曾 學(xué)，賀成柱

(1.甘肅華維智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，甘肅 蘭州 730030； 2.甘肅省機械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

農(nóng)業(yè)作為我國國民經(jīng)濟基礎(chǔ)，現(xiàn)階段主流農(nóng)業(yè)模式仍是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，多采用以半人工半機械勞作方式[1-2]。與日韓和歐美和等發(fā)達(dá)國家比較，我國農(nóng)業(yè)還未普及規(guī)?；悄芑鳂I(yè)方式。目前我國工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展成果顯著，采用先進(jìn)技術(shù)手段，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素進(jìn)行人為可控，是擺脫農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對自然環(huán)境的嚴(yán)重依賴的重要工具和途徑[3-4]。國內(nèi)廣大科技工作者致力于將物聯(lián)網(wǎng)、水肥一體化等技術(shù)應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)大棚[5]。文獻(xiàn)[6]設(shè)計的溫室大棚可滿足植物生長、減少人工，緩解土地壓力，但各生產(chǎn)要素單一控制，在溫室效益提升方面還有較大空間。為確保植物長期處于最佳生長條件下，文獻(xiàn)[7]、[8]采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)端云平臺等技術(shù)，采集溫室內(nèi)植物生長環(huán)境與植物生長狀態(tài)信息并控制現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備動作。目的是提高溫室對多種作物的適應(yīng)性，文獻(xiàn)[9]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)測溫室環(huán)境信息，可優(yōu)化調(diào)節(jié)作物生長條件。目的是有效解決智能溫室環(huán)境與作物多點采集長期存儲造成的數(shù)據(jù)冗雜問題，文獻(xiàn)[10]通過構(gòu)建數(shù)據(jù)中心將各類數(shù)據(jù)存儲于對應(yīng)數(shù)據(jù)庫，提高用戶查詢使用效率。

筆者結(jié)合目標(biāo)設(shè)計需求,重點通過在土壤和作物生長環(huán)境中安裝環(huán)境各種傳感器、控制終端和電氣執(zhí)行設(shè)備，對溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物生長的空氣溫度、濕度、光照度、二氧化碳等氣候環(huán)境狀況和土壤溫度、水分、PH值等墑情狀況進(jìn)行監(jiān)測和管理；實現(xiàn)農(nóng)作物在各個生長階段按照農(nóng)藝控制參數(shù)要求，達(dá)到遠(yuǎn)程或自動進(jìn)行灌溉、卷簾、噴淋、施肥及打藥等，使作物保持在在適宜的生長環(huán)境的最終目標(biāo)。

1 項目概況及要求

為解決果蔬供應(yīng)淡旺季的局限性問題，內(nèi)蒙土默特左旗需要設(shè)計滿足當(dāng)?shù)貧夂虻臏嘏锝Y(jié)構(gòu)及配套設(shè)施——節(jié)地型內(nèi)保溫日光溫室，項目于2021年6月份啟動，共建成6組溫室大棚。每組溫室建筑面積1 466.44 m2，溫室長120.2 m、跨度12.2 m、后墻高4 m、頂高為6 m，溫室方位角南偏西5°，后屋面仰角為75°。主體骨架材料為熱鍍鋅帶內(nèi)幾字鋼裝配式骨架，溫室的前后屋面骨架均采用35×36×2的內(nèi)幾字鋼鍍鋅裝配式骨架，用專用的鍍鋅連接件連接，橫向11道25×25×1.5內(nèi)幾字鋼鍍鋅管。根據(jù)內(nèi)蒙土特默左旗的實際情況，溫室方位角采用座北朝南偏西3°～6°為宜，溫室由南向北排列，每組溫室之間相距12 m。該溫室采用壓塊機制作溫室機制土墻體，代替?zhèn)鹘y(tǒng)土墻及磚墻實現(xiàn)了溫室建造的低成本化、快速化，使其具備高效的蓄放熱性能；無立柱結(jié)構(gòu)，種植面積開闊，采光效果好。

所開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)溫棚控制系統(tǒng)，需要滿足符合果類蔬種植的溫度環(huán)境要求，頂開窗通風(fēng)系統(tǒng)、內(nèi)遮陽系統(tǒng)、外遮陽系統(tǒng)、風(fēng)機/濕簾降溫系統(tǒng)、水肥灌溉系統(tǒng)、內(nèi)循環(huán)風(fēng)機、電供暖系統(tǒng)等配合調(diào)節(jié)，按照農(nóng)作物栽培工藝要求目標(biāo)值，現(xiàn)場調(diào)節(jié)上述系統(tǒng)控制終端保持農(nóng)作物始終處于最佳生長環(huán)境中，根據(jù)以上目標(biāo)要求提出以下基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計方案。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚系統(tǒng)借助物聯(lián)網(wǎng)、智慧農(nóng)業(yè)構(gòu)建集環(huán)境監(jiān)控、精準(zhǔn)調(diào)節(jié)為一體的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，對不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境及對象進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)管，通過傳感設(shè)備檢測環(huán)境的物理參數(shù)，對土壤、蟲情、氣象、苗情等生產(chǎn)環(huán)境狀況進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)控，為農(nóng)作物栽培工藝改進(jìn)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，促進(jìn)我國食品安全，幫助農(nóng)戶增產(chǎn)增收。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚系統(tǒng)，通過在土壤和作物生長環(huán)境中安裝環(huán)境各種傳感器、控制終端和電氣執(zhí)行設(shè)備，對溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物生長的空氣溫度、濕度、光照度、二氧化碳等氣候環(huán)境狀況和土壤溫度、水分、PH值等墑情狀況進(jìn)行監(jiān)測和管理，通過對作物長勢、病蟲害情況等進(jìn)行分析和預(yù)測，按照農(nóng)作物各個生長階段的農(nóng)藝控制參數(shù)要求，遠(yuǎn)程或自動控制側(cè)窗通風(fēng)系統(tǒng)、水肥一體化系統(tǒng)、外遮陽系統(tǒng)、補光等設(shè)備，實現(xiàn)灌溉、卷簾、噴淋、施肥、打藥等作物管護(hù)智能化，保證溫棚環(huán)境適宜農(nóng)作物生長，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)溫棚系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)功能

物聯(lián)網(wǎng)溫棚系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)、云平臺、無線傳感器和智能控制等技術(shù)應(yīng)用于溫室大棚，通過先進(jìn)的計算機信息技術(shù)和現(xiàn)代溫棚設(shè)施，農(nóng)戶通過手機或計算機課遠(yuǎn)程調(diào)控作物生長環(huán)境，實現(xiàn)高產(chǎn)值和高效益的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。農(nóng)戶使用該系統(tǒng)時，預(yù)先按照作物培養(yǎng)農(nóng)藝生長階段需求設(shè)置環(huán)境參數(shù)，現(xiàn)場安裝的各傳感器對溫室大棚內(nèi)的溫室環(huán)境、土壤墑情和苗情狀況進(jìn)行監(jiān)測，主要對空氣溫濕度、光照度、土壤溫濕度、土壤PH值、土壤養(yǎng)分、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，發(fā)送至上位機進(jìn)行統(tǒng)計分析存儲，控制現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備動作，同時將預(yù)警信息推送至農(nóng)戶手機，農(nóng)戶也可查詢農(nóng)技知識等，上述功能實現(xiàn)了溫棚集約化遠(yuǎn)程管控，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

物聯(lián)網(wǎng)溫棚系統(tǒng)通過安裝各類傳感器，遠(yuǎn)程實時采集農(nóng)作物生長環(huán)境信息，包括溫室環(huán)境、土壤墑情和苗情狀況等數(shù)據(jù)，按照農(nóng)作物栽培工藝要求設(shè)置最優(yōu)環(huán)境目標(biāo)值，現(xiàn)場調(diào)節(jié)控制終端按照控制策略實現(xiàn)自動灌溉、自動卷簾、自動噴淋、自動施肥、自動打藥，保持農(nóng)作物始終處于最佳生長環(huán)境中。該系統(tǒng)對溫室大棚內(nèi)的病蟲狀況(病蟲種類、病蟲數(shù)量等)、氣候狀況(空氣溫濕度、光照度和二氧化碳含量等環(huán)境參數(shù))、土壤墑情狀況(土壤溫濕度、土壤PH值和土壤肥力等)、苗情狀況(長勢、病蟲害)進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測和管理，通過GPRS/4G或網(wǎng)口將數(shù)據(jù)上報至管理平臺，農(nóng)戶通過手機可實時溫室內(nèi)現(xiàn)場環(huán)境情況，節(jié)省人力，并根據(jù)數(shù)據(jù)反饋作出相應(yīng)調(diào)整，以保證農(nóng)作物良好的生長態(tài)勢，助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

3.1 水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計

水肥一體化系統(tǒng)借助壓力將可溶性固體或液體肥料與灌溉水配兌相溶，將作物灌溉與施肥兩種工藝融為一體，按照作物生長需求以比例供給。在物聯(lián)網(wǎng)溫室大棚種植中，將滴灌和微噴配合使用，按照農(nóng)作物各個生長階段需求設(shè)置配比，把水肥按需直接供給到作物根部土壤，系統(tǒng)控制流程如圖3所示。對于需要頻繁灌水和施肥的作物，特別是對于大規(guī)模設(shè)施農(nóng)業(yè)來說，大大減少勞力成本、作業(yè)時間。

圖3 水肥一體化系統(tǒng)控制流程

水肥一體化系統(tǒng)給作物水肥同步供給，養(yǎng)分吸收快，可提高肥料利用率，能有效控制土壤濕度、調(diào)節(jié)作物周圍氣候環(huán)境、防止土壤板結(jié)，改善土壤結(jié)構(gòu)，減少作物病蟲害發(fā)生。根據(jù)作物需求精準(zhǔn)灌溉，減少藥物施用，避免了傳統(tǒng)灌溉方式將過量肥料、農(nóng)藥沖入河道，有效減少水源污染。

3.2 系統(tǒng)平臺

物聯(lián)網(wǎng)溫棚系統(tǒng)平臺將現(xiàn)場采集參數(shù)進(jìn)行分析處理，結(jié)合用戶設(shè)置的參考值，按照作物生長工藝控制模型要求，不斷下發(fā)指令給執(zhí)行器改變環(huán)境參數(shù)逼近設(shè)置值，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)閉環(huán)控制，達(dá)到預(yù)期理想值。為了實現(xiàn)通信穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)安全性，上位機軟件安裝在應(yīng)用服務(wù)器上，數(shù)據(jù)庫安裝在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，與外網(wǎng)通過安全網(wǎng)關(guān)和硬件防火墻隔離。上位機平臺軟件與終端器件之間，通過TCP/IP通信方式，基于中國移動通信技術(shù)的GPRS/4G功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和指令下發(fā)。

現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)過平臺處理后轉(zhuǎn)存到SQLServer數(shù)據(jù)庫中，用戶可以對其中任意參數(shù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)、指定時間區(qū)間數(shù)據(jù)訪問，包括數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計，同時，可以添加用戶經(jīng)驗公式，分析出某一參數(shù)隨著時間的變化規(guī)律，研究環(huán)境參數(shù)對于植物生長的影響。為保證終端運行的可靠性，避免因停電和現(xiàn)場無市電供電影響，可采用太陽能電池板和蓄電池作為備用電源。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

設(shè)計滿足當(dāng)?shù)貧夂虻臏嘏锝Y(jié)構(gòu)及配套設(shè)施——節(jié)地型內(nèi)保溫日光溫室如圖4所示。

圖4 內(nèi)蒙土默特左旗節(jié)地型皮料日光溫室

溫棚主體工程建設(shè)完后，配置應(yīng)用了所開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)溫棚控制系統(tǒng)，滿足果類蔬種植的溫度環(huán)境要求，頂開窗通風(fēng)系統(tǒng)、內(nèi)遮陽系統(tǒng)、外遮陽系統(tǒng)、風(fēng)機/濕簾降溫系統(tǒng)、水肥灌溉系統(tǒng)、內(nèi)循環(huán)風(fēng)機、電供暖系統(tǒng)等配合調(diào)節(jié)，按照農(nóng)作物栽培工藝要求目標(biāo)值，現(xiàn)場調(diào)節(jié)上述系統(tǒng)控制終端保持農(nóng)作物始終處于最佳生長環(huán)境中，系統(tǒng)平臺應(yīng)用界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)平臺應(yīng)用界面

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中每1萬m2溫室至少要20個人管理，在節(jié)在地型內(nèi)保溫日光溫室內(nèi)應(yīng)用此物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)后，人工減少了一半，防風(fēng)防雪抗凍能力增強，隔熱保溫效果好。試驗表明在室外-30 ℃時，不采用任何增溫措施，大棚內(nèi)溫度可以達(dá)到8 ℃以上。在物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)操作下，室內(nèi)溫度白天控制在25 ℃左右，夜間控制在18℃左右。用水量由以前傳統(tǒng)噴淋方式每周7次消耗14 t，現(xiàn)在采用微滴灌方式后減少到每周2次消耗2 t，對比曲線如圖6所示。整個溫室的水肥、溫度、照光、氣候等植物生長要素都實現(xiàn)了智能化控制，確保作物常年處于舒適的生長環(huán)境中，保證作物正常生長。當(dāng)出現(xiàn)溫室濕度過高、光照太強或太弱等報警信息后，操作人員只需要在電腦前操作，設(shè)備就自動按照設(shè)定流程運行，實現(xiàn)了無人化管理。內(nèi)蒙土默特左旗應(yīng)用此溫棚系統(tǒng)后，豐富了果蔬品種，提高了果蔬品質(zhì)，對提高種植產(chǎn)的經(jīng)濟收入，促進(jìn)當(dāng)?shù)毓吖?yīng)及市場發(fā)展具有舉足輕重的作用。

圖6 用水量曲線圖