楊 帆，李江龍，鮑義東，李云婷

（貴州航天智慧農(nóng)業(yè)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000）

從實(shí)際情況來(lái)看，我國(guó)大部分地區(qū)溫室蔬菜種植都是使用較為傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)，相關(guān)技術(shù)不僅會(huì)浪費(fèi)大量的水，而且還會(huì)增加地病、蟲(chóng)害的發(fā)生概率，不利于提高蔬菜產(chǎn)量?；诖?，筆者提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室蔬菜智能灌溉控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜需求量的智能化控制滴灌設(shè)備實(shí)施滴灌，滿(mǎn)足蔬菜生長(zhǎng)需水要求的同時(shí)，提高溫室生產(chǎn)智能化生產(chǎn)水平，降低溫室蔬菜種植的人力需求，推動(dòng)溫室蔬菜生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)信息化、現(xiàn)代化發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室蔬菜智能灌溉控制系統(tǒng)主要由環(huán)境信息采集系統(tǒng)、采集控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制中心、系統(tǒng)執(zhí)行單元以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等5部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 溫室蔬菜智能灌溉控制系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)及功能

2.1 環(huán)境信息采集系統(tǒng)

在系統(tǒng)中，環(huán)境信息采集系統(tǒng)的核心為環(huán)境數(shù)據(jù)采集器，此設(shè)備中集成了CC2530單片機(jī)、無(wú)線(xiàn)信號(hào)發(fā)送設(shè)備等諸多設(shè)備模塊，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)中環(huán)境信息采集系統(tǒng)的實(shí)際使用需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，環(huán)境信息采集系統(tǒng)主要功能是通過(guò)空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、土壤含水量傳感器、EC傳感器對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[1]。

2.2 系統(tǒng)執(zhí)行單元

系統(tǒng)執(zhí)行單元主要由滴灌系統(tǒng)和電磁控制閥兩部分組成。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，系統(tǒng)執(zhí)行單元會(huì)接收來(lái)自于采集控制系統(tǒng)或者遠(yuǎn)程控制中心的控制指令，在接收到控制指令后，系統(tǒng)執(zhí)行單元將會(huì)根據(jù)控制指令中的參數(shù)要求自動(dòng)控制電池控制閥進(jìn)行啟閉，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化滴灌效果[2]。

2.3 采集控制系統(tǒng)

采集控制系統(tǒng)主要用于環(huán)境信息采集系統(tǒng)和系統(tǒng)執(zhí)行單元的相應(yīng)控制，在實(shí)際控制過(guò)程中可以根據(jù)需求執(zhí)行自動(dòng)化控制或者手動(dòng)控制，其中自動(dòng)化控制為本地系統(tǒng)自動(dòng)控制，手動(dòng)控制則是由操作人員通過(guò)遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)控制。采集控制系統(tǒng)的核心設(shè)備是采集控制器，在設(shè)計(jì)過(guò)程中所選用的采集控制器具有8路模擬量輸入、12路繼電器輸出、8路開(kāi)關(guān)量輸入效果，并且具有良好的擴(kuò)展性能，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可以作為控制終端直接實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器設(shè)備、繼電器設(shè)備以及電磁閥的自動(dòng)化控制和手動(dòng)控制，可以滿(mǎn)足采集控制系統(tǒng)對(duì)環(huán)境信息采集系統(tǒng)和系統(tǒng)執(zhí)行單元的相關(guān)控制要求。

此外，設(shè)計(jì)中所選用的采集控制器還集成有2路RS485總線(xiàn)接口，支持20個(gè)輪灌組，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)將RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋相連，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞綄h(huán)境信息采集系統(tǒng)所采集的環(huán)境數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)執(zhí)行單元的執(zhí)行參數(shù)傳輸給遠(yuǎn)程控制中心。采集控制系統(tǒng)作為以采集控制器為核心的多級(jí)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，支持包括短信、GPRS網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線(xiàn)電臺(tái)等多種遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)控制功能，可以用作于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中二級(jí)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備與遠(yuǎn)程控制中心達(dá)成數(shù)據(jù)交流；支持遠(yuǎn)程控制中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程采集控制器控制參數(shù)修改[3]。

2.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要用于遠(yuǎn)程監(jiān)控蔬菜的生長(zhǎng)狀態(tài)，進(jìn)而收集植物各生長(zhǎng)階段的視頻信息，確保所設(shè)置的供水量可以滿(mǎn)足植物各生長(zhǎng)階段實(shí)際需水要求的同時(shí)，也能夠在一定程度上提高溫室的安全水平。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心設(shè)備為視頻監(jiān)控設(shè)備，該設(shè)備在系統(tǒng)中將會(huì)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋與遠(yuǎn)程控制中心直接相連，進(jìn)而將所采集到的視頻信息直接傳遞給遠(yuǎn)程控制中心，由遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行圖像匯總、識(shí)別及處理[4]。

2.5 遠(yuǎn)程控制中心

遠(yuǎn)程控制中心主要由服務(wù)器、人機(jī)交互界面、視頻服務(wù)器以及物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控軟件等共同組成。其中物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控軟件主要分為溫室環(huán)境信息監(jiān)測(cè)軟件、視頻監(jiān)控軟件等，這些軟件均會(huì)部署在遠(yuǎn)程控制中心的服務(wù)器上，主要功能為對(duì)環(huán)境信息采集系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)所收集的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)以及系統(tǒng)控制要求自動(dòng)形成系統(tǒng)控制指令，為其他系統(tǒng)設(shè)備下達(dá)控制指令，達(dá)成控制效果[5]。當(dāng)系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)出某種參數(shù)超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)注，同時(shí)根據(jù)預(yù)設(shè)控制流程控制執(zhí)行設(shè)備對(duì)超過(guò)預(yù)設(shè)值的參數(shù)進(jìn)行有效控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)

3.1 環(huán)境信息采集系統(tǒng)

采集控制系統(tǒng)工作流程示意圖如圖2所示，設(shè)計(jì)中所選用的環(huán)境數(shù)據(jù)采集器具有數(shù)據(jù)采集控制、控制指令接收功能，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中將會(huì)基于環(huán)境數(shù)據(jù)采集器的實(shí)際特點(diǎn)，促使環(huán)境數(shù)據(jù)采集器在接入到系統(tǒng)組網(wǎng)中以后時(shí)刻處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，進(jìn)而時(shí)刻接收來(lái)自采集控制系統(tǒng)的控制指令，環(huán)境數(shù)據(jù)采集器與采集控制系統(tǒng)相連以后，將會(huì)對(duì)所有傳感器設(shè)備進(jìn)行掃描，記錄各傳感器的地址碼，在掃描完成后將所有傳感器接入到控制網(wǎng)絡(luò)中，使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過(guò)固定頻率對(duì)所有傳感器設(shè)備進(jìn)行輪詢(xún)，由此來(lái)接收各傳感器的實(shí)際數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)覆蓋保存的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器設(shè)備新上傳設(shè)備的暫存[6]。

圖2 采集控制系統(tǒng)工作流程示意圖

3.2 滴灌控制軟件

滴灌控制軟件在運(yùn)行過(guò)程中將會(huì)接收采集控制系統(tǒng)所發(fā)出的滴灌控制指令，相關(guān)指令包括滴灌灌溉量、灌溉時(shí)間等諸多數(shù)據(jù)參數(shù)，在實(shí)際控制過(guò)程中，滴灌控制軟件會(huì)在接收采集控制系統(tǒng)所發(fā)出的滴灌控制指令后，控制電池控制閥啟動(dòng)，進(jìn)而自動(dòng)進(jìn)行滴灌作業(yè)。在滴灌過(guò)程中，滴灌控制軟件會(huì)實(shí)時(shí)查詢(xún)流量，檢查實(shí)際滴灌量是否能夠達(dá)到預(yù)設(shè)值，在達(dá)到預(yù)設(shè)值以后，滴灌控制軟件將會(huì)自動(dòng)控制電磁控制閥關(guān)閉，終止滴灌作業(yè)。滴灌控制軟件具體工作流程如圖3所示。

圖3 滴灌控制軟件工作流程示意圖

3.3 采集控制系統(tǒng)

正如上文所述，采集控制系統(tǒng)主要功能是負(fù)責(zé)環(huán)境信息采集系統(tǒng)和系統(tǒng)執(zhí)行單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、分析及控制。為能夠達(dá)成上述功能要求，采集控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)先由系統(tǒng)執(zhí)行單元發(fā)送控制執(zhí)行，此過(guò)程中具體工作流程如圖4所示。環(huán)境信息采集系統(tǒng)中的各傳感器所采集的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)執(zhí)行單元的滴灌執(zhí)行數(shù)據(jù)均會(huì)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋和有線(xiàn)線(xiàn)路實(shí)現(xiàn)與采集控制器的數(shù)據(jù)交互，在此過(guò)程中，采集控制器的數(shù)據(jù)收發(fā)均會(huì)通過(guò)串口中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)椴杉刂葡到y(tǒng)在收發(fā)環(huán)境信息采集系統(tǒng)和系統(tǒng)執(zhí)行單元所傳遞信息時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)碰撞情況。

圖4 采集控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行單元控制流程示意圖

對(duì)此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中將會(huì)促使環(huán)境信息采集系統(tǒng)和系統(tǒng)執(zhí)行單元中的某一系統(tǒng)單元在發(fā)出通信以后，該系統(tǒng)單元將不再實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，而是會(huì)進(jìn)入到睡眠狀態(tài)[7]。此后，采集控制器會(huì)通過(guò)輪詢(xún)的方式來(lái)查詢(xún)各系統(tǒng)單元的工作狀態(tài)。其中環(huán)境信息采集系統(tǒng)的控制則是通過(guò)輪詢(xún)的方式掃描記錄各傳感器設(shè)備的地質(zhì)參數(shù)，并經(jīng)由環(huán)境信息采集系統(tǒng)接收各傳感器所采集的數(shù)據(jù)信息；系統(tǒng)執(zhí)行單元控制則需對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行單元的地址參數(shù)信息進(jìn)行掃描記錄，用于后續(xù)系統(tǒng)執(zhí)行單元的精準(zhǔn)控制。

3.4 數(shù)據(jù)庫(kù)

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中每天都會(huì)采集大量的數(shù)據(jù)信息，相關(guān)數(shù)據(jù)均需要數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。本設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)庫(kù)將會(huì)采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，具體記錄的數(shù)據(jù)信息包括有空氣溫濕度數(shù)據(jù)、土壤溫濕度數(shù)據(jù)、溫室光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度數(shù)據(jù)等環(huán)境參數(shù)以及具體數(shù)據(jù)記錄時(shí)間等[11]。此外，數(shù)據(jù)庫(kù)中還記錄有滴灌相關(guān)數(shù)據(jù)信息，相關(guān)信息以數(shù)據(jù)表的形式存在，具體記錄內(nèi)容保護(hù)滴灌量、實(shí)際滴灌水量、滴灌開(kāi)始時(shí)間、滴灌結(jié)束時(shí)間等。

4 系統(tǒng)測(cè)試

在系統(tǒng)測(cè)試前，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)與某農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所達(dá)成密切合作，并在研究所的支持下，基本摸清了溫室條件下各類(lèi)常見(jiàn)蔬菜的各生長(zhǎng)階段的需水量規(guī)律，并以此來(lái)合理制訂可以促使蔬菜增產(chǎn)增收、降低蔬菜生長(zhǎng)水耗的高效土壤水分管理策略。以黃瓜為例，黃瓜幼苗期、結(jié)果初期、結(jié)果盛期以及結(jié)果后期的實(shí)際滴灌規(guī)律如下所示。

1）幼苗期：此階段土壤濕度不宜過(guò)高，否則會(huì)引發(fā)黃瓜幼苗徒長(zhǎng)情況。在實(shí)際滴灌控制過(guò)程中，可以將系統(tǒng)的滴灌控制閥值設(shè)置在土壤持水量的60%左右，系統(tǒng)在檢測(cè)到此數(shù)值以后，自動(dòng)控制電磁控制閥開(kāi)啟滴灌作業(yè)，每畝的滴灌量應(yīng)控制在6 m3左右。

2）結(jié)果初期：隨著植株的持續(xù)生長(zhǎng)，植株對(duì)于水量的需求也在快速增加。為保障植株的快速生長(zhǎng)，此時(shí)應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)滴灌控制閥值，將其設(shè)置為土壤持水量的80%左右，每畝的滴灌量則控制在9 m3左右。

3）結(jié)果盛期：在結(jié)果盛期階段，黃瓜對(duì)于水量的需求達(dá)到最大值，為保證黃瓜結(jié)果質(zhì)量，應(yīng)將進(jìn)一步調(diào)整系統(tǒng)滴灌控制閥值，將其設(shè)置為土壤持水量的90%，并且每畝滴灌量設(shè)置為12 m3左右。

4）結(jié)果后期：在結(jié)果后期階段，相對(duì)于結(jié)果盛期階段來(lái)說(shuō)黃瓜生長(zhǎng)的需水量有所下降，所以可以適當(dāng)調(diào)低系統(tǒng)滴灌控制閥值和每畝滴灌量，綜合分析研究所提供的數(shù)據(jù)后，將滴灌控制閥值設(shè)置為土壤持水量的80%，每畝滴灌量設(shè)置為9 m3左右。

在對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)相對(duì)于常規(guī)滴灌作業(yè)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)可以節(jié)約15%～20%的水量，因而節(jié)水效果更為明顯優(yōu)秀，可以在當(dāng)前溫室蔬菜種植過(guò)程中進(jìn)行普及應(yīng)用。

5 結(jié)論

在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)以后，結(jié)合某農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所提供的蔬菜生長(zhǎng)數(shù)據(jù)，最終對(duì)蔬菜的具體控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，綜合研究分析以后，獲取到以下幾點(diǎn)研究結(jié)果。

1）基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室蔬菜智能灌溉控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和遠(yuǎn)程手動(dòng)控制兩種控制模式，并且在實(shí)際控制過(guò)程中操控人員還可以根據(jù)本地區(qū)實(shí)際情況對(duì)預(yù)設(shè)參數(shù)修改，促使系統(tǒng)控制精度進(jìn)一步提升。

2）在蔬菜的不同生長(zhǎng)階段中，其對(duì)于水量的需求也不盡相同，所以需要根據(jù)蔬菜的生長(zhǎng)階段進(jìn)行合理系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。以黃瓜為例，其各階段土壤持水量和每畝滴灌量應(yīng)控制在以下參數(shù)值左右：在幼苗期60%和6 m3左右；結(jié)果初期80%和9 m3左右；結(jié)果盛期90%和12 m3左右；結(jié)果后期80%和9 m3左右；

3）相對(duì)于常規(guī)滴灌作業(yè)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)可以節(jié)約15%～20%的水量，因而節(jié)水效果更為明顯優(yōu)秀，可以在當(dāng)前溫室蔬菜種植過(guò)程中進(jìn)行普及應(yīng)用。