室內無土栽培農作物生長環境智能監測系統

孫 興 馬冰冰 雷印勝

一、前言

不忘初心，砥礪前行。我國作為一個人口超過14 億的世界人口第一大國，有著廣袤的國土資源，有超過18 億畝的可耕種農田，按照第七次人口普查資料，大陸31 個省、自治區、直轄市和現役軍人中，居住在鄉村的人口為50979 萬人，占總人口的36.11%，農民生活水平的提高，對提升全國人民的幸福指數具有重要的戰略意義。然而隨著我國人口數量的不斷增加和城市建設的擴張，對可耕種農田的數量要求將帶來很大的壓力，為有效解決這一矛盾，就需要用新的技術和方法來解決這一矛盾。第一種措施就是利用新的種植技術增加單位畝產量，另一種就是增加種植面積。因此室內無土栽培農作物就是一種有效的途徑，它等同于增加了有效種植面積，并且已經在國外不同的國家取得了成功的經驗。室內無土栽培農作物是一個復雜的系統工程，不僅需要創造適合農作物生長的環境，還涉及農作物生長的養分配比等構成。本文重點介紹室內無土栽培農作物生長環境智能監測技術系統的實現。

二、室內無土栽培農作物生長環境智能監測技術的現狀分析

自從1946 年2 月在美國的賓夕法尼亞大學第一臺正式投入運行的電子計算機問世以來，經過近75 年的發展，使數字信息技術得到了快速發展，不僅實現有線和無線的萬物互聯，而且人工智能和云計算技術促進了各種智能農業機械研制和生產，使用各種APP 應用程序便于操作人員可以通過移動智能終端設備實現近距離和遠程操控，大大提高了勞動生產效率，現代智慧農業已經在逐步實現，為實現我國的農業農村現代化奠定了堅實的基礎。

在世界經濟全球化、現代信息技術互通共融的時代背景下，世界正經歷百年未有之大變局，農業生產技術正在從傳統的種植模式進入現代智慧農業時代，各種無人操控的智能農業機械設備正在逐步開發生產和使用，北斗衛星的成功組網為智慧農業插上了騰飛的翅膀，真正的農業農村現代化正在實現的路上。例如，通過人工智能技術可以實現無人看守農場、無土栽培種植、無人機播種和收割、無人駕駛飛機實施噴灑農藥、無人駕駛飛機施肥和自動灌溉等等，不僅降低了傳統種植模式的勞動強度，而且提高了勞動生產率，能釋放更多的勞動力從事其它更有價值的工作，從而大幅提高了人們的生活質量和幸福指數。

自然界的農作物生長需要室外有適合的環境溫度、充足的日照光合作用、進行授粉所需的自然風速、土壤環境濕度、土壤養分等等。室內無土栽培農作物生長環境雖然是在一個相對密閉的空間內，同樣需要一個適合農作物生長的環境，因此就需要通過人為創造一個模擬生態環境，通過調控各種環境參數才能滿足農作物的茁壯成長。室內無土栽培農作物生長環境智能監測技術系統就是利用現代信息技術，通過對室內環境溫度、風速、環境濕度、日照光線和環境光強度、養分檢測等的各種環境參數進行自動測量，并通過云計算的大數據進行智能控制，創造一個適合農作物生長的環境。

世界上許多農業技術發達的國家都十分重視無土栽培設施工程與環境調控技術的研究。例如國外的以色列、日本、荷蘭、丹麥等國家的蔬菜無土栽培已經進入工廠化生產的高級階段。由于以色列的無土栽培技術處于世界先進水平，成就了一大批該領域的尖端人才，為我國的農業農村現代化生產做出了表率。目前國內多家蔬菜生產基地都引進了以色列的無土栽培技術，但是由于該系統的初裝成本造價偏高，難于得到大面積的推廣，因此盡快研制出具有自有知識產權的室內無土栽培農作物生長環境智能監測技術系統成為必然，它將成為實現智慧農業時代到來的必經之路。

三、室內無土栽培農作物生長環境智能監測系統的實現

下面以作者研制開發的室內無土栽培農作物生長環境智能監控系統為例，簡單介紹室內無土栽培農作物生長環境智能監測系統的組成，該系統整體設計結構見圖1 所示。該系統具有近端和遠程監控能力的無線通信功能，能訪問和處理云端大數據、實現自動測量室內環境溫度、風速、環境濕度、日照光光線和環境光強度、養分檢測等參數，并通過利用“藍牙”無線通信技術實現近距離多站點的數據采集。

圖1 系統整體設計結構框圖

（一）智能控制中心，簡稱中央處理器，采用16位的單片機，選用STM32F103C8T6。它是智能設備的控制中心，類同于人的大腦，具有邏輯處理和算術運算功能，還有少量的記憶和存儲能力，負責最終決策的形成，負責系統的指令輸出和輸入，能進行少量的指令和數據存儲，進行各種復雜算法和數據處理，指揮完成近端和遠程通信。在中央處理器控制指揮下，各個功能模塊完成各自的數據采集和控制任務。如果該部件出現故障，整個系統就會癱瘓。

（二）顯示模塊。是在中央處理器的控制下完成人機交互的部分，既能顯示系統檢測到的各種參數，也能顯示輸入的各種操作命令。通俗講就是完成人和計算機之間的對話。為降低成本和減少空間位置，一般采用液晶顯示。如果該部件出現故障，不會影響整個系統的其它功能操作。

（三）鍵盤輸入模塊。是在中央處理器的控制下完成控制命令或其它參數的輸入，和我們日常使用的手機輸入功能類同。如果該部件出現故障，不會影響整個系統的其它功能操作。

（四）環境溫度實時監測模塊。相當于人的皮膚，能感知冷暖。環境溫度傳感器在中央處理器的控制下，將采集到的數據以電平的形式傳送給中央處理器，中央處理器依據實時測量溫度對控制設備發出指令，完成對環境溫度的調制。它是單方向操作，只能完成把檢測到的溫度數據信號傳送給中央處理器，不能輸出調控溫度。如果該部件出現故障，同樣不會影響整個系統的其它功能。

（五）環境光實時監測模塊。相當于人的眼睛，能感受到周邊環境的光線強弱。環境光傳感器在中央處理器的控制下將采集到的信號傳給中央處理器，中央處理器進行模數轉換并處理，并依據實時測量環境光對控制設備發出指令，完成對環境光的調制。如果該部件出現故障，和前面一樣不會影響整個系統的其它部分功能。

（六）測量風速處理模塊。在中央處理器的控制下測量室內的風速，主要功能是完成調節風速大小的變化。通過測量風速的變化，預測對農作物生長的影響。如果室內風速過大，會影響農作物的授粉，也需要采取相應的措施，避免造成授粉不足造成減產。如果該功能部件出現故障，也不會影響整個系統的其它部分功能操作。

（七）環境濕度測量模塊。農作物的生長和環境濕度有密切的聯系，如果濕度過大，需要調節空氣濕度，利于農作物的生長。在中央處理器的控制下環境濕度傳感器將采集到的模擬信號傳給中央處理器，中央處理器進行模數轉換并處理，中央處理器依據實時測量環境濕度對控制設備發出指令，完成對環境濕度的調制。如果該部件出現功能障礙，對整個系統的其它部分操作沒有影響。

（八）養分檢測模塊。該部分是系統的重要核心部分，需要分析養分(養分的酸堿度、氮、磷、鉀)的變化，對農作物的茁壯生長產生關鍵作用。在中央處理器的控制下養分傳感器將采集到的信號傳給中央處理器，中央處理器將采集到的信息通過遠程通信將數據傳送到云端，經過云端的大數據分析，依據農作物不同生長時期對養分的需要分析當前的土壤養分是否滿足要求，再把處理結果反饋回來。系統依據計算結果分別施加不同的養分。如果該部件工作不正常，同樣不會影響整個系統的其它功能操作。

（九）控制系統模塊。在中央處理器的控制下，完成對各個控制執行系統的操作。例如啟動空調通風系統、噴水和施肥等等。

（十）系統故障自動報警系統。智能控制設備系統自動檢測報警功能，一旦系統出現報警信號，一定要找出故障源，并消除故障，否則會產生不可預計的結果。如果該部件出現故障，將會影響整個系統的其它功能操作，一定要嚴肅對待和妥善處理。

（十一）局域通信技術。為降低布線和施工難度，對近距離的多個站點數據采集使用藍牙無線通信技術。

四、綜述

該系統具有完全自有知識產權，并采用北斗衛星通信，為提高系統的使用壽命，采取了防水處理技術，增加了系統的抗干擾能力。