陰囯富， 朱創(chuàng)錄

(1.渭南師范學(xué)院大學(xué)科技園/陜西省渭南市智慧城市工程技術(shù)研究中心，陜西渭南 714000； 2.渭南師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)安全與信息化學(xué)院/陜西省渭南市智慧城市工程技術(shù)研究中心，陜西渭南 714000)

植物工廠是通過(guò)設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周期性連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是利用智能計(jì)算機(jī)和電子傳感系統(tǒng)對(duì)植物生長(zhǎng)的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行自動(dòng)控制，使設(shè)施內(nèi)植物的生長(zhǎng)發(fā)育不受或較少受自然條件制約的高效生產(chǎn)方式[1]。植物工廠是現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級(jí)階段，是一種高投入、高技術(shù)、精裝備的生產(chǎn)體系，集生物技術(shù)、工程技術(shù)和系統(tǒng)管理于一體，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從自然生態(tài)束縛中脫離出來(lái)。按計(jì)劃進(jìn)行植物產(chǎn)品生產(chǎn)的工廠化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中應(yīng)用高新技術(shù)成果最具活力和潛力的領(lǐng)域之一，是現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)的典型代表。

植物工廠的發(fā)展已超過(guò)了半個(gè)世紀(jì)，根據(jù)光能的利用方式可分為3種類型，即太陽(yáng)光利用型植物工廠、全人工光利用型植物工廠、太陽(yáng)光和人工光并用的綜合型植物工廠[1]。廣義上來(lái)說(shuō)，一切通過(guò)改變植物的生活環(huán)境的設(shè)施，包括大棚、溫室、種苗繁育箱等都屬于植物工廠概念范疇，目前，通常的分類方法是按照植物生長(zhǎng)中最重要的條件之一光能來(lái)進(jìn)行分類。太陽(yáng)光利用型在我國(guó)有廣泛的應(yīng)用，主要表現(xiàn)形式為精密溫室；太陽(yáng)光和人工光并用的綜合型植物工廠則在歐美較為盛行；全人工光利用型植物工廠又稱為密閉式植物工廠，它是植物工廠發(fā)展的高級(jí)階段，該類型植物工廠大多屬于學(xué)術(shù)上的研究，但也有產(chǎn)業(yè)界發(fā)展的例子，不過(guò)由于其投資及過(guò)程控制成本較高，難以得到全面推廣，但目前隨著LED光源技術(shù)的不斷發(fā)展，LED光源的成本、能量消耗不斷降低以及LED可控光譜的擴(kuò)展，使該類型的植物工廠逐漸被人們所關(guān)注[2]。人工光源的普遍應(yīng)用使植物工廠降低了作物生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境的依賴，保證了產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可控性，然而此種生產(chǎn)方式由于在植物工廠中大量的控制設(shè)備的使用，如果還采用傳統(tǒng)的人工控制方式，可能導(dǎo)致生產(chǎn)效率不能有效提高、控制不精準(zhǔn)等問(wèn)題的出現(xiàn)，因此迫切需要將植物工廠的生產(chǎn)模式和物聯(lián)網(wǎng)的泛在互聯(lián)和全面監(jiān)控技術(shù)結(jié)合起來(lái)，打造新型的自動(dòng)化、智能化的智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。

本研究旨在建立一套適用于植物工廠內(nèi)作物栽培的環(huán)境監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)涉及的硬件包含Web服務(wù)器、可編程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入器、無(wú)線基站、溫度與濕度傳感器、二氧化碳傳感器、酸堿度傳感器、導(dǎo)電度傳感器、荷重元、加濕機(jī)、二氧化碳電磁閥與鋼瓶、人工光源、蠕動(dòng)泵、太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備和集熱裝置等。各項(xiàng)傳感器通過(guò)可編程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入模塊或有線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞給無(wú)線光載交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸，構(gòu)建植物工廠的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。系統(tǒng)軟件可分成Web服務(wù)系統(tǒng)與APP客戶端2個(gè)部分，Web服務(wù)可以通過(guò)無(wú)線基站與可編程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入器通信，負(fù)責(zé)量測(cè)數(shù)據(jù)的獲取、上傳至Web系統(tǒng)、執(zhí)行各項(xiàng)設(shè)備的控制動(dòng)作及與Web系統(tǒng)的同步作業(yè)。由于Web系統(tǒng)提供了便捷的人機(jī)接口，允許用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)來(lái)瀏覽與操作整套系統(tǒng)，當(dāng)用戶對(duì)控制策略或各項(xiàng)設(shè)定值修改時(shí)，即可和主程序維持相同設(shè)定，達(dá)到同步作業(yè)的目的。

1 總體設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)被世界公認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信之后的又一次信息革命浪潮，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用也為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的信息化和產(chǎn)業(yè)化帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇。尤其對(duì)像我國(guó)這樣的農(nóng)業(yè)大國(guó)，智慧農(nóng)業(yè)的應(yīng)用推廣對(duì)加快轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式、提高農(nóng)業(yè)的種植和管理效率、促使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有十分重要的意義[3]。植物工廠由于設(shè)備自動(dòng)化程度高、管理工藝控制精確，特別適合物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行智慧農(nóng)業(yè)的試點(diǎn)應(yīng)用[4]。本系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用的陜西省渭南市智慧農(nóng)業(yè)華州區(qū)試驗(yàn)站建有太陽(yáng)光和人工光并用的綜合型植物工廠，為系統(tǒng)的實(shí)施提供了平臺(tái)基礎(chǔ)，構(gòu)建的這種溫室將低碳節(jié)能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)有機(jī)融合，不僅具有低耗能、高效能、生態(tài)環(huán)保等特點(diǎn)；在功能上，還可同時(shí)進(jìn)行果菜、花卉和種苗的試驗(yàn)、展示與生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)化育苗及智能果蔬栽培、立體栽培模式等的運(yùn)用，構(gòu)成了智慧農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其中控制的核心就是智慧溫室監(jiān)控系統(tǒng)。

植物工廠智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)從層次控制角度可分為數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制層、數(shù)據(jù)傳輸及存儲(chǔ)層、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層3個(gè)層次，植物工廠智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)基本框架見(jiàn)圖1。數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制層負(fù)責(zé)從遍布植物工廠內(nèi)的傳感器獲取環(huán)境信息，為主控機(jī)決策提供數(shù)據(jù)支持，還負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)傳輸與網(wǎng)絡(luò)層獲取控制信息對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制[5]。數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)層負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)采集與控制層采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)融合的方法匯總成滿足以太網(wǎng)傳輸?shù)腅ThernetII格式，并通過(guò)TCP/IP協(xié)議與上層應(yīng)用進(jìn)行通信，另外還負(fù)責(zé)進(jìn)行控制信息的傳輸以及植物工廠內(nèi)部數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及控制過(guò)程的記錄。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層從數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)層獲取植物工廠中的環(huán)境信息，這些環(huán)境信息經(jīng)過(guò)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)進(jìn)行邏輯判別產(chǎn)生設(shè)備的控制信息，并傳遞給網(wǎng)絡(luò)傳輸與存儲(chǔ)層實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制，通過(guò)Web平臺(tái)進(jìn)行環(huán)境信息的展示及手動(dòng)控制接口的實(shí)現(xiàn)。智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括5個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，分別為環(huán)境控制、營(yíng)養(yǎng)液控制、太陽(yáng)能發(fā)電、太陽(yáng)能集熱、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)。

1.1 溫室環(huán)境控制系統(tǒng)

溫室環(huán)境控制系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)備(包括室外氣象站、室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)采集器)、控制器及主控機(jī)組成[6-8]。安裝在現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境數(shù)據(jù)采集器、控制器、主控機(jī)及室外氣象站之間采用可編程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入器、無(wú)線基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。主控機(jī)與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器及Web應(yīng)用服務(wù)器之間通過(guò)以太網(wǎng)或光纖進(jìn)行互聯(lián)[9]。

主控機(jī)自帶數(shù)據(jù)庫(kù)，可以將采集的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行本地保存，本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器可以根據(jù)用戶設(shè)置進(jìn)行同步。同時(shí)，主控機(jī)上安裝有自控程序，可根據(jù)室內(nèi)采集器及室外氣象站獲取的環(huán)境參數(shù)以及用戶配置的相關(guān)閾值，按照既定的控制邏輯模型進(jìn)行控制計(jì)算，并對(duì)控制器發(fā)送控制指令。控制器通過(guò)接收主控機(jī)發(fā)出的控制指令，來(lái)控制相關(guān)繼電器的閉合，進(jìn)而對(duì)環(huán)境控制設(shè)備(天窗、內(nèi)外遮陽(yáng)、側(cè)窗、濕簾風(fēng)機(jī)、高壓霧噴等)進(jìn)行控制。通過(guò)主控機(jī)還可以設(shè)置主控機(jī)的工作參數(shù)，配置采集設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

1.2 營(yíng)養(yǎng)液控制系統(tǒng)

與環(huán)境控制系統(tǒng)相似，營(yíng)養(yǎng)液控制系統(tǒng)基于采集器、控制器及主控機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間采用無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)為采集器配置不同的傳感器來(lái)采集營(yíng)養(yǎng)液液位、溶解氧量、pH值及EC值等相關(guān)參數(shù)，采集數(shù)據(jù)傳輸至主控機(jī)，主控機(jī)根據(jù)既定的營(yíng)養(yǎng)液控制模型進(jìn)行計(jì)算，并向控制器發(fā)送控制指令?？刂破鹘邮芸刂浦噶詈?，控制配電柜中相關(guān)繼電器的閉合，進(jìn)而控制相關(guān)營(yíng)養(yǎng)液控制設(shè)備(如營(yíng)養(yǎng)液配液電磁閥、營(yíng)養(yǎng)液純水電磁閥、紫外線消毒器等)。

1.3 太陽(yáng)能光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

公共電網(wǎng)正常時(shí)，太陽(yáng)能微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的全部光伏發(fā)電能被優(yōu)先使用，同時(shí)作為備用能量源的蓄電池始終處于充滿狀態(tài)，多余光伏發(fā)電可以饋向公共電網(wǎng)。通過(guò)雙向逆變器，蓄電池可以接入公共電網(wǎng)中，雙向逆變器工作在交流充電器模式，確保蓄電池始終處于充滿狀態(tài)。當(dāng)公共電網(wǎng)停電時(shí)，太陽(yáng)能微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池向主控機(jī)提供電能，并通過(guò)主控機(jī)向用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，此時(shí)主控機(jī)處于節(jié)能模式，停止具有較低優(yōu)先級(jí)的設(shè)備工作，以達(dá)到節(jié)能的目的。

1.4 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集太陽(yáng)熱能，實(shí)現(xiàn)植物工廠內(nèi)部的營(yíng)養(yǎng)液溫度控制需求，在能量供應(yīng)充足的情況下，也可作為植物工程內(nèi)部溫度控制的熱源之一。太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)能集熱器、太陽(yáng)能儲(chǔ)熱水箱、循環(huán)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、智能監(jiān)控顯示系統(tǒng)等。

1.5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在生產(chǎn)區(qū)、走廊、附屬作物定植間、包裝間等根據(jù)需要設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)視頻采集的無(wú)死角全面覆蓋，在監(jiān)控中心通過(guò)攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室以及周圍環(huán)境的全方位監(jiān)測(cè)。

2 關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)

植物工廠環(huán)境控制系統(tǒng)涉及到傳感器、網(wǎng)絡(luò)傳輸、機(jī)電控制以及計(jì)算機(jī)信息處理等諸多方面。本研究以植物工廠環(huán)境數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)，通過(guò)Web端或手機(jī)APP進(jìn)行監(jiān)視并通過(guò)手動(dòng)或者自動(dòng)的方法發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)植物工廠環(huán)境及生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。在植物工廠中，影響作物生長(zhǎng)的環(huán)境因子很多，但影響作物生長(zhǎng)的主要因素是溫度、濕度、營(yíng)養(yǎng)液濃度以及光照強(qiáng)度，因此該設(shè)計(jì)以這幾個(gè)方面的參數(shù)作為監(jiān)控重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)植物工廠溫室內(nèi)溫濕度、營(yíng)養(yǎng)液濃度、關(guān)照強(qiáng)度數(shù)據(jù)的采集與控制以及太陽(yáng)能的綜合利用等功能。

2.1 網(wǎng)絡(luò)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)見(jiàn)圖2，通過(guò)遍布植物工廠室內(nèi)和室外的傳感器，動(dòng)態(tài)感知環(huán)境信息，包括環(huán)境溫度、環(huán)境相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度、大氣壓力、風(fēng)速、風(fēng)向、降水量、水面蒸發(fā)、葉面濕度、日照時(shí)數(shù)、光照度、太陽(yáng)總輻射、光合有效輻射、紫外線輻射等，通過(guò)可編程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入器匯集信息并傳遞給無(wú)線AP，在有布線條件的區(qū)域可以通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，在無(wú)布線的臨時(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域通過(guò)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)接入，并最終將匯集信息傳遞給主控機(jī)。主控機(jī)的功能包括：通過(guò)光載無(wú)線接入技術(shù)，將多種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合接入，實(shí)現(xiàn)在不同植物工廠網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)差異化較大情況下的無(wú)障礙接入，既可以實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)的多機(jī)溫室群組的網(wǎng)絡(luò)控制，又可以直接接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)Web網(wǎng)站發(fā)布，可以通過(guò)普通電腦或者手機(jī)APP客戶端遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)溫室遠(yuǎn)程全智能控制系統(tǒng)的控制理念，通過(guò)簡(jiǎn)便的用戶接口實(shí)現(xiàn)智能溫室內(nèi)部和外部環(huán)境的全覆蓋動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

監(jiān)控系統(tǒng)不但實(shí)現(xiàn)了環(huán)境信息的采集、分析、顯示，并以動(dòng)態(tài)折線圖的形式顯示出來(lái)，而且主控機(jī)內(nèi)部嵌入的專家系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素參數(shù)的動(dòng)態(tài)控制。監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程見(jiàn)圖3。采集和控制功能主要包括以下幾個(gè)方面：(1)主控機(jī)通過(guò)室外氣象站獲取室外環(huán)境的空氣溫度信息、空氣濕度信息、光照信息、風(fēng)向信息、風(fēng)速信息、雨量信息、雨雪信息、光照信息；主控機(jī)對(duì)接收到的室外環(huán)境信息進(jìn)行解析后，將室外環(huán)境信息保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，并顯示在主控機(jī)的顯示屏上。(2)采集器獲取室內(nèi)環(huán)境的空氣溫濕度信息、營(yíng)養(yǎng)液相關(guān)信息、輻射信息、CO2濃度信息，并將該信息發(fā)送給主控機(jī)；主控機(jī)對(duì)接收到的室內(nèi)環(huán)境信息進(jìn)行既定模型分析，根據(jù)分析結(jié)果生成對(duì)應(yīng)的控制命令，并將控制命令發(fā)送給各區(qū)域的控制器，控制對(duì)應(yīng)受控設(shè)備動(dòng)作。(3)用戶可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)溫室控制系統(tǒng)訪問(wèn)Web服務(wù)器，對(duì)溫室內(nèi)外的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)備控制。(4)主控機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器相連接，將環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)作為歷史記錄數(shù)據(jù)保存。(5)主控機(jī)里面的專家數(shù)據(jù)智能判決系統(tǒng)根據(jù)采集到的環(huán)境信息控制營(yíng)養(yǎng)液蠕動(dòng)泵、自動(dòng)加濕、光照補(bǔ)償以及太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)自動(dòng)溫度調(diào)劑。

2.2 營(yíng)養(yǎng)液控制系統(tǒng)

營(yíng)養(yǎng)液控制模塊由主控機(jī)、通信模塊、系統(tǒng)控制箱、DFT模式控制單元等部分組成，設(shè)置供液、攪拌、檢測(cè)、配液、液位檢測(cè)控制以及溶氧量檢測(cè)及增氧、移動(dòng)式液溫檢測(cè)、營(yíng)養(yǎng)液加溫/降溫功能，以滿足植物全生長(zhǎng)期對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的需求(圖4)。

在營(yíng)養(yǎng)液控制模塊中，采集器獲取營(yíng)養(yǎng)液池的液位信息、溶解氧信息、pH值信息、EC值信息、流量信息，發(fā)給主控機(jī)；主控機(jī)接收到營(yíng)養(yǎng)液池的信息后，在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并利用營(yíng)養(yǎng)液控制模型進(jìn)行計(jì)算，生成控制指令。主控機(jī)將控制指令發(fā)送給控制器，進(jìn)而控制受控設(shè)備(母液閥、凈水閥、pH調(diào)節(jié)閥、循環(huán)泵、攪拌泵、液氧泵)動(dòng)作。

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器與主控機(jī)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行同步，一方面對(duì)采集的營(yíng)養(yǎng)液參數(shù)進(jìn)行備份，另一方面Web服務(wù)器通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的訪問(wèn)實(shí)現(xiàn)對(duì)營(yíng)養(yǎng)液參數(shù)的讀?。煌瑫r(shí)Web服務(wù)器可直接對(duì)主控機(jī)發(fā)送控制命令。主要控制包括以下幾個(gè)方面。

2.2.1 供液 水培床采用定時(shí)控制及專家系統(tǒng)智能判決2種模式。在定時(shí)控制工作模式中每次供液時(shí)間和間隔可自由設(shè)置；在專家系統(tǒng)智能判決模式中根據(jù)作物的生長(zhǎng)特性由專家系統(tǒng)內(nèi)控參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行供液，其判決信息來(lái)源于水培床中的傳感器。執(zhí)行供液程序時(shí)，為防止沉淀，先進(jìn)行一定時(shí)間攪拌后開始供液。營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)由儲(chǔ)液池、供液泵、供液電池閥、供液管道進(jìn)入水培床，利用新液換出陳液后，經(jīng)過(guò)回液管道進(jìn)入儲(chǔ)液池。

2.2.2 營(yíng)養(yǎng)液調(diào)配 營(yíng)養(yǎng)液調(diào)配系統(tǒng)設(shè)計(jì)共有4個(gè)母液罐，分別為A液、B液、酸液、堿液。A、B液體是含有不同離子的母液，用于調(diào)整營(yíng)養(yǎng)液中的EC值，酸液和堿液則用來(lái)調(diào)整營(yíng)養(yǎng)液中的pH值。營(yíng)養(yǎng)液調(diào)配采用PWM技術(shù)，由中控機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作完成。當(dāng)EC值低于設(shè)定值下限時(shí)，A、B原液經(jīng)雙腔計(jì)量泵聯(lián)動(dòng)同時(shí)等量施加，當(dāng)EC值高于設(shè)定上限時(shí)，補(bǔ)水電磁閥打開，補(bǔ)入清水。酸堿液則按照pH值的要求，分別通過(guò)酸堿液電磁閥控制，采用液面高度差自流。

2.2.3 液溫及增氧控制 液溫控制主要是保障營(yíng)養(yǎng)液溫度滿足植物健康生產(chǎn)的溫度要求，主要包括溫度傳感器、冷卻裝置、加熱器，在實(shí)施過(guò)程中采用2個(gè)獨(dú)立的PT1000溫度傳感器，其中1個(gè)溫度傳感器放置在營(yíng)養(yǎng)液池中，另外1個(gè)是可移動(dòng)溫度傳感器，用于監(jiān)測(cè)水培床內(nèi)部的營(yíng)養(yǎng)液溫度。當(dāng)溫度超出閾值的時(shí)候自動(dòng)開啟溫度控制裝置進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。

在水培營(yíng)養(yǎng)液供液系統(tǒng)中為了防止外界病原菌進(jìn)入營(yíng)養(yǎng)液，水培床、液體池供給管路等都采用了封閉處理，這種方式阻礙了營(yíng)養(yǎng)液與大氣之間的氧氣交換，造成了營(yíng)養(yǎng)液中氧氣相對(duì)含量較低，因此還必須采用增氧裝置。水培床中氧氣含量的數(shù)值由溶解氧DO傳感器獲取，作為判斷是否開啟增氧機(jī)的依據(jù)。

2.2.4 液位控制 液位控制分為3級(jí)傳感器采集數(shù)據(jù)，分別是高位傳感器、中位傳感器、低位傳感器。當(dāng)頁(yè)面高度達(dá)到高位傳感器位置時(shí)關(guān)閉液體供給并發(fā)出報(bào)警信息；當(dāng)液面高度低于中位傳感器最低值時(shí)，開始給液體池供給液體，液體補(bǔ)充達(dá)到中位傳感器上限時(shí)自動(dòng)停止液體補(bǔ)充；當(dāng)頁(yè)面?zhèn)鞲衅鞯陀诘臀粋鞲衅魑恢玫臅r(shí)候進(jìn)行液體補(bǔ)充并發(fā)出報(bào)警信息。

2.2.5 安全報(bào)警控制 營(yíng)養(yǎng)液控制系統(tǒng)是植物工廠生產(chǎn)控制的核心，其安全性直接關(guān)系到整個(gè)植物工廠生產(chǎn)的安全性，因此必須采取可靠有效的手段進(jìn)行安全控制，有效避免因系統(tǒng)故障造成事故或?qū)χ参锷L(zhǎng)造成損壞。主要包括以下幾個(gè)方面的報(bào)警控制。

2.2.5.1 中控機(jī)報(bào)警 造成中控機(jī)報(bào)警的主要原因是營(yíng)養(yǎng)液中控制因子超出專家系統(tǒng)設(shè)置的預(yù)警值，如溫度上下限，pH值上下限，EC值上下限等原因，這些參數(shù)在正常生產(chǎn)過(guò)程中是通過(guò)自動(dòng)控制進(jìn)行的，但可能因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)故障或者傳感器故障等問(wèn)題造成控制失效，因此必須通過(guò)中控機(jī)進(jìn)行及時(shí)預(yù)警，預(yù)警信息可以在植物工廠內(nèi)部通過(guò)報(bào)警音提示告知管理者，也可以通過(guò)服務(wù)器向管理員手機(jī)發(fā)送預(yù)警信息。

2.2.5.2 設(shè)備安全報(bào)警 出現(xiàn)設(shè)備安全的報(bào)警情況，主要為設(shè)備或執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)了不正常的工作狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備安全報(bào)警時(shí)，控制箱的紅色報(bào)警燈點(diǎn)亮并發(fā)出報(bào)警的聲音。為防止事故發(fā)生和設(shè)備損壞，安全報(bào)警的同時(shí)，系統(tǒng)和相應(yīng)設(shè)備停止工作。設(shè)備安全報(bào)警分類如下：(1)低液位報(bào)警。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)液位低于低位傳感器時(shí)報(bào)警。此時(shí)，除了補(bǔ)水之外，其他設(shè)備暫停工作。(2)制冷機(jī)組保護(hù)報(bào)警。當(dāng)制冷機(jī)組故障或相應(yīng)熱繼電器電流過(guò)大時(shí)報(bào)警。此時(shí)制冷機(jī)組不工作，處于保護(hù)狀態(tài)。(3)攪拌機(jī)保護(hù)報(bào)警。當(dāng)攪拌機(jī)故障或相應(yīng)熱繼電器電流過(guò)大時(shí)報(bào)警。此時(shí)攪拌機(jī)不工作，處于保護(hù)狀態(tài)。(4)電源斷相保護(hù)報(bào)警。當(dāng)電源斷相時(shí)報(bào)警，同時(shí)切斷控制電源，系統(tǒng)停止運(yùn)行。除以上各項(xiàng)保護(hù)外，控制箱內(nèi)對(duì)系統(tǒng)各分支均設(shè)有相對(duì)獨(dú)立的電源開關(guān)，當(dāng)運(yùn)行電流過(guò)大或者短路時(shí)，將迅速切斷相應(yīng)電源，以保護(hù)人身和設(shè)備安全。

2.3 太陽(yáng)能光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

將太陽(yáng)能光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與市電網(wǎng)相結(jié)合，太陽(yáng)能光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行植物工廠內(nèi)部的能量供應(yīng)，由于天氣等原因，太陽(yáng)能光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)供電不足時(shí)自動(dòng)切換到市電能量供給。通過(guò)中控機(jī)對(duì)太陽(yáng)能光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制，從圖5可以看出，根據(jù)光照強(qiáng)度、日照長(zhǎng)度可以適量開啟LED光源補(bǔ)充，以營(yíng)造適合植物生長(zhǎng)的光照條件，使能量消耗大幅度降低。另外，太陽(yáng)能光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)LED進(jìn)行直流電充電還具能量損耗小的特點(diǎn)，可以提高在電力供應(yīng)中的能量損失。太陽(yáng)能光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有電池模塊，作為在停電服務(wù)器的UPS(不間斷供電系統(tǒng))使用，可及時(shí)向管理員發(fā)送停電預(yù)警信息并保持關(guān)鍵設(shè)備在應(yīng)急期的正常運(yùn)行。

2.4 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)是綜合利用太陽(yáng)能的另外一種手段，在陽(yáng)光的照射下使太陽(yáng)的光能充分轉(zhuǎn)化為熱能，通過(guò)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制循環(huán)泵或電磁閥等功能部件將系統(tǒng)采集到的熱量傳輸?shù)絻?chǔ)水保溫水箱中，把儲(chǔ)水保溫水箱中的水加熱并成為比較穩(wěn)定的定量能源供應(yīng)[10]。

植物工廠部署的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)采用強(qiáng)制循環(huán)工作方式，從圖6可以看出，在陽(yáng)光的照射下，集熱器內(nèi)的水受太陽(yáng)輻射能加熱，溫度逐步升高，一旦集熱器出口水溫和儲(chǔ)水箱底部水溫之間的溫差達(dá)到設(shè)定值時(shí)，溫差控制器給出信號(hào)，啟動(dòng)循環(huán)泵；夜晚太陽(yáng)輻照度降低，當(dāng)集熱器出口處水溫和儲(chǔ)水箱底部水溫之間的溫差達(dá)到一定設(shè)定值時(shí)，溫差控制器給出信號(hào)，關(guān)閉循環(huán)泵。循環(huán)泵的開啟和關(guān)閉信號(hào)來(lái)自于主控機(jī)的控制信號(hào)，一般設(shè)定開啟循環(huán)泵的溫度差值為8～10 ℃，關(guān)閉循環(huán)泵的溫度差為2～3 ℃。

2.5 控制軟件

軟件部分通過(guò)與軟件公司合作進(jìn)行了定制開發(fā)，是以上部分控制功能的用戶界面的操作接口，也是自動(dòng)控制的參數(shù)配置接口，主要包括Web端的服務(wù)管理以及移動(dòng)端的服務(wù)管理2個(gè)部分。Web端的服務(wù)界面見(jiàn)圖7，主要包含手動(dòng)控制、自動(dòng)控制、監(jiān)控走勢(shì)分析、遠(yuǎn)程測(cè)試、歷史數(shù)據(jù)、操作日志等功能，另外還可以通過(guò)Web端實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的配置和管理員的后臺(tái)管理功能。遠(yuǎn)程傳感器參數(shù)及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的手動(dòng)調(diào)試和配置見(jiàn)圖8。

3 結(jié)論

針對(duì)以植物工廠為代表的智慧設(shè)施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化管理需求，研究設(shè)計(jì)了一套能夠進(jìn)行智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綜合智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物工廠生產(chǎn)管理的智能化、集約化。本研究設(shè)計(jì)是基于陜西省渭南市華州區(qū)智慧農(nóng)業(yè)植物試點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行的，通過(guò)建立物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)感應(yīng)和控制系統(tǒng)，促進(jìn)了精細(xì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境控制和過(guò)程控制的精細(xì)化，系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠滿足現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性，降低植物工廠生產(chǎn)模式中的能源消耗成本，提高生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，為品質(zhì)作物的量化生產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)化管理提供平臺(tái)保障。