石曉燕，徐志福，李　冬，葉宏寶

（浙江省農業(yè)科學院 數(shù)字農業(yè)研究所，浙江 杭州 310021）

基于物聯(lián)網的設施鐵皮石斛智能化生產管控初探

石曉燕，徐志福*，李冬，葉宏寶

（浙江省農業(yè)科學院 數(shù)字農業(yè)研究所，浙江 杭州 310021）

鐵皮石斛素有 “藥中黃金”之美稱，是我國著名的傳統(tǒng)藥材，野生資源稀少。為了有效地保護鐵皮石斛野生資源，需大力發(fā)展規(guī)?；斯ぴ耘啵郧袑嵄Ｕ翔F皮石斛資源的可持續(xù)供應。本文基于物聯(lián)網技術對設施鐵皮石斛智能化生產管控進行了有效探索，研制了溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，建立鐵皮石斛電子種質檔案數(shù)據庫，平臺融合病蟲害輔助診斷防治，為鐵皮石斛優(yōu)質種質工廠化生產提供技術支持，從而加快鐵皮石斛產業(yè)發(fā)展，在科研和生產上具有一定的實用價值。

物聯(lián)網；鐵皮石斛；智能化；管控

文獻著錄格式：石曉燕，徐志福，李冬，等.基于物聯(lián)網的設施鐵皮石斛智能化生產管控初探 ［J］.浙江農業(yè)科學，2015，56（12）：2005-2009.

鐵皮石斛（Dendrobium officinale Kimura et M igo）是傳統(tǒng)名貴珍稀藥材，有 “藥中黃金”之美稱，為蘭科石斛屬多年生草本植物，其原生種自然分布于長江以南安徽、浙江、福建等地海拔1 000 m以上的山地半陰濕環(huán)境巖石或草叢中。鐵皮石斛對生活環(huán)境要求苛刻［1-3］，對鐵皮石斛的利用由最初的采摘野生資源作為中藥材，到后來的野生馴化栽培制成楓斗，再到鐵皮石斛組織培養(yǎng)種苗快速繁殖中的普及應用，及產品加工技術的日臻成熟。以浙江省為例，鐵皮石斛產業(yè)經過近20年的培育和發(fā)展，尤其是近5年來的快速發(fā)展，該產業(yè)形成了集科研、種植、加工、產品生產、銷售等較為完整的產業(yè)鏈。2012年浙江省鐵皮石斛產業(yè)總產值近30億元，成為全國鐵皮石斛類產銷量最大的省份。

為了有效地保護鐵皮石斛野生資源，更好地發(fā)展鐵皮石斛產業(yè)，須大力發(fā)展規(guī)?；斯ぴ耘啵郧袑嵄Ｕ翔F皮石斛資源的可持續(xù)利用。已有學者對鐵皮石斛人工規(guī)模生產技術進行了一系列的有效探索［4-8］，在組培、栽培方法等方面進展顯著；但大多鐵皮石斛設施栽培管理，仍然依靠人工進行，耗費大量精力與物力，效率低下，不適于現(xiàn)代集約化智能生產。此外，進口的溫室測控設備價格高昂，普通用戶難以承受；國內設計的系統(tǒng)在功能的可靠性和實用性上存在不確定性差異，還不能完全替代人工，尤其是在智能信息處理方面，尚未形成真正的產品化應用軟件和可共享的軟件平臺［9-12］。因此，為實現(xiàn)鐵皮石斛大規(guī)模規(guī)范化生產和增產保質，本文在基于物聯(lián)網技術的設施鐵皮石斛智能化生產低成本管控方面進行了有效探索，研制的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，可以實時將溫室內作物生長狀況直接傳輸?shù)睫r業(yè)專家的計算機上，實現(xiàn)對溫室環(huán)境的監(jiān)測控制，滿足對鐵皮石斛生長環(huán)境調控和組培育種的需求。此外，進一步依托現(xiàn)代信息技術，建立鐵皮石斛組織培養(yǎng)電子種質檔案數(shù)據庫，為其育種提供種質數(shù)據支撐；平臺融合病蟲害輔助診斷防治，為選育鐵皮石斛優(yōu)質種質、特異性種質提供技術支持，從而加快鐵皮石斛產業(yè)快速發(fā)展。

1　系統(tǒng)的結構與功能

1.1系統(tǒng)結構

鐵皮石斛對生長環(huán)境要求苛刻［13］，適宜生長溫度一般為15～28℃，夏季白天溫度理論上最好控制在32℃以內，冬季平均溫度應不低于8℃；栽培基質水分一般控制在60%～80%為宜，移栽后生根前保持90%，生根后保持在70% ～80%，高溫天氣保持在40%～50%最好，低溫天氣則適當降低；鐵皮石斛對病蟲害很敏感，一旦發(fā)生，嚴重時會使得整株腐爛解體，施用農藥也會對鐵皮石斛經濟價值產生影響，應注重預防工作，加強溫室內管理，保持通風透光、適當降低棚內濕度，并及時施藥和移除病株。

針對鐵皮石斛對生長環(huán)境要求嚴格及方便技術人員管理的需要，我們設計了適于設施鐵皮石斛栽培需求的智能化生產管控系統(tǒng)。系統(tǒng)融合環(huán)境因子采集、數(shù)據庫、海量農業(yè)信息智能處理、異常預警、設備智能控制等功能，系統(tǒng)架構包括現(xiàn)場應用層、網絡傳輸層、服務器端和用戶端 （圖1）。

圖1　系統(tǒng)的結構

用戶端可以為智能手機、電視屏幕、PAD、PC機等多類型終端用戶提供服務。系統(tǒng)注冊會員可以通過多種途徑隨時監(jiān)管溫室，包括查看實時溫室內植株生長視頻、手機接收溫室內鐵皮石斛病蟲害等異常發(fā)生預警短信、主動控制溫室內設備啟動/停止等，此外，會員亦可以通過多種網絡，與專家遠程視頻會診。

服務器端主要包括服務器智能計算模塊、服務器數(shù)據庫模塊等。服務器數(shù)據庫模塊接收和記錄采集到的現(xiàn)場數(shù)據，建立鐵皮石斛產業(yè)標準化生產數(shù)據庫，為輔助生產和安全追溯奠定基礎；服務器智能計算模塊，融合了數(shù)理統(tǒng)計原理，整合聚類分析等多種數(shù)據分析方法，對采集到的現(xiàn)場數(shù)據進行溫室環(huán)境適宜性分析，并給出輔助決策建議。

網絡傳輸層中，系統(tǒng)上行數(shù)據與下行數(shù)據均采用了GPRS/GSM傳輸模塊進行傳輸。上行數(shù)據包括：空氣溫度、濕度等現(xiàn)場采集數(shù)據及各設備的工作狀態(tài)等信息。下行數(shù)據包括服務器發(fā)出的各種開關控制指令及對各控制設備的參數(shù)預設等。

現(xiàn)場應用層包括遠程數(shù)據采集模塊、RTU控制模塊、現(xiàn)場控制箱等。遠程數(shù)據采集模塊主要是通過現(xiàn)場各種傳感器與視頻監(jiān)控設備，將采集的數(shù)據 （包含視頻監(jiān)控、溫濕度等環(huán)境信息等）傳輸進入服務器端存儲、分析；RTU模塊為核心控制器，可實現(xiàn)對溫室灌溉系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、預/報警系統(tǒng)、遮/補光系統(tǒng)等系統(tǒng)的控制，從而對大棚內的環(huán)境因子進行調節(jié)；現(xiàn)場控制配電箱由繼電器、接觸器、按鈕、限位開關等電氣元器件組成。

1.2系統(tǒng)功能

數(shù)據采集功能?？山邮宅F(xiàn)場采集的溫濕度等傳感器采集的模擬量數(shù)據，將模擬信號轉變成數(shù)字信號 （A/D轉換），并記錄在服務器的數(shù)據庫中，可供查詢。采集的數(shù)據包括環(huán)境溫濕度、土壤溫濕度、光照等，此外留有5～10個可擴充端口，滿足未來改變或擴充需求。

數(shù)據統(tǒng)計功能。它可以統(tǒng)計任意時刻的棚內外溫濕度、光照強度等各種環(huán)境因素的當前值、歷史值；并以圖形圖表等方式繪制任意時刻的棚內外溫濕度、光照強度等環(huán)境因子曲線圖及年、月、周、日的變化趨勢圖，并進行打印輸出。

遠程監(jiān)視功能。可以通過互聯(lián)網遠程監(jiān)視各溫室的當前狀態(tài) （如溫濕度、光照度等環(huán)境因子以及風扇、濕簾等設備開關狀態(tài)）；可以遠程修改設定可控制設備的參數(shù)及在線記錄各設備變化的時間、狀態(tài)、當前參數(shù)。

智能控制功能?？筛鶕参锏钠贩N、生長階段等智能選擇控制點，例如，當監(jiān)測溫室溫度超出植物適宜生長上限值時，風機和濕簾水泵自動啟動降溫。同時用戶可以根據需要靈活選擇定時控制、循環(huán)控制設定，例如灌溉時，可預先設定好起止時間，以天為單位進行循環(huán)運行。

病蟲害診斷與防治功能。系統(tǒng)收錄了鐵皮石斛病蟲害種類，包括軟腐病、黑斑病、炭疽病、蝸牛等。采用病蟲害數(shù)字化標準圖譜輔助診斷與視頻專家診斷結合的技術，對溫室內發(fā)生的病蟲害進行遠程診斷，提升傳統(tǒng)診斷技術。達到遠程診斷的效果。

短信預警功能。當環(huán)境改變不適宜鐵皮石斛生長，或鐵皮石斛發(fā)生病蟲害，系統(tǒng)通過手機短信發(fā)出預警通知，以便于管理人員及時采取措施，將病株移除。

互動功能。搭建用戶與領域專家的溝通交流渠道，一是，通過實時聊天系統(tǒng)，專家可以通過該功能遠程指導農戶種植鐵皮石斛或輔助診斷病蟲害，二是通過建立鐵皮石斛論壇，專家可以通過互聯(lián)網，解答用戶的提問留言。

2　系統(tǒng)設計

2.1硬件設計

硬件系統(tǒng)主要由主控服務器PC機、PLC、數(shù)據采集模塊、GPRS發(fā)送模塊、設備控制模塊、驅動機構和現(xiàn)場控制配電箱等組成 （圖2）。其中，RTU模塊是系統(tǒng)的核心控制組件，該模塊擁有16路DI（開關量輸入）、16路DO（晶體管輸出），自帶2個通訊口 （RS232型、RS485型）等特性。數(shù)據采集模塊以片內集成64K Flash Memory的STC89LE516RD+單片機為核心，前端采集設備包括傳感器、攝像頭、控制模塊等。模數(shù)轉換器采用具有采樣/保持、電壓基準、8通道、12位串行的 MAX1271，完成數(shù)據采集傳感器信號的A/D轉換。

圖2　系統(tǒng)的硬件架構

2.2軟件設計

PC機即上位機主要完成各終端數(shù)據的接收與處理，為了便于編寫、調試、修改，軟件系統(tǒng)程序的編寫利用C#語言，采用模塊化的結構，用戶界面采用圖形，用戶操作簡單方便。實時或定時采集的田間土壤水分、土壤溫度、空氣溫濕度等數(shù)據，均可以實時地以圖形或者表格方式在中央控制計算機上顯示。數(shù)據服務器采用Microsoft SQL Server 2005作為數(shù)據庫開發(fā)和運行平臺。下位機完成數(shù)據的采集、接收、傳送和上位機控制指令的傳送，是連接下位機從現(xiàn)場端設備到上位機服務器的橋梁，采用單片微型計算機專用語言Keil C51編寫而成，實現(xiàn)溫室綜合環(huán)境信息采集、打包封裝、控制信息解封裝和環(huán)境因子控制等功能 （圖3）。

圖3　系統(tǒng)的軟件設計

2.3數(shù)據收集與處理

開發(fā)了數(shù)據傳輸、收集及保存模塊程序。該模塊暫設系統(tǒng)每隔10 min對下位機中的控制器進行啟動，通過串口將溫室現(xiàn)場的環(huán)境因子以及設備狀態(tài)等信息收集至上位機，并最終保存至數(shù)據庫，以備子程序使用。數(shù)據顯示則通過讀取數(shù)據庫文件中與要求對應的信息暫存在數(shù)組中，然后以曲線、圖表等形式顯示在軟件界面。數(shù)據處理模塊最主要的作用一是調控溫室小氣候因子，二是環(huán)境異常預警。本模塊的核心是數(shù)學算法選擇。根據文獻和調研，本研究中，溫室溫濕度調控選用簡化機理模型來描述，具體算法見文獻 ［14］；環(huán)境異常預警通過比對預先設置的閾值，當超出閾值時發(fā)出預警短信。此外，在數(shù)據安全方面，系統(tǒng)對平臺采集和發(fā)送的數(shù)據采用了加密處理，以防不法分子對設備的蓄意控制，造成各種損失。

2.4控制方案

系統(tǒng)的功能可通過自動控制、智能控制或者手動控制3種方式實現(xiàn)。自動控制模式下，各類泵和風機等設備的開停以及各種工作狀況的切換都由按照用戶需求對PLC預先編制的程序自動生成，例如用戶要實現(xiàn)每天定點噴灌5次，每次持續(xù)10 min，那么在運行前預先設置好灌溉量、灌溉開始時間，灌溉時間間隔等參數(shù)進入程序，系統(tǒng)就可以開啟無人自動噴灌；智能化的控制技術以溫室綜合環(huán)境因子作為采集與分析對象，通過模型庫的咨詢與決策，給出不同時期作物生長所需要的最佳環(huán)境參數(shù)，并據此對實時測得的數(shù)據進行模糊處理，自動選擇合理、優(yōu)化的調整方案，控制執(zhí)行機構（噴滴灌、排風扇等溫室設備）的相應動作，實現(xiàn)溫室的智能化管理與生產。手動控制僅作為特殊情況下前兩種方式的替代補充 （圖4）。

3　小結與討論

本研究融合了物聯(lián)網、傳感器、模型等各種新型技術，研制的系統(tǒng)可依據室內外裝設的溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器、室外氣象站等采集或觀測溫室內外的溫度、濕度、光照強度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)信息，通過對溫室通風窗、遮陽網、噴滴灌等驅動/執(zhí)行機構設備的控制，對溫室環(huán)境氣候和灌溉施肥進行調節(jié)控制以滿足作物栽培生長發(fā)育的需要，為作物生長發(fā)育提供最適宜的生態(tài)環(huán)境，以大幅提高作物的產量和品質。系統(tǒng)采用模塊化結構，可方便實現(xiàn)大型連棟溫室或溫室群的集中管控，系統(tǒng)配置靈活，可靠性較高。此外，系統(tǒng)加入模型決策模塊調控溫室內環(huán)境因子，初步探索了智能信息處理技術在鐵皮石斛智能化生產上的應用。

圖4　系統(tǒng)的控制方案

在設計完成后，在實驗室進行組裝測試，并在溫州樂清鐵楓鐵皮石斛基地實地部署使用，效果表明，現(xiàn)場硬件安裝方便，傳輸數(shù)據穩(wěn)定，管理平臺統(tǒng)一通用，系統(tǒng)操作簡單，就設備而言，整體運行狀況良好，各連棟溫室溫度變化接近設定參數(shù)曲線，通風、灌溉等過程合理性提高，能夠較好地調節(jié)環(huán)境因子達到鐵皮石斛生長最優(yōu)，基本滿足鐵皮石斛智能化生產管控需求。通過對比項目2014年度實施情況，結果表明，通過設施鐵皮石斛智能化生產管控系統(tǒng)的應用，節(jié)省勞動力成本約50%，節(jié)約水肥成本約25%，節(jié)約農藥成本40%，取得了較好的經濟和生態(tài)效益。

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（責任編輯：張 韻）

S 126

A

0528-9017（2015）12-2005-05

10.16178/j.issn.0528-9017.20151228

2015-07-29

浙江省農業(yè)科學院院地合作項目 （WZ20130006）；浙江省重點實驗室項目 （2013E10037）；浙江省科技計劃項目（2013C24022）；浙江省農業(yè)科學院國際合作項目 （2014GJHZ08）

石曉燕 （1979-），女，助理研究員，博士，主要從事數(shù)字農業(yè)研究工作。E-mail：eequal@163.com。

徐志福 （1964-），男，副研究員，從事系統(tǒng)模擬與數(shù)字農業(yè)相關研究工作。E-mail：zhifux868@163.com。

注：本研究工作得到浙江鐵楓堂科技股份有限公司、浙江省創(chuàng)意農業(yè)工程技術研究中心等的資助，是陳劍平院士樂清鐵皮石斛工作站研究內容之一，整個研究過程得到陳劍平院士的悉心指導。在此，一并表示衷心的感謝！