基于物聯(lián)網(wǎng)的草莓無(wú)土栽培智能管理系統設計與實(shí)現研究論文

　　無(wú)土栽培是指不用天然土壤，使用基質(zhì)或不使用基質(zhì)，用營(yíng)養液灌溉植物根系或用其他方式來(lái)種植植物的方法。無(wú)土栽培能夠避免水分大量滲透和流失，克服土壤連作障礙，在節約用水、緩解耕地緊張等問(wèn)題上優(yōu)勢突出，具有作物生長(cháng)快、經(jīng)濟效益高，產(chǎn)品質(zhì)量好，無(wú)污染、不受地區和季節限制、便于實(shí)現生產(chǎn)工廠(chǎng)化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是設施栽培發(fā)展的高級階段和重要方向。在發(fā)展速度快、栽培效益高，連作障礙明顯的設施草莓栽培中，無(wú)土栽培的應用優(yōu)勢更為突出，且其可實(shí)現溫室大棚立體栽培，顯著(zhù)提高經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。無(wú)土栽培以人工創(chuàng )造的作物根系環(huán)境取代土壤環(huán)境，不僅能滿(mǎn)足作物對礦物質(zhì)營(yíng)養、水分和氧氣的需要外，還能應用人工技術(shù)對這些環(huán)境加以控制和調整，使其在品質(zhì)方面按照需求發(fā)展。然而傳統的應用人工對溫室環(huán)境及其營(yíng)養液進(jìn)行控制、調整和檢測，效率低下，容易出現錯誤和偏差。如何對無(wú)土栽培環(huán)境實(shí)施全方位實(shí)時(shí)監測、實(shí)時(shí)傳輸，根據生產(chǎn)要求及時(shí)調整環(huán)境參數，有效地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量成為目前無(wú)土栽培技術(shù)的一大難點(diǎn)。隨著(zhù)農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，以傳感技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結合的全方位田間環(huán)境監控技術(shù)得到迅速發(fā)展。但所研制的產(chǎn)品功能普遍比較單一，擴展性差，更由于不能大批量生產(chǎn)，導致價(jià)格較高，沒(méi)有取得較好的推廣效果。設施農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還沒(méi)有出現一個(gè)可以在穩定性、經(jīng)濟性和通用性上均衡發(fā)展，最終占據市場(chǎng)主導地位的管理系統或管理平臺。

　　本文利用先進(jìn)的計算機技術(shù)對無(wú)土栽培溫室大棚的生長(cháng)環(huán)境進(jìn)行科學(xué)檢測、科學(xué)分析和有效控制，使其具有最為適宜的生長(cháng)小環(huán)境，準確、及時(shí)掌握環(huán)境數據，科學(xué)控制草莓生長(cháng)過(guò)程，達到增產(chǎn)、改善品質(zhì)、調節生長(cháng)周期、提高經(jīng)濟效益的目的，進(jìn)而實(shí)現農業(yè)生產(chǎn)集約、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)和安全的目標。設計的系統適用性好、擴展性強、穩定性好，經(jīng)濟性和通用性都相對較高。同時(shí)，可通過(guò)遠程監控，實(shí)時(shí)分析，實(shí)現遠程指導、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)教學(xué)和管理，實(shí)現智能溫室的全自動(dòng)化，也可以在廣大設施農業(yè)領(lǐng)域中起到示范作用，實(shí)現“智慧農業(yè)”的推廣和應用。

　　1 系統架構設計

　　本研究設計的無(wú)土栽培溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)智能管理系統，可使生產(chǎn)或其他過(guò)程按照人們編制的工作程序自動(dòng)進(jìn)行監控，當被監控的對象運行時(shí)，無(wú)需人的直接參與。智能監控包括自動(dòng)監測和智能控制2 個(gè)方面，即利用計算機對環(huán)境因素或生產(chǎn)過(guò)程各因素進(jìn)行全天候不間斷的實(shí)時(shí)監測，并根據實(shí)時(shí)數據和控制模型進(jìn)行智能判斷，根據實(shí)際需要給出實(shí)時(shí)控制方案，自動(dòng)完成各設備的控制。本系統集傳感器、自動(dòng)化監測、自動(dòng)化控制、通訊、計算等技術(shù)與專(zhuān)家系統于一體，通過(guò)預置草莓生長(cháng)發(fā)育所需的適宜環(huán)境參數和控制模型，搭建溫室智能化軟硬件平臺，實(shí)現對草莓無(wú)土栽培溫室中溫度、濕度、光照、營(yíng)養液濃度、pH 值、EC 值和CO2濃度等因子的自動(dòng)監測和控制。

　　1. 1 系統設計目標

　　本系統由前端部分來(lái)完成對環(huán)境監測因子的含量監測與匯總、轉換、傳輸等工作，監測因子包括空氣溫度、濕度、光照、營(yíng)養液溫度、pH 值、EC值、溶解氧、CO2濃度等環(huán)境參數，這些監測因子由數據采集終端使用不同的方法進(jìn)行測量，通過(guò)數據處理轉換后經(jīng)由GPRS 等網(wǎng)絡(luò )向在線(xiàn)監測數據平臺傳輸數據，由在線(xiàn)監測數據傳輸平臺實(shí)現數據的接收、過(guò)濾、存儲、處理、統計分析并提供實(shí)時(shí)數據查詢(xún)等任務(wù)。當某個(gè)指標超過(guò)設定值的時(shí)候，自動(dòng)開(kāi)啟或者關(guān)閉指定設備。整個(gè)系統可安全、可靠、準確、實(shí)時(shí)、全面、快速、高效地將真實(shí)的草莓無(wú)土栽培生產(chǎn)環(huán)境信息展現在管理人員的面前，并實(shí)現智能化管理和控制。使草莓在一個(gè)充分優(yōu)化的環(huán)境中生長(cháng)發(fā)育，充分提高資源利用效率，減少病蟲(chóng)為害，節約養分、水分、能源及管理成本等，使管理精準、生產(chǎn)高效、生態(tài)安全。系統總體設計

　　1. 2 系統設計框架

　　無(wú)土栽培溫室智能管理系統主要包含智能監測管理、智能控制模型和智能控制管理三部分。系統設計框架圖見(jiàn)圖2。其中智能監測管理系統主要由傳感器、數據接駁器、集線(xiàn)器、數據傳輸終端及傳輸網(wǎng)絡(luò )、數據存儲器構成的在線(xiàn)監測系統，該系統主要負責水培溫室環(huán)境因子的采集、處理和管理等。智能控制模型主要由草莓栽培專(zhuān)家系統、草莓生長(cháng)發(fā)育各函數模型及其管理模型組成，主要實(shí)施對監測到的數據根據草莓生長(cháng)發(fā)育與環(huán)境的關(guān)系模型進(jìn)行科學(xué)分析、準確判別，實(shí)施控制方案的制定和發(fā)布。智能控制管理系統由控制策略程序和執行機構組成，執行機構由營(yíng)養液調控系統、水分調控系統、pH 調控系統、EC 值調控系統、溶解氧調控基于物聯(lián)網(wǎng)的草莓無(wú)土栽培智能管理系統設計與實(shí)現857無(wú)土栽培溫室的環(huán)境智能監控系統設計框架系統、空氣溫度調控系統、空氣濕度調控系統、光照調控系統等組成，執行機構的實(shí)施均采用電磁閥或電機控制。

　　1. 3 系統重要功能

　　1. 3. 1 溫室環(huán)境的自動(dòng)監測

　　通過(guò)在線(xiàn)監測系統能對所有影響草莓生長(cháng)發(fā)育的溫室環(huán)境實(shí)施全天候的在線(xiàn)自動(dòng)監測。即可自動(dòng)監測溫室內的空氣溫度、空氣濕度、光照強度、CO2濃度、營(yíng)養液溫度、溶解氧、pH 值、EC 值、營(yíng)養液用量、灌溉水量等參數; 同時(shí)，可以監測溫室外的空氣溫度、空氣濕度、光照強度等參數。并且在線(xiàn)監測數據傳輸平臺可以實(shí)現數據的接收、過(guò)濾、存儲、處理、統計分析并提供實(shí)時(shí)數據查詢(xún)等。不但可以使管理人員或系統本身根據實(shí)時(shí)數據和歷史數據實(shí)施精準的管理，同時(shí)，還可以使領(lǐng)導、專(zhuān)家及其科研、教學(xué)人員實(shí)時(shí)觀(guān)察、掌握植物生長(cháng)發(fā)育狀況及其與環(huán)境因子的關(guān)系，并進(jìn)行相關(guān)決策、研究和教學(xué)等等。

　　1. 3. 2 溫室環(huán)境的自動(dòng)控制

　　根據自動(dòng)監測各環(huán)境參數及其系統設計的草莓生長(cháng)發(fā)育模型、專(zhuān)家系統及其管理模型等，制定和發(fā)布的指令，智能控制系統可以實(shí)現溫室環(huán)境的自動(dòng)控制，主要包含棚內栽培營(yíng)養液調節和更換，溶解氧的自動(dòng)調節、pH 的自動(dòng)調節、EC 值的自動(dòng)調控、遮陽(yáng)網(wǎng)和薄膜的卷簾、閉簾，水簾、風(fēng)機的開(kāi)和關(guān)，加溫、降溫、通風(fēng)、排濕設施的開(kāi)關(guān)、灌溉和增濕設施的開(kāi)關(guān)等。所有系統既可以實(shí)施全自動(dòng)的控制，根據需要也可以實(shí)施手動(dòng)控制。自動(dòng)控制可以單個(gè)溫室為基本控制單位、室內單個(gè)控制設備為基本控制單元，利用計算機技術(shù)開(kāi)發(fā)分布式控制系統; 基于分布式控制系統，開(kāi)發(fā)利用動(dòng)力供電線(xiàn)路( 交流220 V) 為母線(xiàn)的載波數據傳輸接口電路。

　　1. 3. 3 信息管理

　　本系統可以實(shí)現監測數據的自動(dòng)存儲和分析管理，監測數據的遠程遙測與控制指令的遠程傳輸管理，及其自動(dòng)控制方案的制定與發(fā)布，包括根據營(yíng)養液溶度、溶解氧、pH 值、EC 值等控制下限和上限進(jìn)行自動(dòng)的營(yíng)養液調節或更換等控制方案; 根據棚內溫度、棚內外光照強度或時(shí)間進(jìn)行水簾和風(fēng)機及遮陽(yáng)網(wǎng)的卷簾和閉簾等控制方案; 根據棚內空氣濕度大小制定的排風(fēng)控制方案、根據作物需要或按照時(shí)間制定的增濕控制方案等; 棚內營(yíng)養液積溫、空氣積溫、累計光照時(shí)間及氣溫濕度、營(yíng)養液pH、EC 等影響水培植物生長(cháng)發(fā)育的重要參數曲線(xiàn)圖表的繪制管理。

　　2 系統的實(shí)現

　　2. 1 智能感知

　　無(wú)土栽培溫室環(huán)境因子的實(shí)時(shí)監測是實(shí)現智能化控制的前提和基礎。由于無(wú)土栽培植物生長(cháng)受諸多自然條件的影響，如環(huán)境溫度、濕度和光照及其營(yíng)養液溫度、濃度、pH、EC 等，信息采集量很大，所以本系統根據無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有數據采集量大、精度高的特點(diǎn)，可以為用戶(hù)提供詳細準確的設施農業(yè)環(huán)境的信息參數，且成本低，可減小人為活動(dòng)對環(huán)境的不利影響等優(yōu)點(diǎn)[5]，選擇了無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )實(shí)施溫室草莓無(wú)土栽培的在線(xiàn)監測系統，該系統是通過(guò)新一代物聯(lián)網(wǎng)數據遠程傳輸系統實(shí)現的實(shí)時(shí)監測系統。該系統能夠以最快、最穩定的方式采集、傳輸監測的溫室環(huán)境實(shí)時(shí)參數，為項目系統集成用戶(hù)提供最佳的方案。溫室在線(xiàn)監測系統示意圖溫室環(huán)境在線(xiàn)監測系統主要分為三部分: 數據駁系統、遠程傳輸系統、后臺存儲系。

　　2. 1. 1 數據接駁器系列

　　數據接駁器實(shí)現了任意傳感器的數據接入功能，內置低功耗高速ARM 處理核心，可完成目標數據采集，通道校準、存儲，設備診斷，設備休眠等功能，任意傳感器輸出信號均可通過(guò)數據接駁器轉換成標準的MODBUS-RTU 協(xié)議輸出，簡(jiǎn)化用戶(hù)后端系統接入，并可與現有DCS、組態(tài)軟件進(jìn)行無(wú)縫連接，同時(shí)也集成了常用傳感器供用戶(hù)快速部署。

　　2. 1. 2 遠程數據傳輸終端系列

　　遠程數據傳輸終端能夠滿(mǎn)足大多數環(huán)境下的數據傳輸需求，全系列終端均支持ZA 系列數據接駁器，遠程數據傳輸終端可利用WiFi 網(wǎng)絡(luò )、以太網(wǎng)( RJ45 有線(xiàn)) 、GSM/GPRS /3G ( 手機網(wǎng)絡(luò )) 、Zigbee 無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )、北斗一代進(jìn)行數據傳輸。終端支持遠程巡檢，自動(dòng)采集，低功耗控制，遠程配置，遠程預警，GPS /北斗定位等功能; 大大增強了終端的適用范圍，真正意義上實(shí)現了物聯(lián)網(wǎng)中的“物物相聯(lián)”目標。

　　傳輸終端配有數據存儲平臺軟件( ZA DataCenter Service) ，支持MySQL /MS SQL /Oracle 數據庫，最大可支持1 萬(wàn)個(gè)終端同時(shí)在線(xiàn)傳輸，同時(shí)支持插件式傳感器解析模塊，可方便系統擴展。通過(guò)不同傳感器可以采集各類(lèi)環(huán)境參數及其需要控制的技術(shù)參數。傳輸終端可接駁系列化智能數字傳感器，單個(gè)傳輸終端可同時(shí)接入5 到10 路傳感器，實(shí)現對傳感器的自動(dòng)識別。它具有超低功耗，自動(dòng)關(guān)斷負載電源，RTC 定時(shí)喚醒等的特性。終端節點(diǎn)支持太陽(yáng)能、風(fēng)光互補等多種供電模式，最大程度適應復雜的應用環(huán)境; 所有傳輸終端均采用專(zhuān)利低功耗技術(shù)，以GPRS 傳輸終端為例，在使用4 個(gè)智能傳感器的情況下，使用普通太陽(yáng)能能源系統( 約2 W) ，4 000 mA 蓄電池可連續工作2 年( 采集頻率按5 min·次- 1計) 。

　　2. 1. 3 后臺存儲系統

　　ZA-DATA-CENTER 后臺存儲系統是為ZA 系列傳輸終端設計的后臺存儲服務(wù)軟件，服務(wù)軟件可將前端遠程任意傳感器的數據進(jìn)行實(shí)時(shí)、定時(shí)的采集、并通過(guò)ODBC 泛用接口進(jìn)行穩定存儲，同時(shí)還負責檢測終端及傳感器設備狀態(tài)、電池電量、定位數據等信息，用戶(hù)可通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)數據庫中的實(shí)時(shí)表及歷史表進(jìn)行數據的訪(fǎng)問(wèn)及統計，也可通過(guò)服務(wù)器所提供的WebService 數據訪(fǎng)問(wèn)接口直接訪(fǎng)問(wèn)遠程數據。ZA-DATA-CENTER 采用數據解析插件技術(shù)，用戶(hù)可根據前端應用不同、傳感器的不同，添加自定義解析插件，輕松實(shí)現系統的擴展和特殊應用需求，同時(shí)還可以通過(guò)插件接口A(yíng)PI 開(kāi)發(fā)自定義的數據訪(fǎng)問(wèn)接口。服務(wù)器采用內存池及并發(fā)連接處理技術(shù)，可同時(shí)處理大量、高頻的數據請求及存儲請求，非常適用于大規模終端部署及監測，增強了項目集成軟件的穩定性。

　　2. 2 智能分析

　　智能分析即將監測數據實(shí)時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )上傳到應用服務(wù)平臺，應用服務(wù)平臺通過(guò)云計算平臺對環(huán)境情況進(jìn)行計算分析，結合植物的生長(cháng)發(fā)育各函數模型及其管理模型，精確判斷其對環(huán)境參數對植物生長(cháng)發(fā)育的影響，及時(shí)做出對環(huán)境參數調控的指令。本系統借助于現代信息模擬技術(shù)和歷史栽培經(jīng)驗，開(kāi)發(fā)建立了草莓生長(cháng)發(fā)育模型，開(kāi)發(fā)了草莓專(zhuān)家管理系統。本系統利用ZA-DATA-CENTER 后臺存儲系統，將采集到的傳感器數據，在后臺進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、處理和存儲; 并能通過(guò)GSM/GPRS、3G 網(wǎng)絡(luò )快速將數據信息同步發(fā)送到數據服務(wù)器，通過(guò)云計算平臺進(jìn)行精確的計算分析，與預置的草莓生長(cháng)發(fā)育環(huán)境信息和生長(cháng)發(fā)育模型、控制管理模型開(kāi)展信息分析與研究，并與設定的預警值進(jìn)行對比。根據理想的環(huán)境指標對栽培現場(chǎng)的環(huán)境參數通過(guò)控制系統進(jìn)行精確調控，實(shí)現自動(dòng)、智能的環(huán)境監控。

　　2. 3 智能控制

　　智能控制模型是智能管理系統的“大腦”，主要由專(zhuān)家系統、草莓生長(cháng)發(fā)育各函數模型及其管理模型組成; 主要實(shí)施對監測到的數據根據草莓生長(cháng)發(fā)育與環(huán)境得到關(guān)系模型進(jìn)行科學(xué)分析、準確判別，實(shí)施控制方案的制定和發(fā)布。如在草莓果實(shí)成熟期當監測系統測得基質(zhì)相對含水量低于65% 時(shí)，數據上傳至智能控制模型，控制管理模型經(jīng)分析決策，發(fā)出指令給控制系統使電磁閥開(kāi)啟實(shí)行灌溉，當實(shí)時(shí)測得基質(zhì)相對含水量達到75%，智能控制模型即發(fā)出指令給控制系統使電磁閥關(guān)閉，停止灌溉。

　　2. 3. 1 分布式大規模數據存儲平臺

　　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用普遍存在“存儲使用難”，在海量的傳感器數據信息下，數據的存儲與交換存在技術(shù)難度，由于草莓無(wú)土栽培需傳感器部署密度大、數據實(shí)時(shí)性強、要求后端存儲系統具有高實(shí)時(shí)性及響應能力，一味地增加硬件來(lái)提升性能可以解決問(wèn)題，從根本上解決不了規�；�、產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題，另外在上層應用時(shí)也會(huì )遇到標準不統一、軟件模塊耦合過(guò)多等問(wèn)題，這些問(wèn)題都阻礙著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用與發(fā)展。ZA DataCenter 較好地解決了該難題，它是基于現代“云計算”技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)用數據存儲與解析的系統應用軟件，系統前端采用負載均衡單元進(jìn)行分布式調度存儲，數據存儲穩定可靠，數據處理能力可達10 萬(wàn)次·s - 1，能夠處理海量的數據，兼容不同數據交換協(xié)議，支持災難性的數據恢復; 同時(shí)，軟件具有良好的跨平臺能力，能夠支持Windows，Linux，Unix，FreeBSD 等主流操作系統。

　　2. 3. 2 數據庫設計

　　ZA DataCenter 數據庫存儲、分析及處理監測系統的歷史數據及實(shí)時(shí)數據，采用MySQL 數據庫進(jìn)行存儲，主要由傳感器歷史數據表、實(shí)時(shí)數據表和信息表三張數據表構成。其中傳感器歷史數據表主要用于長(cháng)期存儲歷史數據，用于上層應用中的圖表顯示、歷史查詢(xún)、分類(lèi)查詢(xún)等目的; 傳感器實(shí)時(shí)數據表主要用于上層應用中定時(shí)刷新、實(shí)時(shí)顯示等。通過(guò)數據庫和圖表分析技術(shù)，可對溫室各環(huán)境動(dòng)態(tài)數據進(jìn)行實(shí)時(shí)分析并用曲線(xiàn)等直觀(guān)方式進(jìn)行顯示，使管理系統或管理者及專(zhuān)家能及時(shí)準確的分析和判斷，做出正確快捷的決策和處理。并通過(guò)開(kāi)發(fā)出的可高度擴展的繼電器控制模塊等用戶(hù)可以自定義某個(gè)參數達到或超過(guò)一定指標是否需要開(kāi)啟或關(guān)閉某個(gè)設備，如灌溉系統、加溫系統、水簾風(fēng)機降溫系統、內外遮陽(yáng)系統及營(yíng)養液調節系統等，達到智能化控制。該控制系統不僅可以按參數值設置，還可以按時(shí)間間隔或定時(shí)設置，例如某個(gè)時(shí)間段開(kāi)啟或關(guān)閉某個(gè)設備。同時(shí)，可以通過(guò)預警值分析進(jìn)行報警，當溫室內各參數出現異常，達到設定報警值時(shí)，系統能通過(guò)手機短信、控制界面、系統廣播等進(jìn)行聲音、圖像等報警，提醒管理者盡快處理。通過(guò)遠程管理軟件平臺和視頻系統還可實(shí)現遠距離監控�？蓪⒏鞣N感知設備的基礎數據進(jìn)行統一存儲、處理和挖掘，通過(guò)監控軟件的智能決策，形成有效指令，直接指導控制執行系統或管理人員開(kāi)啟或關(guān)閉設備調節設施內的小氣候環(huán)境，為草莓生長(cháng)提供優(yōu)良的生長(cháng)環(huán)境。同時(shí)也可以利用該系統進(jìn)行教學(xué)或科研數據的觀(guān)測、采集，為相關(guān)項目提供便捷的視頻、數據采集、存儲和分析研究等。

　　3 示范應用

　　本研究針對草莓無(wú)土栽培精細化管理要求，自主開(kāi)發(fā)了溫度、濕度、光照、培養液溫度、pH 值、EC 值、溶解氧、CO2濃度等多環(huán)境因素在線(xiàn)檢測與灌溉、施肥、通風(fēng)、光照等多控制系統融合的集聯(lián)型控制系統，通過(guò)多環(huán)境因素的融合分析，自適應地驅動(dòng)不同的控制設備，實(shí)現了草莓無(wú)土栽培溫室環(huán)境的自動(dòng)控制，并首先在杭州余杭農業(yè)科技園區和蕭山生態(tài)循環(huán)農業(yè)示范園區開(kāi)展試驗應用，取得了良好的應用效果: 系統為草莓培育提供了最優(yōu)環(huán)境，節約了成本和資源，提高了品質(zhì)和產(chǎn)量，減少了病蟲(chóng)為害，提高了生產(chǎn)效率和生態(tài)安全。，栽培方式為基質(zhì)栽培，對照為人工控制，人工控制處理的效果較為明顯。

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