设施园艺物联网环境控制关键技术及装备

前言：2016 年度高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术) 在同行专家通信评审的基础上，召开了专家评审会，评出拟授奖项目和青年科学奖候选人，对青年科学奖候选人进行了现场考察，经高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术 )奖励委员会审核，教育部领导批准，授奖项目为 309 项(其中，一等奖 116项，二等奖项目 193 项)、青年科学奖 9 人。设施园艺物联网环境控制关键技术及装备汪小旵,沈明霞,孙国祥,熊迎军,刘龙申,李永博（南京农业大学工学院）随着我国设施园艺产业的发展，先进的物联网管控技术与装备也越来越多的应用到各个生产环节，但是这些从工业物联网系统中移植过来的技术还不能很好地适应复杂的农业生产环境，还存在测控信号不稳定、网关协议不统一、配套装备不适应等问题。为此，课题组在国家自然科学基金、江苏省科技支撑计划等项目资助下，历经 7 年产学研联合攻关，在设施园艺物联网信息感知节点与异构网关、信息传输算法、配套控制装备等方面开展了技术创新、产品研制与集成应用，取得了如下重大突破：（1）发明了设施园艺环境信息监测与管理系统，解决了设施种植环境信息采集、发布、共享，以及远程设备的在线控制管理问题。该发明主要针对现代大型设施园艺种植环境信息采集节点多、信息类型多、传输距离远等特点，结合嵌入式技术和 ZigBee 组网技术，实现远程移动终端远程查询、轻量数据库、视频查看和远程控制等功能，对 WiFi、EDGE、3G/4G 不同网络制式的网络实现了无差别支持，接入方式多样，人机互动良好。 （2）发明了设施园艺环境监控的无线传感器网络智能网关，并提出单多共存LEACH 算法及两级预测 WSN 数据传输算法等多种信息传输算法，解决了设施园艺物联网信息传输速率慢、传输效率低、传输能耗高、数据冲突、接入方式单一等问题。智能网关通信采用 CDMA EVDO 技术，使用 CC1100 ZigBee 等无线射频模块，提高了数据处理能力，减轻了网络传输负荷。在传感器端和服务器端建立分段回归方程，并引入自适应加权算法，实现 WSN 系统中同构传感器节点数据的服务器端融合。为了减少传感器节点能耗，在簇头节点与基站通信时采用单跳与多跳共存的方式，充分延长了节点和网络的寿命。无线节点 无线网关（3）发明了基于环境信息和作物信息融合的多尺度设施园艺物联网环境控制系统，解决了环境信息、作物信息与肥水信息融合控制问题。在传统设施园艺物联网环境控制系统基础上，引入作物信息，并综合考虑设施园艺环境信息和作物信息对设施园艺物联网环境控制的要求，通过多信息融合技术，建立了包含作物信息的综合设施园艺信息融合平台和环境智能决策控制系统。室内环境采集 室外环境采集作物个体信息采集系统作物群体信息采集系统 设施温室环境信息检测与控制系统研究温室环境信息控制器 （4）发明了设施园艺肥水一体化灌溉施肥系统、设施作物生长信息监测系统以及触压扰动信号的虫情监测系统等设施园艺环境信息管控配套装备，解决了设施园艺温、湿、光、水、肥、气等环境因子的智能协调管控问题以及虫情监测与预警问题。发明了多通道肥水一体化灌溉施肥系统，实现肥水精准高效混合；以激光视觉技术和双目视觉技术，实现作物生长信息在线测量；根据触压扰动信号，实现虫情检测及预警，实现大范围多区域超远程病虫害防治功能。该成果获得国家授权发明专利 8 件，实用新型专利 11 件，软件著作权 6 件，发表论文 108 篇，其中 SCI/EI 收录论文 51 篇，江苏省农业机械试验鉴定站检验成果 3 项。该成果累积推广应用 4856 亩，其中设施温室 1356 亩、大田种植 3500 亩，降低设备管理劳动成本 80 %以上，实现增产 10 %以上，累计取得经济效益 1250万元。