農業大棚的智能化發展路徑探索

鄒玉婷，孫 波，許鑫豪，黃昌盛，古一弘，張 敏

（南京工程學院，江蘇 南京 211167）

現階段我國社會發展迅速，現代化水平日益提高，但農業發展水平仍處在傳統農業階段。我國利用溫室大棚的起步時間較發達國家晚，農民大多是個體戶生產，制造的農業大棚簡陋，機械化水平低，缺乏智能化設施，調控能力差，農產品的質量和產量受到不可控因素的影響較多，例如農民經驗、季節和天氣因素等，作業主要靠人力，基本沒有智能干預手段，并且農業企業規模大多偏小，農戶和農業企業也未能形成良好合作[1]，導致農業生產耗時耗力，農民收入也因此受限。而美國、德國等發達國家已基本實現了農業種植的智能化、自動化生產，并設計了相應的智能控制系統，例如美國采用的融氣候調節、農田灌溉為一體的智能溫室大棚，以計算機系統控制環境，通過智能化手段提高了農業大棚的經濟效益。我國從事農業生產的農民數量仍在增長，有必要對農業大棚進行智能化發展路徑探索，增加農業資金投入[2]，擴大農戶和農業企業的生產規模，促成兩者之間的合作共贏[3]，提高大棚經濟效益和農民整體收入，促進我國現代農業的發展與進步。

1 智能化對于農業發展的推動作用

1.1 提高農業大棚的機械化水平

國內大多農業大棚為鋼管大棚，以農民承包或是利用自家土地為主要擁有方式，大棚機械化水平低[4]，基本沒有智能手段介入，浪費人力物力，管理效率低。而將智能化設施投入農業生產，實現由成套的電氣控制系統、全面的數據采集系統和調控操作系統實時調節監測大棚，自動調節光照強度、氣體濃度和土壤濕度等環境因子，可以極大程度減少勞動力，減輕農民負擔，提高管理效率，為農場主爭取更多空暇時間進行休閑娛樂或從事其他工作增加額外收入，甚至在城市快節奏生活的上班族也能擁有自己的農場，在空閑時間種植、收割作物，不必擔心在工作日無暇管理大棚。例如：壽光市東斟灌村菜農李某承包的農業大棚安裝了卷簾、電機和傳感器等智能化設施之后，種棚生產方式發生徹底改變，以前一天至少要在大棚里工作6 h，現在基本全是自動化控制，在外就可看顧大棚，省時省力，老菜農們以前長期在大棚里干活落下的膝關節疼、腰疼等職業病，也因智能化設施的投入得到很大程度的緩解。

1.2 增強農業大棚對環境因子的調控能力

國內大多農業大棚基本只起一定的保溫作用，使用普通建設材料，如：塑料薄膜、玻璃和鋼材等，這些普通建設材料的抗災能力和溫室調節功能很差，如今農民使用最多的鋼管塑料大棚在冬天大棚內溫度只比室外高幾度?？刂葡到y中的通信技術，例如普遍運用的485總線的有線方式在實際使用過程中存在許多問題，會使系統穩定性不高，維修較為費力。二氧化碳氣體參與植物光合作用，若大棚內二氧化碳含量不足會造成植物無法健康茁壯生長，使農作物的產量和質量大打折扣，但是大多數大棚都未對氣體濃度進行控制。近年來自然災害對農產品的產量和農戶人身安全也造成了不可忽視的危害，國內多數農業大棚沒有對自然災害進行有效的防護。以上所述體現了國內大棚對環境因子的調控能力不足，無法對多個環境因子進行調控，調控缺乏實時性和準確性，植物生長受限，限制了大棚生產效率，使農作物減產減收，影響農民收入。而將智能化設施投入農業生產，采用多種參數控制并增加相應調節裝置，使大棚對環境因子的調控更全面，具備更好的實時性和準確度，優化農作物生長過程中的必備條件，使農作物增產增收，從而提高農場主收入。例如：在壽光市洛城街道的現代智慧農業科技園，智能化溫室大棚通過優化蔬菜生長的溫度、光照、濕度和氣體濃度等必備條件將8 hm2的智能化溫室年產量提升近3 000 t，對比以前普通的農業大棚，現在一個智能化大棚年均利潤可以達到30萬元。截至2021年，壽光市已建成1.6萬個智能化大棚，農民每年直接增收5億元。

1.3 豐富農業大棚種植品種的多樣性

國內農業大棚主要用來種植時令蔬菜和水果，此類時令作物大多要等到市面上反季蔬菜和水果上市銷售之后才會成熟，因而價格低于反季節預先上市的蔬菜水果，農民收入也往往因此受限。智能化溫室大棚可以實現春季蔬菜水果提前上市、秋季蔬菜采收期延后和冬季蔬菜生產，通過錯開蔬菜生產季節來實現全年的蔬菜供應。例如：魯山縣張良鎮灣張村新建了一座座智慧暖棚，大棚的承包戶紛紛認為暖棚用上智能化設施后，干活輕松很多，大棚收入也增加不少，除了整地的時間，大棚基本一年四季都能夠種植蔬菜瓜果，四季大棚內溫度適宜，冬季基本不會低于9°C，夏季基本在38°C以下，一年可以種兩茬至三茬，大棚能夠種植反季節蔬菜水果或是一些對環境因子要求較高的新品種，收益比原來高很多，比如農民的智能大棚內種植新品種甜瓜，再種一季蔬菜，畝產值一共可以在3.5萬元以上。

2 農業大棚的智能化方案總體設計

2.1 系統結構

本文設計的智能大棚擁有數據采集、數據控制、數據顯示和調節控制四大系統，將四大系統相互聯系，成套的電氣控制系統、全面的數據采集系統和調控操作系統實時調節監測大棚，自動調節土壤濕度、氣體濃度和光線強度等，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2.2 系統接線

PLC外圍接線圖如圖2所示，AI模擬量輸入，I（DI）數字量輸入，Q（DO）數字量輸出，PLC型號S7-1200，CPU型號CPU1214C，模擬量輸入信號模塊SM-1231AI。

圖2 系統接線圖

2.3 系統建模

根據智能大棚的系統總體設計，使用CAD、CAE技術在Soliworks中建立虛擬智能化農業大棚。虛擬大棚由傳感器、風機、墻燈和電機等裝置構成，系統模型如圖3所示。

圖3 系統模型圖

3 系統的裝置選型

3.1 前端

3.1.1 溫度傳感器

主要采用LM35模塊，工作電壓范圍為4～30 V，額定溫度范圍為-55～150°C，適用于遠程應用。LM35傳感器可以隨不同的溫度變化而產生不同的電壓，兩者之間關系為線性關系，每升高1°C，輸出電壓增加10 mV。

3.1.2 濕度傳感器

主要采用WHTM-02模塊，額定電壓為DC 5 V，濕度檢測范圍為20%～100%rh，精度為5%rh。依據不同的線性電壓輸出方式，可選擇0～5 V，或0～3.3 V輸出等。本實例中決定采用0～3.3 V的輸出，使輸出電壓與檢測I/O口匹配。

3.1.3 光照傳感器

主要采用BH1620FVC模塊，其本質為環境光傳感器。該模塊采用小型貼片封裝，內置開關功能，對輸出電流可進行三級調壓。該產品耐溫范圍為-40～85°C，波長為560 nm，輸出電流最大值為7.5 mA，供應電壓為2.4～5.5 V，響應時間在 45～128 μs之間，反應速度快，符合要求。

3.1.4 一氧化碳傳感器

主要采用MQ-7模塊，其類型為氣敏材料二氧化錫（SnO）2的半導體氣體傳感器，檢測濃度在10～500 mg/L CO，輸出信號為電壓的變化量，范圍在2.5～4.3 V之間。在正式測溫前需要對其進行加熱，時長為60～90 s。在標準測試環境下預熱時間不少于48 h。

3.1.5 二氧化碳傳感器

主要采用MH-Z14模塊，其具有響應速度快、輸出方式多樣化和使用壽命長等優點。在標準情況下，工作電壓為 4.5～5.5 V，使用溫度在 0～50°C，據其測量量程不同可分為0～2 000 mg/L或0～1%Vol。輸出電壓信號在0.4～2 V之間，對應氣體濃度為0到滿量程。

3.1.6 煙霧傳感器

主要采用MQ-2煙霧檢測模塊，產品類型為半導體氣敏元件，探測范圍為300～10 000 mg/L。該產品需在預熱48 h后才可達到標準測試條件，加熱電壓為5 V，模擬量輸出為2.5～4 V電壓，濃度越高電壓越高。在過程中需要盡量做到防水，并且給予相對穩定的電壓。

3.1.7 紅外傳感器

主要采用模塊SGXV02系列實現非接觸式溫度測量。儲存溫度為-40～125°C，檢測溫度為-30～100°C，測量精度約為0.1～0.3°C，在一定距離時，能檢測視野角為112°，相距5 cm的物體的溫度。其輸出為0～3.3 V電壓，熱電堆電阻在25°C的條件下在280～420 kΩ間選擇。

3.2 中端控制器

采用S7-1200型號，這是一款緊湊型、模塊化的PLC，可完成簡單邏輯控制、高級邏輯控制、HMI和網絡通信等任務[5]。CPU選擇CPU1214C，連接8個信號模塊與3個通信模塊，便于實現端到端的串行通信。

3.3 建設材料

以新型覆蓋材料聚碳酸脂板（PC板）作為建設材料，比普通的建設材料有更好的抗災能力和溫室調節能力。

4 PLC控制系統設計

對于設計的PLC運動控制系統，整體的運動思路為：控制器、驅動器、電機，由控制器驅動使電機執行，人機交互（HMI）采用的是KP300界面，控制器采用的S7-1200的PLC。人機交互面板的數據通過PROFINET以太網的方式與CPU連接。

4.1 系統控制過程

傳感器采集數據通過電信號傳輸至PLC模塊，經PLC模塊轉換為模擬信號傳輸至電腦端顯示器顯示，同時反饋到調控操作系統進行動作，針對不同環境因子的具體調控過程如下。

4.1.1 光照

使用光照傳感器采集相應的光照信息，當大棚內部光照傳感器檢測到室內光照強度低于設定的最低值，輸出打開燈光系統指令，對植物光合作用進行補償。實時檢測對比大棚內外光照強度，當大棚外光照強度滿足設定最低值，輸出關閉大棚內燈光系統指令，在外部光照減弱時再次進行啟動。該補償能提高植物的光合作用效率等。

4.1.2 濕度

使用濕度傳感器分散化采集土壤濕度變化，當大棚內部濕度低于系統設定最低濕度值，輸出打開噴淋系統指令，通過淋灑清水來增加土壤的濕度，并在持續噴灑3 min后自動輸出關閉指令。該補償能在部分干旱地區中一定程度上有效防止旱災等。

4.1.3 溫度

使用溫度傳感器采集大棚內部相應的溫度變化信息，當大棚內溫度低于設定的最低值，則使卷簾機放下簾子。通過釋放卷簾，加強大棚的隔熱性，從而可以適當提高大棚內總體溫度。同時對大棚內溫度進行實時監測，當大棚外溫度滿足設定最低值時，依靠外部條件也能保持相對恒定的溫度，則輸出拉起卷簾的指令。

4.1.4 氣體CO2

使用二氧化碳傳感器采集大棚內部氣體比例信息，當大棚內部氣體CO2比例高于或低于外部氣體比例時，發出打開鼓風機指令，通過鼓風機換風，并在檢測內外比例相近或鼓風機運轉持續10 min后發出關閉鼓風機指令，可適當進行人工干預調整（比如棚內燃燒燃料等）。

4.1.5 氣體CO

使用一氧化碳傳感器檢測相應氣體，判斷棚內CO濃度高于設定值時，打開CO濃度過高警報，發出啟動鼓風機指令進行換風，輸出打開噴淋系統指令，噴灑NH3溶液，并在檢測室內氣體比例低于額定范圍后或鼓風機持續10 min后發出關閉鼓風機指令。該指標過高存在一定的火災風險，也可對災難預警有一定參考價值。

4.1.6 紅外煙霧

使用紅外與煙霧報警器檢測相應指標，當紅外溫度與煙霧指標任一一個值達到預警線后，隨機發出打開消防噴淋系統指令，并使火災警報指示燈閃爍。為保證大棚整體安全，該報警指令只能手動結束警報。

4.2 控制界面設計

設計的交互界面能與輸入輸出端共同聯系，實時監控系統的檢測值，并可實現遠程管理。將前端傳感器反饋的溫度、濕度和光照強度值顯示于相應的實時顯示框中，并且與設置的最低值相對應。若實時值超出所設置范圍，則PLC發出對應指令，同時在顯示器上相應的調節燈由綠變紅。若產生CO過高或者出現火災報警等情況，則對應指示燈變紅，同時發出警報聲進行提醒。最后，對后端發生動作后，界面上的顯示燈由綠變紅，執行結束后變綠。同時，為了能更好地對比分析數據，防止外部條件達到設定范圍，足以使大棚內條件保持一定水準，而內部依舊進行補償造成能源浪費的狀況，采用內外2個傳感器的檢測模式形成數據對比，以此更精準地對系統進行打開與關斷，防止無用補償情況的發生。

為適應不同農作物所需的生長條件，本設計采用了2套設置模式，分別為自動模式與手動模式。自動模式即為設定不同的農作物，根據農作物生長條件的普適性，采用系統內設定的相應參數，在規定范圍內進行調節，設計界面如圖4所示。手動模式是為應對各個地方農作物生長環境的差異，從而允許人們進行手動參數設置，以滿足生長的獨特性，設計界面如圖5所示。

圖4 自動模式視圖

圖5 手動模式視圖

5 數據顯示系統

5.1 數據顯示系統的實現

傳感器采集數據通過電信號傳輸至PLC模塊，經PLC模塊轉換為模擬信號傳輸至電腦端顯示器顯示，電腦端顯示數據通過網絡共享（Teamviewer等）顯示到手機上。

5.2 數據顯示系統的作用

農業大棚生產雖然有著一定的保護設施，但由于保護設施簡陋，自然災害近年來也頻頻發生，對產量、效益的提高和人身安全的危害極大，但是調研發現大多數大棚都未對自然災害進行較為有效的防護，遠程數據顯示系統可以讓農場主不在大棚附近也能時時刻刻對大棚里的情況了如指掌，萬一發生緊急自然災害，能夠第一時間知曉并且付諸行動，數據顯示系統的作用再加上PLC控制系統對自然災害做出的應急措施，可大大減少大棚農作物因自然災害產生的損失，提高農場主收入。

6 結束語

農業大棚的智能化發展路徑探索，能夠提高農產品產量和質量，及時有效地對大棚內多個環境因素進行調控，保證農作物健康生長，并且一定程度減少災害帶來的損失，極高的自動化程度減少人力，即使農場主平日忙于其他工作無暇顧及農場也能進行自動調控使農作物茁壯成長，上班族也能夠擁有自己的大棚。智能化的農業大棚不僅可以使農場主擁有更多空閑時間，還可增加農場主的額外收入，對于提高我國農業大棚生產力和現代化水平具有重要意義。