孫瑞娟黨曉圓楊佳義

(1.山西農(nóng)業(yè)大學，山西 晉中 030800；2.重慶移通學院，重慶 401520)

引言

物聯(lián)網(wǎng)的興起與發(fā)展只有短短30a，但是“物物相連”的概念與關鍵技術的應用卻已遍布各行各業(yè)。隨著信息農(nóng)業(yè)、精準農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)的不斷升級，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應用也逐漸升溫。在最近的2021(天津)中國工程農(nóng)業(yè)傳感器國際高峰論壇上，羅錫文院士、趙春江院士、李德毅院士等國內(nèi)外知名學者就AI技術、無人機技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、大數(shù)據(jù)與云計算等先端科技在農(nóng)業(yè)上的研究與應用發(fā)表了高水平報告，再次突出“物物相連”的物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的重要作用。

物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術在大田農(nóng)業(yè)中的作用主要表現(xiàn)在對土壤環(huán)境、肥料情況和作物長勢的監(jiān)控中，通過相應的傳感器和圖像成型技術傳回大田及其作物的各項參數(shù)，在后臺服務器中進行觀測，極大地方便了觀測者和研究者。但是，溫室是不同于大田生產(chǎn)的一種人工干預較多的農(nóng)業(yè)作業(yè)模式，其內(nèi)部的土壤環(huán)境、微氣候、作物長勢等都可以人為改變或干預，從而影響最終的作物產(chǎn)出結果。特別是植物工廠概念提出并實施以后，溫室已經(jīng)成為植物工廠的最佳廠房，其微氣候的變化更是直接關聯(lián)產(chǎn)出效率和效益。

本文對溫室中微氣候(主要為光照強度、溫度、濕度、CO2濃度)的相關參數(shù)進行研究，結合山西的地理特色進行分析，并提出相應的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設計方案。

1 溫室微氣候概述

溫室誕生較為久遠，縱觀其發(fā)展可以分成2個大階段。第1個階段是從溫室產(chǎn)生到20世紀70年代，歐洲國家擁有世界上絕大多數(shù)的溫室，荷蘭的玻璃溫室面積更是超過100萬m2；第2階段為20世紀70年代至今，溫室面積急劇增加，尤其是我國溫室已占世界溫室面積的50%以上，成為了世界上最大溫室蔬菜產(chǎn)地。

溫室的微氣候隨著溫室種類、材料的發(fā)展變化也非常大。微氣候中的光照強度受溫室材料的透光性、季節(jié)性日照時長和強度的影響較大，人為可控性較小。溫室內(nèi)溫度受季節(jié)和光照強度影響較大，但是可以人為覆蓋保溫層、增加供熱來調(diào)節(jié)。微氣候中的濕度隨著光照強度、室內(nèi)溫度、植物呼吸作用、土壤含水量的變化而復雜變化。植物的氣肥CO2則可以人為增加或減少。此外，還有溫室中的通風量，其風速、風力變化雖然微弱，但也屬于微氣候的一個參數(shù)。可見，溫室微氣候研究涉及學科多、機理復雜，各個參數(shù)間既有耦合情況又有獨立變化的可能，建立數(shù)學模型較難。

為了更好地調(diào)控溫室微氣候，使之實現(xiàn)經(jīng)濟利益最大化，學者們引入工程技術——物聯(lián)網(wǎng)，進行參數(shù)的感知和觀測，最大限度地將復雜問題簡單化。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計思路

由于常規(guī)化布控溫濕度和二氧化碳傳感器所需節(jié)點較多，網(wǎng)關設置較為復雜，對溫室的供電能力有一定的要求，因此本設計受張慶雷的可移動式溫室監(jiān)測系統(tǒng)啟發(fā)，將溫濕度、CO2濃度傳感器集成在一個履帶巡檢機器人上，其探測端可以自由伸縮。在溫室中布控少量網(wǎng)關，通過LoRa通信技術傳輸感應數(shù)據(jù)，最后傳送至后臺服務器。溫室內(nèi)的路徑較為簡單，巡檢機器人可以根據(jù)輔助節(jié)點法規(guī)劃行走路線，機身裝有專用高清攝像頭完成植物圖像的記錄，通過嵌入式系統(tǒng)傳到后臺服務器。至此，完成巡檢任務。具體設計框架如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設計框圖

巡檢結束后，后臺服務器通過大數(shù)據(jù)分析技術完成微氣候中各項參數(shù)的分析，再輸出給自動控制裝置，從而實現(xiàn)溫室微氣候的自動化調(diào)節(jié)過程。設計方案如圖2所示。

圖2 溫室自動控制系統(tǒng)

3 集成傳感器設計

3.1 溫濕度傳感器的選擇

對于不同的溫室作物可以選擇精度不同的溫濕度傳感器。溫濕度傳感器最好支持熱拔插更換，方便檢修和維護，也便于不同的溫室采用。高端的溫濕度傳感器可以選擇IRTT201S-46紅外溫度變送器(僅限于測溫)，其工作溫度為60℃，工作電流4～20mA，可以直接接在220V交流電源上。主要優(yōu)點在于紅外非接觸式測溫，毫秒級響應和連續(xù)測溫的性能。

較為大眾化的溫濕度傳感器為DHT11，市場價格偏低，響應速度為秒級，直流供電，測量精度為±5%，誤差范圍較大。對于溫濕度要求不高的溫室，DHT11仍為主流選擇。

較新的溫濕度傳感器還有HTU21D，接在直流電源上使用，溫度測量范圍較廣，特別是可以測量-40℃及以上的環(huán)境溫度，適合寒冷地區(qū)的溫室使用。其濕度測量范圍在0～100%RH，完全可以滿足設計要求。具體接線方式如圖3所示。

圖3 HTU21D接入電源示意圖

3.2 光照度傳感器的選擇

光照度，亦稱照度，單位符號為“Lux”(勒克斯，簡稱勒)。檢測光照度的傳感器是將照度轉(zhuǎn)換成電信號的器件。市場上常見的光照度傳感器為JXCT-3001-GZD，其精準度為±5%(25℃)，工作環(huán)境為0～10V/20mA，有基礎版的RS485通訊模式，還有本設計采用的LoRa通訊模式，無線傳輸信號，搭載機器人身上使用較為方便。但是其響應時長在微風或無風環(huán)境中小于15s，不能立即得出測量值，這就要求巡檢機器人行進速度較為緩慢，在輔助節(jié)點發(fā)出暫停命令后，進行光照度的測量與數(shù)據(jù)傳輸。

表1 光照度傳感器的基本通信參數(shù)

表2 數(shù)據(jù)幀的定義

3.3 CO2濃度傳感器的選擇

CO2是光合作用暗反應階段中酶促反應的主要原料，在該階段CO2被還原為糖，因而其濃度可以決定農(nóng)作物的長勢、抗逆性、產(chǎn)量等。但對于溫室中的工作人員來說，CO2含量的高低會關系到健康，這是較為矛盾的問題。如果在日常維護中使用本設計的微氣候監(jiān)控系統(tǒng)，由機器人代為工作，可以有效緩解此矛盾。

市場上的CO2傳感器分為紅外CO2傳感器、催化CO2傳感器和熱傳導CO2傳感器，其工作機理有所不同。本設計從通訊模式統(tǒng)一化的角度出發(fā)，選擇龍騰偉業(yè)生產(chǎn)的LoRa通訊的CO2傳感器。其測量方法為NDIR雙通道測量，測量范圍0～5000PPM，精度在±5%范圍內(nèi)，分辨率為1PPM，可以滿足測量需求。且供電方式為直流12～24V，采集頻率可設定，最低為1次·min-1。

4 圖像采集系統(tǒng)的設計

圖像采集系統(tǒng)也可以安裝在巡檢機器人上，外觀上可以作為其“眼睛”。主要由高清攝像機和嵌入式系統(tǒng)組成，并配有大容量存儲器，可將作物長勢拍攝為圖片自動存儲，以備后期研究使用。同時具備遠距離圖像傳輸供能，可供工作人員在后臺實時觀看。

目前數(shù)碼相機的核心器件主流為CCD(Charge Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)，二者圖像傳感器光電轉(zhuǎn)換原理相同，信號的讀出過程不同。CCD的信號輸出一致性非常好；CMOS的信號輸出一致性較差。但是CMOS的每個像元中放大器的帶寬較低，從而降低了芯片的功耗。而CMOS的放大器不一致性引發(fā)的固定噪聲，使其比CDD又略顯不足。

本設計為了滿足采樣速度和清晰度，采用帶有CMOS傳感器的數(shù)碼相機進行圖像采集。具體為銳爾威視的RER-USBFHD08S，其有130萬像素和1920×1080的分辨率，支持高速拍攝，幀速可達260fps，支持多種操作系統(tǒng)，亦可進行二次開發(fā)。安裝在巡檢機器人頂部的可伸縮、二自由度的支撐架上。采集到的圖像信息可暫存在高速存儲卡上，也可以通過無線傳輸技術傳回后臺服務器。攝像頭實物如圖4所示。

后臺先將圖片進行降噪處理，以降低環(huán)境帶來的隨機噪聲；再使用云點數(shù)據(jù)算法等區(qū)分雜草、病蟲害、農(nóng)作物以及農(nóng)作物的成熟度。

圖4 銳爾威視攝像頭實物

5 系統(tǒng)的網(wǎng)關設計

本設計中的網(wǎng)關層包含2個主要部分，嵌入式系統(tǒng)，由單片機、STM32、LoRa通訊模塊和485集線器構成，STM32為核心器件。該部分主要負責傳感器模塊和遠程后臺服務器之間的數(shù)據(jù)交流，以及自動裝置的控制；巡檢機器人的定位導航，作為輔助節(jié)點布在溫室中。2部分網(wǎng)關硬件技術都較為成熟，而無線傳輸方式是本設計的特色所在。

本設計中采用LoRa無線傳輸技術。其基于擴頻技術進行遠距離的數(shù)據(jù)傳送，本質(zhì)是LPWAN通信技術中的一種。由于其傳送數(shù)據(jù)距離遠、功耗低、容量大、傳輸速度快、可以向前糾錯等優(yōu)點而備受物聯(lián)網(wǎng)設計者的喜愛。LoRa主要工作頻率在ISM頻段，包括433MHz、868MHz、915MHz等。LoRa網(wǎng)絡由終端設備(上述傳感器中均置有LoRa模塊)、網(wǎng)關、Server和云服務組成，其數(shù)據(jù)可實現(xiàn)雙向傳輸，因而既可以作為采集網(wǎng)關，也可以作為命令網(wǎng)關，真正一機實現(xiàn)監(jiān)視與控制2大功能。

值得注意的是，在LoRa通訊網(wǎng)絡中，服務器是數(shù)據(jù)接收與處理的核心。因為每個節(jié)點與專用網(wǎng)關不實行一對一關聯(lián)，一個節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常由多個網(wǎng)關收到。網(wǎng)關將收到的所有數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到基于云計算的網(wǎng)絡服務器上，也會造成數(shù)據(jù)的大量冗余。

圖5 控制網(wǎng)關

6 控制系統(tǒng)的設計

該部分主要由網(wǎng)關發(fā)出命令信號，各個自動裝置在接收到信號后進行工作。由于LoRa通訊傳輸速率較高、精準度高，自動裝置完全可以在無人干預的情況下各司其職。

增濕裝置分為自動控制回路和遠程人工控制回路。當巡檢機器人搭載的濕度傳感器預警濕度過低時，通過網(wǎng)關和副武器的數(shù)據(jù)處理，下達自動噴霧命令，K1閉合，電機工作，泵水噴霧。也可以由后臺工作人員下達命令，向溫室中噴霧，此時K11閉合，實現(xiàn)了遠程澆灌。諸如此類的還有CO2發(fā)生器、補光燈、遮光簾和通風機等裝置。所有自動控制裝置均需安裝LoRa通訊模塊和微處理器進行命令的接受與執(zhí)行。

圖6 自動增濕裝置電控回路

7 結論

本設計以物聯(lián)網(wǎng)技術為主干，以LoRa通訊技術為枝干，探討了溫室中微氣候的構成因素，主要為溫濕度、光照度、二氧化碳濃度。在此基礎上增加了對溫室作物的觀測，將其作為微氣候的影響與判別依據(jù)進行研究，分別設計選用了不同的傳感模塊作為數(shù)據(jù)采集的感知層，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中“物物相連”的智慧化管理。溫室微氣候的監(jiān)控工作，對促進智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，提升溫室產(chǎn)出效益都有著十分重要的意義。