基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚探究

苗子涵　張福熊　張　晟

基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚探究

苗子涵張福熊張晟

（荊楚理工學(xué)院湖北荊門448000）

隨著信息時代的到來，各種現(xiàn)代化高新科技發(fā)展速度也呈現(xiàn)逐年加快趨勢，比如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)大棚領(lǐng)域快速發(fā)展，在提升農(nóng)作物產(chǎn)量的同時提高了生產(chǎn)效率。文章基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行分析，結(jié)合實際做好相應(yīng)整理和總結(jié)。

物聯(lián)網(wǎng)；光伏農(nóng)業(yè)大棚；研究

現(xiàn)階段我國溫室大棚栽植已經(jīng)形成規(guī)模，近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也進(jìn)一步加速了農(nóng)業(yè)自動化的持續(xù)更新和完善，基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚開始逐漸成為主流趨勢，這也為不斷提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動化水平奠定了基礎(chǔ)。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚的特征

基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚結(jié)合實際情況設(shè)計溫室大棚控制系統(tǒng)，主要以光伏供電、監(jiān)測模塊、微機(jī)處理中心、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)等共同組成系統(tǒng)架構(gòu)，以此實現(xiàn)對相應(yīng)農(nóng)業(yè)溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物生長環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測、調(diào)控的目的，期間搭配存儲采集數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理設(shè)備，保障無線傳感網(wǎng)與傳統(tǒng)信息網(wǎng)可以交互連接，農(nóng)戶可隨時隨地用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器或者智能手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測管控大棚，從而在解放人力、減輕作業(yè)壓力的基礎(chǔ)上有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，實現(xiàn)高效、低耗的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式[1]。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚的價值優(yōu)勢

基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚的價值優(yōu)勢十分突出，其本身集太陽能光伏、風(fēng)電、WSN等先進(jìn)技術(shù)于一體，可形成嚴(yán)格按照農(nóng)作物生長條件創(chuàng)設(shè)生長環(huán)境的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚多采取燒煤甚至電能保溫形式為農(nóng)作物生長創(chuàng)造良好的生長環(huán)境，但其負(fù)面特性也比較明顯。比如傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚一旦實施保溫方案，農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)投入成本便會不斷增加，尤其是采取燒煤保溫時極易造成有害氣體填充區(qū)域，環(huán)境遭受污染，安全隱患極大。而基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚以太陽能為核心能源開展相關(guān)工作，太陽能又屬于清潔能源，取之不盡用之不竭，環(huán)保無公害無污染效果顯著。以此使相應(yīng)光伏農(nóng)業(yè)大棚經(jīng)太陽能所發(fā)電能安全轉(zhuǎn)化為農(nóng)作物生長所需的光合輻射能，滿足農(nóng)作物生長同時保障光電轉(zhuǎn)換效率，以提升區(qū)域電力水平。綜合來看，基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚有降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的根本優(yōu)勢，為開拓太陽能光伏產(chǎn)品提供了參考依據(jù)。總體來看，基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚實踐，通過在溫室大棚向陽側(cè)做太陽能發(fā)電設(shè)備布控，按照智能化控制系統(tǒng)搭配不同傳感器采集農(nóng)作物溫濕度、水分、光照等信息，再由計算機(jī)集中處理分析，最終便可營造完全適合大棚內(nèi)作物生長的環(huán)境，有效防控作物生長期間可能遭受的病蟲害風(fēng)險，使之達(dá)到生產(chǎn)效益預(yù)期，并且進(jìn)一步為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的培育發(fā)展指明方向。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)設(shè)計實踐

3.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚運行模式

基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)設(shè)計實踐必須突出光伏大棚的功能作用，實際操作時必須在大棚向陽面棚頂鋪設(shè)光伏裝置，保障充分開發(fā)利用能源，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在此期間需根據(jù)現(xiàn)場實況積極調(diào)整適合棚內(nèi)農(nóng)作物生長的環(huán)境條件，全面監(jiān)控整個大棚，利用各種無線傳感器及時收集農(nóng)作物數(shù)據(jù)，將之上傳至微機(jī)處理中心進(jìn)行處理分析，最終達(dá)到有效提高大棚農(nóng)作物產(chǎn)量的目的。

3.2 明確系統(tǒng)具體設(shè)計原則要點

基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)設(shè)計原則要點是從創(chuàng)新、可持續(xù)、環(huán)保等層面出發(fā)合理設(shè)計，就目前的現(xiàn)實情況而言，我國市場上智能化農(nóng)業(yè)大棚和光伏大棚都屬于創(chuàng)新研究的產(chǎn)物，因此基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)設(shè)計必須體現(xiàn)創(chuàng)新性原則，即充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的功能特性。除此之外必須綜合考量未來我國農(nóng)業(yè)發(fā)展方向和發(fā)展需求，突出現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)模式的可持續(xù)發(fā)展特質(zhì)，最后在設(shè)計實踐的所有環(huán)節(jié)都需遵循環(huán)保性標(biāo)準(zhǔn)，保障光伏發(fā)電系統(tǒng)順利施行、穩(wěn)步投運，從而達(dá)到有效降低環(huán)境污染的目的。

3.3 溫濕度控制模塊的合理設(shè)置

（1）注意溫度控制設(shè)置合理性，嚴(yán)格按照農(nóng)作物三基點溫度（農(nóng)作物生長期間的最低耐受溫度、最佳溫度、最高耐受溫度），實時控制基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)溫度，以大幅提升棚內(nèi)農(nóng)作物發(fā)育速率和產(chǎn)出質(zhì)量，任何植物一旦生長發(fā)育期長時間處在最低溫或最高溫附近，就只能維系基本的生命活性，生長效率便會因此大打折扣。所以在冬季，對大棚內(nèi)部進(jìn)行適度升溫控制設(shè)定時，必須按照棚內(nèi)溫度傳感器監(jiān)測溫度值并借助ZigBee組網(wǎng)節(jié)點向控制器傳輸，以此保障控制器可依據(jù)作物最佳生長溫度并結(jié)合實際室溫偏差進(jìn)行及時調(diào)控。

在夏季時，則要注意降溫控制，這個過程中主要以自然通風(fēng)、強(qiáng)制性通風(fēng)、混合型通風(fēng)的形式體現(xiàn)，控制器仍舊依據(jù)棚內(nèi)溫度和實際室溫偏差進(jìn)行調(diào)控，可開啟兩側(cè)風(fēng)簾進(jìn)行自然通風(fēng)，也可使用鼓風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)，甚至可采取濕簾水泵和人工聯(lián)合降溫等舉措，保障棚內(nèi)農(nóng)作物生長過程的環(huán)境溫度始終處在舒適區(qū)。

（2）對于濕度控制，必須全面分析農(nóng)作物生命活動特征，了解其屬于哪一類作物，比如濕潤型作物、半濕潤型作物、干燥型作物、半干燥型作物，明確良好的空氣濕度也是決定作物的生長質(zhì)量和生長效率的關(guān)鍵因素，空氣濕度低便會導(dǎo)致農(nóng)作物光合作用減弱，濕度高作物植株散熱就會減少。所以此期間基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)必須通過計算機(jī)儲存標(biāo)準(zhǔn)濕度，傳感器負(fù)責(zé)實時采集、監(jiān)測棚內(nèi)濕度，濕度低時開啟噴霧閥門，濕度高時關(guān)閉噴霧閥門，并搭配風(fēng)簾控制棚內(nèi)氣體流暢度，根據(jù)濕度把控噴灌速率和時間段，以此提升棚內(nèi)農(nóng)作物生長時效性[2]。

3.4 光照及水分控制功能的專業(yè)布控

3.4.1 光照控制功能的專業(yè)布控

光照是農(nóng)作物有效光合作用的基礎(chǔ)要素，基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)設(shè)計實踐必須針對不同階段各農(nóng)作物對光的需求標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)設(shè)置棚內(nèi)光照強(qiáng)度，按照分區(qū)種植，分區(qū)域劃分棚內(nèi)溫室系統(tǒng)，以提供不同的光照強(qiáng)度給相應(yīng)作物，使之生長效益能夠完全達(dá)到預(yù)期。

按照對光的需求不同，植物大體可分為兩類，即陽性植物和陰性植物，陽性農(nóng)作物在強(qiáng)光照環(huán)境下自身生命活動會顯著提升，產(chǎn)量和品質(zhì)就會因此逐漸提高；陰性農(nóng)作物在弱光甚至蔭蔽環(huán)境下長勢較好。但需要注意的是，很多成株農(nóng)作物不同生長階段可能對于光照需求會有明顯差異，比如作物幼苗期畏強(qiáng)光，成熟期又喜強(qiáng)光等。所以從實際出發(fā)，深度分析研究不同農(nóng)作物光照強(qiáng)度需求標(biāo)準(zhǔn)，基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚在此期間以區(qū)域所種植不同作物需求，分段、分區(qū)設(shè)置光照強(qiáng)度，便可在促進(jìn)農(nóng)作物生長效率的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)提質(zhì)增產(chǎn)。

也可按照植物對光照周期反應(yīng)各異的原則，合理設(shè)置相應(yīng)的農(nóng)作物光照時限、類型等。比如所需光照較長的植物在生長期間往往需要適度延長光照時間，確保其24 小時內(nèi)至少有2/3左右的時間處于強(qiáng)光照環(huán)境，以此方能迅速生長發(fā)育。與之相對的部分陰性農(nóng)作物需要在降低光照強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，縮短光照時間，從而使之長勢能夠完全達(dá)到預(yù)期。需要注意的是，一些中間性農(nóng)作物對于光照強(qiáng)弱、時間并沒有較大反應(yīng)，只需周圍生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定即可正常生長發(fā)育，在其種植過程中便不用過度追求光照控制，只需模擬自然光照，為其提供良好的發(fā)育條件，即可達(dá)到提質(zhì)增產(chǎn)的目的。

該系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)應(yīng)以遮光、補光模塊控制來體現(xiàn)，遮光布控需在實時判定農(nóng)作物類型特征，明確其關(guān)照時限的基礎(chǔ)上，將內(nèi)置傳感器采集的數(shù)據(jù)與計算機(jī)規(guī)定光照目標(biāo)進(jìn)行對比，若高于目標(biāo)值則自動開啟外部遮陰網(wǎng)濾光，未達(dá)到目標(biāo)值則收攏遮陰網(wǎng)，做自然補光即可。而補光布控，則是在天氣陰沉或者晝短夜長環(huán)境下，全方位分析判斷農(nóng)作物類型及其所需光照強(qiáng)弱、時間，然后以大棚內(nèi)置傳感器所采集數(shù)據(jù)為依托，對比計算機(jī)原始所設(shè)光照標(biāo)準(zhǔn)，高于目標(biāo)值時關(guān)停補光燈，未達(dá)到目標(biāo)值時自動開啟補光燈。最終體現(xiàn)農(nóng)作物生長效益、發(fā)育品質(zhì)。

3.4.2 水分控制功能的專業(yè)布控

水分控制功能的專業(yè)布控則以計算機(jī)分控自動灌溉、定時灌溉的設(shè)計來呈現(xiàn)，明確土壤濕度的前提下，選擇滴灌、噴灌、微噴、滲灌等方式，以保障棚內(nèi)土壤充分吸收水分。需要注意的是，該功能模塊應(yīng)由自動灌溉和定時灌溉兩大塊組成，自動灌溉即計算機(jī)內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)土壤濕度記錄器，依據(jù)傳感器所測數(shù)據(jù)全面對比標(biāo)準(zhǔn)土壤濕度，高于限值時關(guān)閉自動灌溉，未達(dá)限值時開啟自動灌溉。而定時灌溉即按照不同時段，選擇合理灌溉方式，并科學(xué)設(shè)定灌溉次數(shù)，使區(qū)域內(nèi)土壤充分吸收水分，最終達(dá)到促進(jìn)光伏大棚農(nóng)作物提質(zhì)增產(chǎn)的目的[3]。

3.5 客戶端內(nèi)容

按照數(shù)據(jù)層、后端層、分析層、用戶層組構(gòu)客戶端，使物聯(lián)網(wǎng)可以和PC、智能手機(jī)端做實時交互連接，農(nóng)戶通過網(wǎng)絡(luò)可直接查驗管理光伏大棚內(nèi)農(nóng)作物，了解棚內(nèi)實際情況，從而快速解決各種問題。

4 小結(jié)

通過基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚的研究分析，可以看出實踐期間必須關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的光伏農(nóng)業(yè)大棚運行模式，明確系統(tǒng)具體設(shè)計原則要點，合理設(shè)置溫濕度控制模塊，以及專業(yè)布控光照及水分控制功能，科學(xué)開發(fā)客戶端，才能保障實踐應(yīng)用效益，這也是我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)得以穩(wěn)定、高效、快速發(fā)展的必要依據(jù)。

[1]余金潤,劉雅莉,謝衛(wèi)鋆,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏農(nóng)業(yè)大棚的研究[J].現(xiàn)代信息科技,2020,4(10):162-165.

[2]楊玉霞,湯金金.太陽能農(nóng)機(jī)發(fā)動機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計——基于智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息采集[J].農(nóng)機(jī)化研究,2018,40(5):259-263.

[3]郭琳,張孝存,韓文霆,等.基于多能互補的光伏木耳大棚智慧控制系統(tǒng)設(shè)計[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2020,48(4):146-154.

苗子涵（1998- ），男，漢族，湖北宜昌人，本科在讀，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

10.3969/j.issn.2095-1205.2020.11.45

S625

A

2095-1205(2020)11-93-02