人工操作；第三部分是對風扇的開關操作，打開風扇，實現通風以及降溫功能，當中間區域的參數值達到期待值時，則可進行關閉操作；第四部分通過加熱實現大棚的增溫操作，關閉則停止加熱；第五部分是對水泵的開關操作，打開水泵，實現噴灌操作，可增加空氣濕度與土壤濕度；第六部分是對智能施肥的控制開關，打開智能施肥開關，系統將根據生長模型中參數，實現施肥操作。

（3） 視頻界面為雙膜雙結構大棚視頻監控中心，可實時監控大棚內的情況，并定時拍照上傳云端，便于圖像識別病蟲害檢測。 如圖4 所示。

圖4 視頻界面Fig.4 Video interface

（4）個人中心為用戶登錄界面，用戶需登錄后才可以進行操作。 用戶登錄分為免密登錄（手機號登錄）和賬戶登錄2 種方式，在登錄時系統會對用戶賬戶密碼進行判斷， 賬戶密碼都正確才能登錄；用戶可在個人中心修改密碼、 接收系統推送的信息、及時向開發者反饋用戶使用信息。 如圖5 所示。

圖5 個人中心Fig.5 Personal center

4 結語

本文所設計的雙膜雙結構新型蔬菜大棚智能遠程控制系統實現了大棚保溫性能強、遠程智能化控制、 智能化施肥精細化培養和病蟲害檢測等功能，為蔬菜提供了適宜的生長環境，有利于增加蔬菜產量，為種植農戶帶來更多的經濟收益，減輕勞動強度，推動我國自主研發型大棚系統的發展進程，促進傳統農業轉型向智能化農業邁進，為我國智能化農業發展躋身世界前列增磚添瓦。