曹 亮，孫 聰，史志明，陳 賢，張昊鵬

(成都市農(nóng)林科學(xué)院，成都 611130 )

0 引言

設(shè)施農(nóng)業(yè)通過整合各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素，形成資金、技術(shù)和勞動(dòng)力密集的新型產(chǎn)業(yè)，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分[1-2]。設(shè)施農(nóng)業(yè)以人工建造的設(shè)施為基礎(chǔ)，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)擺脫了自然條件的束縛，農(nóng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)反季節(jié)上市，滿足了多元化和多層次的消費(fèi)需求[3]。另外，設(shè)施農(nóng)業(yè)進(jìn)行程序化生產(chǎn)，可以提高土地、資源利用率，以及勞動(dòng)生產(chǎn)效率，打破了資源環(huán)境的制約，對(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[4]。設(shè)施農(nóng)業(yè)在我國(guó)發(fā)展迅速，已從最初的塑料大棚和小型溫室轉(zhuǎn)變到了現(xiàn)代化大型溫室和植物工廠等形式，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位日益提升。

設(shè)施農(nóng)業(yè)的本質(zhì)是人工構(gòu)建可控的環(huán)境，保證了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)按照預(yù)設(shè)的程序進(jìn)行，從而獲得理想的產(chǎn)量和效果。因此，設(shè)施農(nóng)業(yè)中的環(huán)境便成為最重要的因素，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)和控制是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。設(shè)施農(nóng)業(yè)的環(huán)境包括農(nóng)產(chǎn)品所處的氣象、土壤、水分和生物群落等外部條件，且由于種群內(nèi)的相互影響，農(nóng)產(chǎn)品本身也是環(huán)境的組成部分。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)控方法是由人工現(xiàn)場(chǎng)觀察，記載相關(guān)的環(huán)境因子數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)評(píng)估農(nóng)產(chǎn)品的生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài)并進(jìn)行控制操作。不同人員的主觀感受和知識(shí)經(jīng)驗(yàn)之間存在差異，因此監(jiān)控精確度不高、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，無(wú)法滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式不斷創(chuàng)新的需求[5]。

物聯(lián)網(wǎng)也被稱為傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可把各種傳感器、信息處理器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合成一個(gè)有機(jī)整體，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行智能識(shí)別和精準(zhǔn)管理[6]。物聯(lián)網(wǎng)將遠(yuǎn)程感知、傳輸、智能決策和控制功能集于一身，是互聯(lián)網(wǎng)延伸出的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)的基本構(gòu)架包括3個(gè)層次：一是信息感知層，由傳感器節(jié)點(diǎn)感知目標(biāo)因子，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上；二是應(yīng)用管理層，可以接受、存儲(chǔ)和分析信息感知層獲取的數(shù)據(jù)，并發(fā)出操作指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；三是信息傳輸層，以互聯(lián)網(wǎng)作為橋梁將上述兩個(gè)層次鏈接起來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的互通。

物聯(lián)網(wǎng)從誕生起便廣泛應(yīng)用于包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，是提高整體生產(chǎn)效率的重要手段。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中利用傳感器檢測(cè)環(huán)境因子的參數(shù)，通過智能控制優(yōu)化農(nóng)產(chǎn)品的生長(zhǎng)條件，可以保證農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，提高資源利用率，降低生產(chǎn)成本[7]。早在2002年，美國(guó)首次應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)葡萄園的土壤溫濕度和有害物劑量，促進(jìn)葡萄實(shí)現(xiàn)豐收[8]。

在誕生之初，物聯(lián)網(wǎng)主要用于對(duì)數(shù)據(jù)的采集、展示和分析，后來(lái)演化到利用專家系統(tǒng)的科學(xué)分析和決策，拓展了物聯(lián)網(wǎng)的功能[9]。郭理等根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)模型，進(jìn)行了畜禽養(yǎng)殖環(huán)境控制系統(tǒng)的開發(fā)，可以有效改善畜禽的養(yǎng)殖環(huán)境[10]。張恩迪等基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)了一套農(nóng)田信息采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蟲害的智能化的監(jiān)控[11]。另外，物聯(lián)網(wǎng)還可以作為環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)的推廣普及提供保障[12-13]。

設(shè)施農(nóng)業(yè)是設(shè)備和技術(shù)密集型的生產(chǎn)模式，整個(gè)系統(tǒng)中安裝大量的傳感器，因此適宜利用物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控。張開生等通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)大棚作物生長(zhǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，具有較高的實(shí)用性和可靠性[14]。王君君等利用物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議將各種設(shè)備連接在一起，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、簡(jiǎn)單實(shí)用，能夠完成對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控[15]。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)農(nóng)業(yè)設(shè)施群的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。工作時(shí)，傳感器采集環(huán)境信息，經(jīng)過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理器，分析后發(fā)出操作指令，使各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)保持在設(shè)定的范圍內(nèi)以保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

1 總體設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由信息感知層、信息傳輸層和應(yīng)用管理層3個(gè)部分組成，如圖1所示。信息感知層布署在需要監(jiān)控的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，包括各型傳感器用于監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)信息，操作執(zhí)行裝置用于控制環(huán)境條件。傳感器采集的數(shù)據(jù)信息匯聚到路由節(jié)點(diǎn)，通過信息傳輸層的ZigBee無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸給應(yīng)用管理層。應(yīng)用管理層包括處理器和存儲(chǔ)器，可以接收數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行分析和存儲(chǔ)，然后根據(jù)分析的結(jié)果形成控制指令。控制指令經(jīng)過無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)傳回信息感知層，驅(qū)動(dòng)操作執(zhí)行裝置進(jìn)行相應(yīng)的控制操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境因子的調(diào)節(jié)。

圖1 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of environmental monitoring system

2 組成部分

以農(nóng)業(yè)溫室作為設(shè)施平臺(tái)，所安裝的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)具有對(duì)溫度、光照強(qiáng)度、土壤含水量和蟲害的監(jiān)測(cè)和控制功能。各個(gè)功能在信息感知層上對(duì)應(yīng)的傳感器和控制裝置不同，但使用共同的信息傳輸層和應(yīng)用管理層。

2.1 信息感知層

JCJ109型傳感器用于采集溫室內(nèi)的溫度，武漢中科能慧NHZD10型傳感器用于采集光照強(qiáng)度，SWR-100型傳感器用于采集土壤的含水量，DATA-LYNX型計(jì)數(shù)傳感器通過昆蟲飛行撞擊產(chǎn)生的脈沖信號(hào)記錄害蟲數(shù)量。這些傳感器采集的環(huán)境信息由AD6673型模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)碼信號(hào)后匯聚到路由節(jié)點(diǎn)。所有的傳感器都采用標(biāo)準(zhǔn)的RTU通訊協(xié)議，支持RS232和RS485輸出接口。

當(dāng)溫室中的溫度、光照強(qiáng)度、土壤含水量和害蟲數(shù)量超過設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)便啟動(dòng)執(zhí)行裝置，對(duì)環(huán)境進(jìn)行控制。當(dāng)溫度過高時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)扇通風(fēng)降溫；溫度過低時(shí)，則啟動(dòng)加熱器。當(dāng)光照強(qiáng)度過低時(shí)，啟動(dòng)植物補(bǔ)光燈；光照強(qiáng)度過高時(shí)，則展開遮陽(yáng)網(wǎng)。當(dāng)土壤含水量過低時(shí)，通過GAG型多用途電磁閥開啟出水口，灌跑馬水使其自然落干。出水口上安裝DN150型水表，精確記錄灌溉量。當(dāng)監(jiān)測(cè)到害蟲數(shù)量超過閾值時(shí)，開啟云飛YF-WL-40型殺蟲燈，利用機(jī)械振頻式高壓電網(wǎng)殺蟲。操作執(zhí)行裝置由電磁閥、繼電器和步進(jìn)電機(jī)控制開啟或關(guān)閉，控制指令來(lái)自于路由節(jié)點(diǎn)，通過DAC7631E型數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為可以識(shí)別的模擬信號(hào)，信息感知層的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 信息感知層的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of information sense layer

2.2 信息傳輸層

信息傳輸層將信息感知層采集的信息傳輸給應(yīng)用管理層，同時(shí)將控制指令反向傳輸，是二者之間連接的橋梁。有線傳輸需要鋪設(shè)線路，會(huì)增加農(nóng)業(yè)設(shè)施的復(fù)雜程度，維護(hù)成本也較高，因此采用無(wú)線傳輸?shù)姆绞?。在WiFi、藍(lán)牙和ZigBee這3種常用的無(wú)線通信方式中選擇ZigBee技術(shù)，其通信距離較遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)。ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)采用樹形組網(wǎng)的方式，每個(gè)端口通過4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與20個(gè)信息感知終端連接。通信的基站為固定式，可以接收4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)發(fā)送給應(yīng)用管理層，信號(hào)的有效距離達(dá)到5km，足夠覆蓋整個(gè)溫室區(qū)域。路由節(jié)點(diǎn)將匯聚的數(shù)據(jù)信息傳輸給ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，ZigBee節(jié)點(diǎn)自行選擇優(yōu)化的通信路徑將信息傳輸給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，最終到達(dá)應(yīng)用管理層。

2.3 應(yīng)用管理層

應(yīng)用管理層的計(jì)算機(jī)為聯(lián)想揚(yáng)天4000型臺(tái)式電腦，配置Intel i7中央處理器、16G內(nèi)存、2T硬盤和LS2223WC型顯示器，利用USB2.0接口進(jìn)行連接，如圖3所示。安裝的軟件為Windows10操作系統(tǒng)，能在操作界面上實(shí)時(shí)顯示采集的數(shù)據(jù)，并對(duì)系統(tǒng)參數(shù)和執(zhí)行裝置的啟動(dòng)閾值進(jìn)行設(shè)定。處理器為聯(lián)想X3550 M5型服務(wù)器，配置16GB的DDR4內(nèi)存和300GB硬盤，可以根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)對(duì)采集的信息進(jìn)行分析，形成專家決策和控制指令。處理器還存儲(chǔ)系統(tǒng)采集的所有信息和專家綜合數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，綜合數(shù)據(jù)庫(kù)是數(shù)據(jù)信息的推理過程和計(jì)算公式，知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是農(nóng)產(chǎn)品生長(zhǎng)規(guī)律、養(yǎng)分需求量和病蟲害發(fā)生規(guī)律等信息。農(nóng)業(yè)設(shè)施的管理人員可通過移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)在手機(jī)等移動(dòng)終端上遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)信息，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和狀態(tài)控制。當(dāng)監(jiān)測(cè)到的環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常， 長(zhǎng)時(shí)間偏離設(shè)定值的情況下， 處理器啟動(dòng)溫室的報(bào)警裝置，并向移動(dòng)終端發(fā)出提示短信。

圖3 應(yīng)用管理層的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of application and management layer

3 功能測(cè)試

溫室中種植茄子、辣椒、黃瓜和西紅柿4種蔬菜，利用基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)進(jìn)行溫度、光照強(qiáng)度、土壤含水量和害蟲數(shù)量的監(jiān)控，并測(cè)試系統(tǒng)的功能。根據(jù)各蔬菜的最適生長(zhǎng)條件設(shè)定環(huán)境因子的閾值，然后記載系統(tǒng)監(jiān)控所獲得的實(shí)際值。測(cè)試的結(jié)果如表1所示。

表1 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)試效果Table 1 Testing effect of environmental monitoring system

由表1可知：系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)定值對(duì)溫室內(nèi)的溫度、光照強(qiáng)度、土壤含水量和害蟲數(shù)量進(jìn)行準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)和控制，各環(huán)境因子都維持在蔬菜最適合的生長(zhǎng)條件范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)農(nóng)業(yè)設(shè)施群的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，由信息感知層、信息傳輸層和應(yīng)用管理層3個(gè)部分組成。其中，信息感知層監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)，通過信息傳輸層的ZigBee無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸給應(yīng)用管理層；應(yīng)用管理層接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析和存儲(chǔ)，然后根據(jù)分析的結(jié)果形成控制指令，驅(qū)動(dòng)操作執(zhí)行裝置進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。在溫室中利用該系統(tǒng)對(duì)4種蔬菜種植環(huán)境中的溫度、光照強(qiáng)度、土壤含水量和害蟲數(shù)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，能夠根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)和控制，各環(huán)境因子都維持在蔬菜最適的生長(zhǎng)條件范圍內(nèi)。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)可以應(yīng)用在設(shè)施農(nóng)業(yè)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精確控制。