周建軍+趙國(guó)新+王秀+劉建東

摘要：開(kāi)發(fā)了連棟溫室番茄生長(zhǎng)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)連棟溫室番茄生長(zhǎng)微環(huán)境數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)際需求，在特菜大觀園西區(qū)連棟溫室內(nèi)，布置了9個(gè)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)可定時(shí)采集番茄3個(gè)高度（冠層、中部、根部）的空氣溫濕度、2個(gè)高度（冠層、中部）的光照強(qiáng)度、冠層光合有效輻射、CO2濃度等信息。該物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連續(xù)采集了連棟溫室番茄生長(zhǎng)環(huán)境因子數(shù)據(jù)2萬(wàn)余條，數(shù)據(jù)分析表明夏天連棟溫室內(nèi)中午番茄冠層溫度比番茄根部溫度高2～5 ℃，溫室內(nèi)各個(gè)位置CO2濃度差異較小，各位置的光照度變化趨勢(shì)相似。

關(guān)鍵詞：番茄；環(huán)境監(jiān)測(cè)；連棟溫室；光照度；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP274文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）17-0222-04

收稿日期：2017-03-08

基金項(xiàng)目：國(guó)家“863計(jì)劃”（編號(hào)：2012AA10A503）；北京石油化工學(xué)院國(guó)家級(jí)大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動(dòng)計(jì)劃；北京市自然科學(xué)基金（編號(hào)：6142011）。

作者簡(jiǎn)介：周建軍（1977—），男，河北懷安人，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)智能裝備研究。E-mail：zhoujianjun@bipt.edu.cn。

通信作者：劉建東，碩士，教授，主要從事無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)安全研究。E-mail：liujiandong@bipt.edu.cn。番茄是我國(guó)乃至世界最重要的園藝產(chǎn)品之一，如何科學(xué)、合理、準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)設(shè)施內(nèi)環(huán)境因素，促進(jìn)果實(shí)生長(zhǎng)、提高單果質(zhì)量，進(jìn)而增加產(chǎn)量具有重要意義[1-2]。溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代溫室生產(chǎn)自動(dòng)化、高效化最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)靈活，可遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)，無(wú)需布線(xiàn)[3-6]，因此選擇無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)。郭文川等利用WSN 設(shè)計(jì)了一款具有功耗低、組網(wǎng)靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的溫室環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能較好地滿(mǎn)足溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)需求[7]。馬海龍等采用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)開(kāi)發(fā)了一套智能日光溫室監(jiān)控系統(tǒng)，可以對(duì)空氣溫濕度、土壤含水率、CO2濃度以及光照度進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)控制模塊實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的合力調(diào)控[8]。溫室作物微環(huán)境存在一定差異，溫室微環(huán)境研究對(duì)作物生長(zhǎng)和立體種植都有重要的意義[9]。本研究利用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了連棟溫室番茄生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)現(xiàn)代化溫室番茄生長(zhǎng)微環(huán)境信息，分析溫室番茄生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，研究連棟溫室條件下不同高度番茄冠層溫濕度、光照度和CO2濃度等的差異，旨在為溫室環(huán)境調(diào)控和立體種植提供數(shù)據(jù)支持。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

連棟溫室蔬菜生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由溫室蔬菜生長(zhǎng)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)站、溫室蔬菜生長(zhǎng)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、中心節(jié)點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和傳感器組成。溫室蔬菜生長(zhǎng)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署在計(jì)算機(jī)上，通過(guò)RS232串口連接中心節(jié)點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)采集節(jié)點(diǎn)采用ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)是地址為0的ZigBee無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)，可以發(fā)送數(shù)據(jù)、采集指令并接收各個(gè)無(wú)線(xiàn)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。無(wú)線(xiàn)采集節(jié)點(diǎn)可以采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)番茄3個(gè)高度的溫濕度、2個(gè)高度的光照度、CO2濃度、光合有效輻射等環(huán)境數(shù)據(jù)。通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送無(wú)線(xiàn)采集節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)信息到溫室蔬菜生長(zhǎng)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

1.1溫室蔬菜生長(zhǎng)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件

溫室蔬菜生長(zhǎng)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件（簡(jiǎn)稱(chēng)主機(jī)系統(tǒng)）可以采集、顯示各個(gè)無(wú)線(xiàn)采集節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，并能定時(shí)存儲(chǔ)、查詢(xún)和導(dǎo)出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)主界面如圖2所示。主機(jī)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)存入本地SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)和遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)。遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)可以為溫室蔬菜生長(zhǎng)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)站提供數(shù)據(jù)。

1.1.1主機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程主機(jī)系統(tǒng)軟件采用輪詢(xún)的方式采集各個(gè)無(wú)線(xiàn)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。主機(jī)系統(tǒng)主動(dòng)查詢(xún)各個(gè)節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)接到數(shù)據(jù)指令后上報(bào)數(shù)據(jù)的方式比采用各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)的方式系統(tǒng)可靠性高，可避免數(shù)據(jù)丟失。主機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程為：數(shù)據(jù)查詢(xún)命令→中心主站 →中繼路由→無(wú)線(xiàn)采集節(jié)點(diǎn)→IO 數(shù)據(jù)返回→中繼路由→中心主站→主機(jī)系統(tǒng)。主機(jī)系統(tǒng)主動(dòng)輪詢(xún)各個(gè)無(wú)線(xiàn)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流程如圖3所示。主機(jī)系統(tǒng)查詢(xún)1個(gè)節(jié)點(diǎn)，并啟動(dòng)超時(shí)定時(shí)器，如果設(shè)定時(shí)間內(nèi)指定節(jié)點(diǎn)沒(méi)有響應(yīng)，則查詢(xún)下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.1.2數(shù)據(jù)協(xié)議解析主機(jī)系統(tǒng)安裝在連棟溫室監(jiān)控室內(nèi)，通過(guò)串口連接中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)觸發(fā)主機(jī)系統(tǒng)串口處理函數(shù)，串口處理函數(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議可解析各個(gè)無(wú)線(xiàn)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采用十六進(jìn)制格式傳輸，可減小使用文本傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)查詢(xún)的協(xié)議格式為：0x10+0x07+4位十六進(jìn)制節(jié)點(diǎn)地址+0xFF。主機(jī)系統(tǒng)定時(shí)采集各個(gè)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，如該系統(tǒng)1 min采集1次各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)采集指令后以十六進(jìn)制形式上報(bào)數(shù)據(jù)，這樣可避免數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)，造成主機(jī)系統(tǒng)串口的堵塞和數(shù)據(jù)通訊的混亂，進(jìn)而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且可以減小數(shù)據(jù)解析難度。

溫室監(jiān)控中心主機(jī)通過(guò)串口連接ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)SZ02。各個(gè)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)查詢(xún)指令后將數(shù)據(jù)發(fā)送至中心節(jié)點(diǎn)SZ02。因此番茄生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)主機(jī)系統(tǒng)軟件中串口可以定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)上傳指令并接收各個(gè)無(wú)線(xiàn)生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)。溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采用十六進(jìn)制傳輸，1條完整的語(yǔ)句包括數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、環(huán)境數(shù)據(jù)。

1.2溫室番茄生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)站

溫室番茄生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)站如圖4所示，網(wǎng)站可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)編號(hào)查詢(xún)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，也可以查詢(xún)某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。網(wǎng)站使用Java和JSP開(kāi)發(fā)完成，網(wǎng)站發(fā)布后可供用戶(hù)查詢(xún)溫室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。網(wǎng)站查詢(xún)結(jié)果數(shù)據(jù)可以Excel文件格式導(dǎo)出，以供用戶(hù)分析使用。

1.3無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要由ZigBee無(wú)線(xiàn)采集模塊、CO2傳感器、空氣溫濕度一體傳感器、光照度傳感器和光合有效輻射傳感器組成。ZigBee無(wú)線(xiàn)采集模塊可以采集12路4～20 mA的電流信號(hào)。每個(gè)無(wú)線(xiàn)采集模塊都包括1個(gè)8位地址，用來(lái)標(biāo)志該采集節(jié)點(diǎn)。該系統(tǒng)中溫室無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采集了7個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，包括3個(gè)溫濕度傳感器、2個(gè)光照傳感器、1個(gè)CO2傳感器和1個(gè)光合有效輻射傳感器，并把采集數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)鏈路發(fā)送出去。其中CO2傳感器選用TGP-CO2型傳感器，該傳感器內(nèi)置NDIR 紅外CO2 傳感器，帶RS485輸出，可以輸出4～20 mA 的CO2濃度、空氣溫濕度模擬信號(hào)。ZigBee無(wú)線(xiàn)采集模塊支持?jǐn)?shù)據(jù)主動(dòng)上報(bào)和查詢(xún)方式上報(bào)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)中主動(dòng)上報(bào)時(shí)間設(shè)置為0，采用查詢(xún)方式上報(bào)數(shù)據(jù)。由于1次上報(bào)的數(shù)據(jù)包較長(zhǎng)，故采用十六進(jìn)制形式上報(bào)數(shù)據(jù)。endprint

天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸距離標(biāo)稱(chēng)2 km，試驗(yàn)測(cè)定無(wú)線(xiàn)傳輸在溫室環(huán)境下400 m距離內(nèi)可以可靠傳輸。無(wú)線(xiàn)采集節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)發(fā)送指令，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到中心節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)格式如下：幀頭+總字節(jié)數(shù)+終端地址+端口號(hào)+功能編號(hào)+有效數(shù)據(jù)。

2監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在特菜大觀園西區(qū)連棟溫室內(nèi)布置了9個(gè)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布如圖5所示。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以定時(shí)采集番茄3個(gè)高度（冠層、中部、根部）的溫濕度、2個(gè)高度（冠層、中部）的光照度、冠層光合有效輻射、CO2濃度（布置于番茄生長(zhǎng)中部）等信息。傳感器和支架固定于番茄種植行內(nèi)，避免影響行間作業(yè)車(chē)作業(yè)。傳感器固定于由水平支架和豎直支架組成的支架上，其中水平支架通過(guò)螺栓固定于豎直支架上，水平支架的高度可自由調(diào)整，以便將傳感器固定于需要的高度。監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝如圖6所示。從2016年5月6日起一直連續(xù)采集數(shù)據(jù)，每20 min保存1次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)保存在SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中。保存的數(shù)據(jù)可導(dǎo)出生成Excel文件，以方便用戶(hù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。試驗(yàn)中溫室外架設(shè)氣象站，主機(jī)系統(tǒng)軟件可以采集氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括空氣溫濕度、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、風(fēng)向和降水量，氣象數(shù)據(jù)1 h保存1次。

3采集數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)地點(diǎn)位于北京市昌平區(qū)特菜大觀園西區(qū)連棟溫室，溫室長(zhǎng)55 m、寬50 m （南北向）、高6.7 m，采用荷蘭Priva公司生產(chǎn)的環(huán)境調(diào)控設(shè)備進(jìn)行溫室環(huán)境調(diào)控。溫室北墻裝有濕簾，溫室南墻裝有多個(gè)風(fēng)扇進(jìn)行換風(fēng)。2016年4月開(kāi)始，共采集了2萬(wàn)余條數(shù)據(jù)。

3.1冠層溫度和根部溫度

從圖7可以看出，10：00—14：30 冠層溫度比番茄根部溫度高3～5 ℃，其他時(shí)間溫度差異在2 ℃左右。

3.2空氣溫度和空氣濕度

2016年5月10日系統(tǒng)采集了第6號(hào)節(jié)點(diǎn)不同高度的空氣溫度和空氣濕度。從圖8可以看出，番茄根部的溫度比冠層和中間部位的溫度低，根部的濕度比冠層和中間部位的濕度大。這主要是因?yàn)榉阎虚g部位和根部番茄枝葉遮擋，造成溫度比冠層稍低。

3.3CO2濃度

上午CO2濃度逐漸減小，這是由于太陽(yáng)照射下，番茄光合作用增強(qiáng)，消耗溫室內(nèi)CO2，溫室內(nèi)CO2濃度減小，此時(shí)可以根據(jù)番茄長(zhǎng)勢(shì)適當(dāng)進(jìn)行CO2增施。夜間00：00左右由于番茄呼吸作用排放CO2，因而CO2濃度增加。

圖10是9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)的CO2 濃度變化情況，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的濃度變化趨勢(shì)基本相同，各個(gè)位置同一時(shí)間CO2 濃度差異范圍在80 μmol/mol以?xún)?nèi)。

3.4光合有效輻射和光照度

茄中間位置光照度稍低于冠層，光合有效輻射和光照度變化趨勢(shì)相同，光照度和光合有效輻射在14：00左右達(dá)到最大值。

個(gè)節(jié)點(diǎn)分布于溫室的不同位置，說(shuō)明該連棟溫室的采光性較均勻。圖12中11：00左右光照度降低是由于此時(shí)云遮擋了太陽(yáng)，光照降低。

4結(jié)論

本研究開(kāi)發(fā)了連棟溫室番茄生長(zhǎng)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程采集連棟溫室番茄生長(zhǎng)環(huán)境因子數(shù)據(jù)。在特菜大觀園西區(qū)連棟溫室內(nèi)，布置了9個(gè)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以定時(shí)采集番茄3個(gè)高度（冠層、中部、根部）溫濕度、2個(gè)高度（冠層、中部）的光照度，冠層光合有效輻射、CO2濃度等信息。結(jié)果表明，夏天除冠層溫度比番茄根部溫度高2～5 ℃外，其余時(shí)間溫度差異較小，溫室內(nèi)CO2濃度差異不大，光照度變化趨勢(shì)相似。通過(guò)該系統(tǒng)在溫室示范基地的試運(yùn)行，表明該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)可靠采集連棟溫室的環(huán)境參數(shù)。

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