基于物联网的日光温室环境智能监控系统研究与应用

2017年 / 第5期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application970 引 言自 20 世纪 80 年代以来，中国以日光温室、塑料大棚为代表的设施农业得到快速发展，其中 “日光温室 ”和其它类型温室相比具有成本适中、建造容易、保温良好等特点，近 20年来已成为农业种植中效益最高的产业。由于新疆独特的气候特点和地理特征，新疆设施农业以日光温室为主体，截止2013 年底，全疆设施农业占地面积达 91.4 万亩（新疆农业厅园产处提供数据），覆盖全疆 14 个地（ 州、市） 和 91 个县（ 市、区），预计到 2020 年，全疆设施农业将达到 125 万亩。设施农业已经成为新疆的优势产业，被自治区确定为新疆农业六大产业之一1。虽然近年来新疆日光温室产业发展迅速，但大多数日光温室日常生产管理仍以经验为主，科技含量不足，生产自动化程度低，日光温室生产急需提高工作效率并实现精细管理2， 3。随着信息技术与网络通信技术的融合，物联网技术在大田粮食作物种植精准作业、设施农业环境监测和灌溉施肥控 制、果园生产不同尺度的信息采集和灌溉控制等方面应用广泛 4， 5。以物联网技术框架为基础的温室智能监控系统注重全面感知、稳定传输和智能应用 3 个方向6。本文以连栋日光温室环境作为研究对象，设计并实现了一种基于物联网的日光温室环境智能监控系统，该系统能够实现温室环境参数的自动采集、实时显示与可视化的数据查询及分析，并监视现场设备的工作状态，实现远程监控、智能控制，达到在提高作物产量的同时降低生产成本的目的。1 系统结构1.1 系统总体结构基于物联网的日光温室环境智能监控系统如图 1 所示，主要包括传感器、控制终端、通信终端、操作终端及软件平台。系统通过各种传感器等监测设备感知温室内的环境信息。传感器采集的数据通过通信终端进入上位机系统，并对温室监测的数据进行存储、计算分析和共享，温室环境控制算法通过控制终端对调控设备进行控制。该物联网系统还可以通过手机流量或短信向用户发送实时监测信息、 预警信息，实现日光温室集成化、 网 络化远程管理。CO2P O y P O $Y $ P O O $Y $ P O CO2P O y P O $Y $ P O O $Y $ P O 4 *1 - A 1 j4 5 5 f 4 1 f 4 1 j 4 1图 1 基于物联网的日光温室环境智能监控系统1.2 环境信息采集终端环境信息采集系统负责各类传感器数据的采集控制，主要包含空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、土壤温度传感器、光照强度传感器和二氧化碳浓度传感器。环境信息采集系统的外部网络以基于 IP 网络技术和 GPRS 通信网络为基础进行环境信息的传输；内部网络则采用短距离、低功率的 ZigBee无线通信技术7。基于 ZigBee 的无线传输模式中，传感器采集的数据经由 ZigBee 发送模块传送到中心节点，同时，操作终端和控制终端间传送的控制指令也传送至中心节点，中心节基于物联网的日光温室环境智能监控系统研究与应用周 伟1，2，吕全贵1，2，李雪莲1，林红兵3（1.新疆农业大学 机械交通学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆农业大学 设施农业研究所，新疆 乌鲁木齐 830052；3.新疆宏研智慧农业科技有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011）摘 要 ： 针对新疆日光温室生产科技含量不足 ， 生产自动化程度落后等问题 ， 文中提出了一种基于物联网技术的日光温室环境智能监控系统 ， 实现对温室环境的实时监测和智能控制 。 系统实验表明 ， 系统数据传输稳定 ， 环境调控可靠 ， 可满足日光温室智能监控的需求 ， 大大降低了农民的劳动强度 、 提 高了日光温室园区的管理水平 ， 加快了新疆农业的现代化进程 。关 键 词 ： 日光温室 ； 监控系统 ； 物联网 ； 智能控制中图分类号： S24； TP277 文献标识码： A 文章编号： 2095-1302（ 2017） 05-0097-03收稿日期： 2016-12-27基金项目 ： 新疆维吾尔自治区科技支撑计划项目 （ 201431118）； 新疆维吾尔自治区自然基金项目 （ 2016D01B028）DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2017.05.031物联网技术 2017年 / 第5期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application98点再经边缘网关将传感器数据、控制指令发送到上位机的业务平台。技术人员可以通过有线网络 / 无线网络访问上位机系统业务平台，实时监测温室现场的传感器参数，控制温室现场的相关设备。1.3 控制终端控制终端主要由控制器、触摸屏、电源、开关器件、 CO2气体存储释放装置等组成。控制箱可以通过在上位机或手机终端执行操作，实现对通风机、水泵、卷帘设备的手动控制和远程自动控制，并根据用户需求定时启 / 停设备。现场控制柜如图 2 所示。图 2 现场控制柜1.4 操作终端和软件平台操作终端为计算机和智能手机（安卓系统）。系统软件平台主要由客户端（包括电脑客户端和手机 App），应用服务端和数据库三部分组成。通过手机客户端软件，可随时随地掌握温室内的环境信息及设备工作状况，汇总、分析采集得到的环境信息，远程对现场设备进行系统配置、功能配置。手机 App 监控界面如图 3 所示。系统每分钟保存一次采集的温室数据，并可实现数据列表显示、实时数据曲线显示、历史数据下载、历史数据列表、曲线显示、历史数据分析等功能。后台部分在服务器上主要用于用户注册系统维护，系统应用数据更新维护等。图 3 手机 App 监控界面2 系统应用分析该系统在新疆乌鲁木齐市农十二师西山农牧场日光温室园区内进行安装调试，温室内种植草莓，实验期间草莓处于幼苗期，选择两栋日光温室安装该物联网监控设备，安装现场如图 4 所示。图 4 安装现场2.1 数据实时监测系统采集的温室内空气温度、空气相对湿度、土壤温度、土壤相对湿度、光照强度和 CO2浓度六大要素以实时曲线的方式显示，记录历史数据并分析各参数变化对作物生长的影响，实现对设施作物生长环境数据的精确监测，图 5 所示为2016 年 1月 10 日（室外温度为 3 10） 1# 实验日光温室内 24 h 的空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、 CO2浓度变化曲线。从图 5 中可以看出，通过物联网监控系统的自动调控，温室内温度基本控制在 15 25范围内，空气湿度在 50% 70% 之间，均在草莓植株地上部分生长的适温范围内。草莓处于幼苗期时，土壤呼吸旺盛，群体光合较弱，且冬季日光温室几乎处于全闭状态，因而温室 CO2水平较高，基本维持在 500 ppm 以上，未发生 CO2亏缺，因此不需要进行CO2施肥。2.2 视频监控相对传感器数据而言，图像和视频（图像序列）提供的农作物生长状态信息更加丰富和直观。通过该系统中的高清视频设备，将作物生长情况以及病害发生情况的图片信息通过无线桥网传输，为作物远程病虫害诊断及环境信息采集控制系统提供有效的数据支持。相关专家可以通过互联网对各地生产进行指导与诊断，实现重大病虫害的预防监测，为最终实现全疆范围内规模化生产的基地联网监测平台奠定基础。温室内草莓生长的实时监控图像如图 6 所示。3 结 语温室环境监控系统是提高温室作物产量、减少劳动力成本的关键技术，代表了温室生产的核心竞争力、融合了传感器技术、计算机控制、网络通信以及物联网等技术的智能监控系统被越来越多地应用到温室监控领域8-11，借助物联网技术可实现利用手机短信、电子显示屏、网站等多媒体发布低温预警服务，并采用远程智能控制方式实现对温室定时加温。由此可以看出，我国农业物联网技术研究广泛深入，但应用上总体处于试验示范阶段，规模小且分散。本研究以连栋日光温室作为应用对象，基于物联 网技术2017年 / 第5期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application99框架，设计并实现了日光温室智能监控系统，实现了温室内生产设备的远程控制和农业管理的自动化、智能化，同时，该物联网平台还能分析环境参数变化曲线，便于研究日光温室不同作物的最适宜环境。该系统的投入运行降低了日光温室生产中人力、物力的投入，达到了节能增收的效果。0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:0012:0014:0016:0018:0020:0022:000:00时间/hh:mm温度 相对湿度相对湿度%010203040506070801012141618202224温度/（ a） 空气温度 、 湿度变化曲线土壤温度 土壤湿度0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:0012:0014:0016:0018:0020:0022:00 0:00024681012141618666870727476788082时间/hh:mm相对湿度%温度/（ b） 土壤温度 、 湿度变化曲线CO2浓度50070090011001300150017000:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:0012:0014:0016:0018:0020:0022:000:00CO2浓度时间/hh:mm（ c） CO2浓度变化曲线图 5 环境参数监测曲线图 6 温室内草莓生长的实时监控图像参考文献1 王浩，马月虹，杨关勇，等 . 新疆设施农业区域布局及其生产功能区划研究 J. 新疆农业科学， 2014， 51（ 12）： 2328-2337.2 曲文涛，范思梁，吴存瑞 . 我国设施农业发展存在的问题及对策 J.农业科技与装备， 2010 （ 6）： 151-152.3 杨英茹，郭利朋，岳赵寒，等 .日光温室远程监控系统发展现状及问题分析 J. 农业网络信息， 2015（ 3）： 50-51.4 阎晓军，王维瑞，梁建平 . 北京市设施农业物联网应用模式构建 J.农业工程学报， 2012， 28（ 4）： 149-54.5 邹承俊，余攀 . 基于物联网技术的智能温室关键技术研究 J. 物联网技术， 2015， 5 （ 4）： 33-35.6 秦琳琳，陆林箭，石春，等 . 基于物联网的温室智能监控系统设计 J.农业机械学报， 2015， 46（ 3）： 261-267.7 邹承俊 .物联网技术在蔬菜温室大棚生产中的应用 J.物联网技术，2013， 3（ 8）： 18-21.8 梁居宝，杜克明，孙忠富 . 基于 3G 和 VPN 的温室远程监控系统的设计与实现 J.中国农学通报， 2011， 27（ 29）： 139-144.9 韩毅，许春雨，宋建成，等 . 基于物联网的日光温室智能监控系统设计与实现 J. 北方园艺， 2016（ 9）： 207-210.10 黎贞发，王铁，宫志宏，等 . 基于物联网的日光温室低温灾害监测预警技术及应用 J. 农业工程学报， 2013， 29（ 4）： 229-236.11 王向军，刘志刚，李荣，等 .日光温室物联网设计研究 基于传感器智能网络操控系统 J. 农机化研究， 2014， 36（ 8）： 189-192.作者简介 ： 周 伟 （ 1976）， 女 ， 博士 ， 讲师 。 主要研究方向为农业生态环境模拟与控制 。参考文献1 赵芳，许芸 . 城市空巢老人生活状况和社会支持体系分析 J . 南京师范大学学报（社 会科学版）， 2003， 5（ 3）： 61-67.2 王庆华，杨玉霞，丁志荣，等 . 空巢老人生活质量与心理健康的相关研究 J.中国老年保健医学， 2007， 5（ 4）： 96-98. 3 周怡 颋 ，凌志浩，吴勤勤 .ZigBee 无线通信技术及其应用探讨 J.自动化仪表， 2005， 26（ 6）： 5-9.4 瞿雷 . 一种新的无线网络通新技术 ZigBeeJ. 单片机与嵌入式系统应用， 2006， 6（ l）： 12-14.5 江修波 .ZigBee 技术及其应用闭 J. 电器与能效管理技术， 2005 （ 7）： 27-29.6 孙宇 . 工业控制中可靠的专用无线数据传输的研究团 J.信息技术，2004， 28（ l）： 51-52.7 Jessica Davis. Whats up with ZigBee?J.Electronic Business，2006， 9 ： 26-29.8 Monica Alleven.Temperature Rises for ZigBeeZ.Wireless Week， 2006， 7.（ 上接第 96 页 ）