孫海燕，陳偉國，戴建忠，錢秋杰

（海寧市蠶桑技術(shù)服務(wù)站，浙江 嘉興 314400）

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能養(yǎng)蠶溫室系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫海燕，陳偉國，戴建忠，錢秋杰

（海寧市蠶桑技術(shù)服務(wù)站，浙江 嘉興 314400）

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，是互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和拓展的一種網(wǎng)絡(luò)，通過射頻識別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描、視頻監(jiān)控、物理化學(xué)傳感器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)階段我國農(nóng)業(yè)發(fā)展正處于從傳統(tǒng)向現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)過渡的進(jìn)程當(dāng)中，單純的機(jī)械化農(nóng)業(yè)并不能解決產(chǎn)量的提高和資源的浪費(fèi)之間的矛盾，急需用現(xiàn)代物質(zhì)條件進(jìn)行裝備，用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)行改造，用現(xiàn)代經(jīng)營形式去推進(jìn)，用現(xiàn)代發(fā)展理念來引領(lǐng)。物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，為我國農(nóng)業(yè)與世界農(nóng)業(yè)同步發(fā)展提供了一個國際領(lǐng)先的全新平臺，智能農(nóng)業(yè)也就應(yīng)運(yùn)而生。目前，智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域主要有智能溫室、節(jié)水灌溉、智能化培育控制、水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控等。近年來，蠶桑生產(chǎn)中也開始嘗試引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，據(jù)報道，江蘇省如東縣有農(nóng)戶通過物聯(lián)網(wǎng)來自動調(diào)整并監(jiān)控蠶室的溫度，但是蠶室濕度、空氣、光線等環(huán)境要素未能實(shí)現(xiàn)智能化控制。為深入探索物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù)蠶桑產(chǎn)業(yè)的前景，達(dá)到養(yǎng)蠶的智能化，實(shí)現(xiàn)蠶桑產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，海寧市周王廟鎮(zhèn)云龍村建立了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能養(yǎng)蠶溫室系統(tǒng)。

1智能養(yǎng)蠶溫室建設(shè)目標(biāo)

隨著美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的不斷深入，加快了對分散農(nóng)村居民的農(nóng)房集聚和新社區(qū)的建設(shè)，同時農(nóng)村生產(chǎn)用房面積急劇萎縮，導(dǎo)致養(yǎng)蠶用房必須另找出路。目前，鋼管結(jié)構(gòu)的塑料薄膜大棚養(yǎng)蠶解決了養(yǎng)蠶用房，也改了善居住環(huán)境，但大棚蠶室的溫、濕度難以有效調(diào)控，經(jīng)常會出現(xiàn)35℃以上的高溫，甚至?xí)霈F(xiàn)40℃的極高溫度，對大棚養(yǎng)蠶的蠶繭產(chǎn)量、質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。利用鋼結(jié)構(gòu)框架、玻璃材質(zhì)墻面建造的溫室，相比傳統(tǒng)大棚不僅擴(kuò)大了單位面積的空間利用率，而且易于增加通風(fēng)窗口和遮陽設(shè)備，在炎熱的夏季能提高通風(fēng)、降溫、排濕能力，保證良好的飼養(yǎng)環(huán)境，促使蠶體健康發(fā)育，從而獲得蠶繭的豐收。

物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)使用，一方面為了讓勞動力從蠶室環(huán)境控制工作中解放出來，從而有利于構(gòu)建現(xiàn)代蠶業(yè)技術(shù)體系。利用空氣溫濕度傳感器采集環(huán)境信息，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)對養(yǎng)蠶環(huán)境參數(shù)的實(shí)時檢測和處理，并且利用環(huán)境設(shè)備的自動化管理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)環(huán)境狀態(tài)的自動化控制；另一方面通過移動端使用平臺的建立，利用無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)環(huán)境狀態(tài)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控和相關(guān)設(shè)備的遠(yuǎn)程操控。物聯(lián)網(wǎng)的成功使用，也將促使人工飼料四季飼養(yǎng)家蠶的可能性成為現(xiàn)實(shí)。

本方案采用玻璃溫室、地源熱泵空調(diào)、加濕等設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)智能控制技術(shù)，實(shí)時采集和控制環(huán)境溫、濕度，按照設(shè)定的養(yǎng)蠶環(huán)境參數(shù)實(shí)施自動控制，并通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和視頻圖像的遠(yuǎn)程監(jiān)控，以及遠(yuǎn)程操控相關(guān)設(shè)施設(shè)備。

2智能養(yǎng)蠶溫室設(shè)計(jì)方案

2.1玻璃溫室與環(huán)境調(diào)控設(shè)備

2.1.1玻璃溫室主體結(jié)構(gòu)

玻璃溫室建造采用透光率高、密封性好、通風(fēng)面積大、屋面排水效率高、使用靈活性強(qiáng)的三尖頂文洛型溫室大棚，東西向長度為20 m，南北向?qū)挾葹?0.8 m，總占地面積216 m2，玻璃墻體高度4 m，棚頂高5 m，外拉幕立柱高5.5 m。溫室主體形式為天溝連接多連跨栓接裝配式結(jié)構(gòu)，文洛式屋面，主要由斜樑、立柱、檁條、天溝等部件組成。根據(jù)家蠶飼養(yǎng)特點(diǎn)，小蠶喜高溫多濕，大蠶室要求通風(fēng)保溫良好，故將溫室大棚分隔成小蠶室和大蠶室，以控制不同的環(huán)境溫、溫度。

2.1.2地源熱泵空調(diào)設(shè)備

家蠶屬于變溫動物，生長發(fā)育的適溫范圍為20～30℃，在此適溫范圍內(nèi)發(fā)育進(jìn)度隨溫度上升而加快；溫度過低發(fā)育減慢，食下量減少，生長不良；超過35℃的高溫也會影響生長發(fā)育，甚至死亡。在適溫范圍內(nèi)小蠶期適當(dāng)偏高溫度飼育，大蠶期適當(dāng)偏低溫度飼育，有利家蠶的正常生長發(fā)育，提高葉絲轉(zhuǎn)化率和養(yǎng)蠶的經(jīng)濟(jì)效益。因此，控制養(yǎng)蠶環(huán)境溫度是保障養(yǎng)蠶安全的重要措施。調(diào)節(jié)蠶室溫度的方法和設(shè)備有多種，本方案采用了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。其原理是利用淺層地表地?zé)崮?，通過壓縮機(jī)進(jìn)行熱交換，達(dá)到增溫降溫的目的，是一種清潔、綠色、節(jié)能設(shè)備，目前正逐步應(yīng)用到現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)上。玻璃溫室建設(shè)前，在地下70～200米深度預(yù)埋了大量閉路循環(huán)管道，利用地下水恒溫特性作為熱能量交換來源，通過壓縮機(jī)組的工作將地表熱能轉(zhuǎn)化為制熱量或者制冷量，再通過回水系統(tǒng)以控制玻璃溫室內(nèi)5臺出風(fēng)機(jī)組的制熱或制冷。地源熱泵維護(hù)簡便，機(jī)組使用壽命均在10 a以上，地埋管換熱器壽命可達(dá)40～50 a，且供熱、供冷平穩(wěn)，降低了停、開機(jī)的頻率和空氣過冷和過熱的峰值，更有利于養(yǎng)蠶環(huán)境的控制。

2.1.3環(huán)境加濕設(shè)備

水是蠶體重要的組成成分，蠶體內(nèi)的水分占75%～88%。環(huán)境濕度過低，易使桑葉失水萎凋，蠶的食下量減少，蠶體水分下降、營養(yǎng)不良，發(fā)育經(jīng)過延長，眠中還可能引起蛻皮困難。養(yǎng)蠶的適宜環(huán)境濕度，因蠶齡大小而不同。1～2齡90%左右，3齡約85%，4齡70%～80%，5齡65%～75%。如果采用人工飼料，環(huán)境濕度還需相應(yīng)提高，以減緩飼料水分失散。通常情況下，環(huán)境濕度低于養(yǎng)蠶的適宜濕度，因此，需要使用相應(yīng)的設(shè)備來提高養(yǎng)蠶環(huán)境濕度。

小蠶室采用離心式加濕器，其工作原理是由電機(jī)帶動離心式轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)，將水強(qiáng)力甩出打在霧化盤上，把自來水霧化成5～10 μm左右的超微粒子后噴射出來，經(jīng)加濕器上端扇葉兩次破碎后向上噴出，水粒接觸空氣后進(jìn)一步霧化成水分子，從而增加空氣濕度。

大蠶室采用推車離心式加濕風(fēng)機(jī)，水在旋轉(zhuǎn)碟和霧粒噴散裝置作用下，利用離心力將水粉碎成10 μm左右的霧滴噴出，風(fēng)扇產(chǎn)生的強(qiáng)力氣流吹向霧滴，提高了液體表面風(fēng)速，加快水分子蒸發(fā)擴(kuò)散。由于風(fēng)力強(qiáng)，有效噴射距離超過10 m。除用于環(huán)境加濕外，還可將消毒液噴霧來用于養(yǎng)蠶環(huán)境消毒。

加濕器既可獨(dú)立使用，也可在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)控制下實(shí)現(xiàn)全自動控濕。當(dāng)環(huán)境濕度低于設(shè)定濕度時開啟加濕設(shè)備，達(dá)到設(shè)定濕度時停止加濕。

2.1.4玻璃溫室遮陽通風(fēng)系統(tǒng)

遮陽系統(tǒng)建設(shè)分內(nèi)遮陽系統(tǒng)和外遮陽系統(tǒng)。內(nèi)遮陽系統(tǒng)選用遮陽率65%以上的綴鋁編織內(nèi)用幕，利用驅(qū)動電機(jī)及聯(lián)軸器，推動帶有A型齒條的推桿，完成幕布的開合。外遮陽系統(tǒng)利用溫室的雨槽固定立柱，并在各立柱之間架設(shè)鋼管橫梁，組成田字形網(wǎng)狀支架。采用遮陽率70%以上的遮陽網(wǎng)，利用驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動A型齒輪，帶動傳動齒條完成遮陽網(wǎng)的展開與收攏。內(nèi)遮陽和外遮陽系統(tǒng)都能夠?qū)⒄陉柧W(wǎng)開、停在任意位置，以達(dá)到遮陽要求。

玻璃溫室通風(fēng)系統(tǒng)采用頂部開窗通風(fēng)和南北玻璃墻開窗通風(fēng)形式，使室內(nèi)外空氣形成對流，以達(dá)到通風(fēng)除濕降溫的效果。頂部開窗系統(tǒng)配有電動機(jī)傳動，可以實(shí)現(xiàn)自動化的開關(guān)。

2.2物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.2.1溫室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)硬件

溫室內(nèi)4臺空氣溫濕度采集器分別分布在大蠶室、小蠶室、操作室及室外，利用空氣溫濕度傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)并上傳到管理服務(wù)器。服務(wù)器根據(jù)管理人員設(shè)定的溫濕度和采集到的實(shí)時各環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給物聯(lián)網(wǎng)智能控制器，由智能控制器驅(qū)動繼電器模塊，以實(shí)現(xiàn)各環(huán)境設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。同時，在溫室的重要區(qū)域安裝了高清數(shù)字槍機(jī)，并配合視屏硬盤錄像機(jī)，實(shí)現(xiàn)24 h實(shí)時視頻監(jiān)控溫室內(nèi)和周圍情況，需要時還可以選擇時段回放。

2.2.2電腦端物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)

海寧云龍四季養(yǎng)蠶溫室電腦端物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺系統(tǒng)具有全面監(jiān)控、采集溫室環(huán)境信息和智能化管理生產(chǎn)設(shè)備等功能，同時還能對溫室內(nèi)的管理、環(huán)境信息進(jìn)行統(tǒng)一的展示。

打開瀏覽器，輸入服務(wù)器名稱后，進(jìn)入平臺登錄界面。通過輸入用戶名和密碼，登錄物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包含數(shù)據(jù)監(jiān)控、系統(tǒng)配置、視頻監(jiān)控和組織權(quán)限四項(xiàng)主要功能。

數(shù)據(jù)監(jiān)控是用戶登錄后的默認(rèn)顯示界面。顯示的信息主要包括溫室虛擬結(jié)構(gòu)圖、溫室各區(qū)域的基本信息、溫室內(nèi)所有設(shè)備運(yùn)行情況和環(huán)境、設(shè)備異常預(yù)警。通過點(diǎn)擊結(jié)構(gòu)圖的某個區(qū)域，就能顯示此區(qū)域的實(shí)時數(shù)據(jù)采集情況和設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，還能將智能控制模式轉(zhuǎn)換成手動控制模式，以便于主動控制設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)改變環(huán)境條件。同時，點(diǎn)擊方案圖標(biāo)能查看和修改該區(qū)域內(nèi)智能控制溫度、濕度、光照和通風(fēng)設(shè)施的配置情況。點(diǎn)擊視頻按鈕能觀看到該區(qū)域內(nèi)的視頻監(jiān)控實(shí)時畫面。

系統(tǒng)配置界面顯示的信息主要包括各區(qū)域設(shè)備的設(shè)置情況和各設(shè)備的增減管理。系統(tǒng)配置界面是生產(chǎn)人員配置各種智能控制數(shù)據(jù)的界面，也可以查看各個模塊中所配置的數(shù)據(jù)情況。通過點(diǎn)擊方案配置可以選擇定時方案和環(huán)境方案來添加、刪除和修改方案包以求正確建立智能溫室自動化控制方案包。定時方案可以實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)、外遮陽網(wǎng)和天窗的定時開合，環(huán)境方案可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)溫濕度的實(shí)時自動化精準(zhǔn)控制。

視頻監(jiān)控界面顯示的信息為各區(qū)域的實(shí)時監(jiān)控畫面，可以單獨(dú)顯示某個高清數(shù)字槍機(jī)所捕獲的監(jiān)控畫面，也可以以4宮格或9宮格的形式顯示各高清數(shù)字槍機(jī)所捕獲監(jiān)控畫面。

組織權(quán)限是對整個系統(tǒng)中操作人員的權(quán)限進(jìn)行分配與管理，主要包括人員管理、組織管理、崗位管理、權(quán)限管理、賬戶管理和角色管理等。

2.2.3移動端物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)

首先在安卓移動平臺端安裝“農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”app，然后打開軟件設(shè)置server地址并保存，這樣就能連接架設(shè)于云龍村智能養(yǎng)蠶溫室內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)各區(qū)域?qū)崟r的視頻監(jiān)控和環(huán)境數(shù)據(jù)的查看，并適時調(diào)整相關(guān)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，主動控制飼養(yǎng)環(huán)境的改變。應(yīng)用內(nèi)主要包括：生產(chǎn)實(shí)況、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制。

在生產(chǎn)實(shí)況界面內(nèi)可以通過選擇相應(yīng)區(qū)域來查看該區(qū)域內(nèi)相關(guān)的實(shí)時視頻監(jiān)控畫面與環(huán)境數(shù)據(jù)信息，以達(dá)到飼養(yǎng)環(huán)境的隨時掌握。

視頻監(jiān)控界面可以查看選擇區(qū)域內(nèi)的實(shí)時視頻監(jiān)控畫面，并對需要場景進(jìn)行截屏留底。

數(shù)據(jù)采集界面可以查看、掌握選擇區(qū)域內(nèi)的實(shí)時環(huán)境信息。

設(shè)備控制界面可手動遠(yuǎn)程控制智能養(yǎng)蠶溫室內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，可以隨時按照家蠶飼養(yǎng)要求來改變飼養(yǎng)環(huán)境。

3討論

隨著人工飼料養(yǎng)蠶技術(shù)的不斷發(fā)展，使得工廠化養(yǎng)蠶變成了可能，但是相比桑葉育，人工飼料養(yǎng)蠶對蠶室的溫度、濕度和光線等環(huán)境因素控制要求更高，因此，玻璃溫室大棚的建立和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)蠶環(huán)境的全程遠(yuǎn)程實(shí)時視頻監(jiān)控與實(shí)時調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了蠶室環(huán)境控制的自動化、全程化、網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向精確感知、智能信息處理和決策、機(jī)械化控制改造等智能農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變。當(dāng)然，物聯(lián)網(wǎng)智能控制與養(yǎng)蠶溫室也面臨一些問題。一是，初期建設(shè)成本高。玻璃溫室與地源熱泵系統(tǒng)雖然使用年限長，但是建設(shè)一次性投入大幅高于簡易大棚及空調(diào)系統(tǒng)；農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)也未全面普及，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備價格居高不下，成為了推廣應(yīng)用的最大障礙。二是，尚未開發(fā)基于養(yǎng)蠶環(huán)境所設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，軟件界面暫時借用設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，直觀性、美觀性和操作性有待改進(jìn)。三是，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和該系統(tǒng)控制下的養(yǎng)蠶環(huán)境各類設(shè)備的控制匹配尚屬首次嘗試，工作的可靠性和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。因此，應(yīng)用智能養(yǎng)蠶溫室和人工飼料等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)養(yǎng)蠶業(yè)向智能化、工廠化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，需要在不斷探索和實(shí)踐中逐步完善提高。