周曉磊，王振海，陳 輝，李培帥

（1.臨沂大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，臨沂276000；2.浙江大學(xué)山東（臨沂）現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院，臨沂 276000）

目前國外的大棚基本已經(jīng)實現(xiàn)智能化管理，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)、對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析實現(xiàn)大棚智能化控制，并擁有相關(guān)的智能化控制系統(tǒng)；而國內(nèi)大多以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚為主，現(xiàn)有的大棚存在智能控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差、對環(huán)境因素調(diào)控不及時、遠(yuǎn)程控制不穩(wěn)定等問題[1]。 雙膜雙結(jié)構(gòu)新型蔬菜大棚通過攝像頭、傳感器和控制器，實時監(jiān)測大棚系統(tǒng)中的空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度、二氧化碳濃度、氮元素含量等環(huán)境信息并上傳至云端，以便于系統(tǒng)根據(jù)特定的植物生長模型對棚內(nèi)的相關(guān)環(huán)境參數(shù)自動調(diào)節(jié)，使用攝像頭監(jiān)控大棚內(nèi)的蔬菜生長情況，并將獲取到的圖像利用計算機識別技術(shù)對圖像進(jìn)行病蟲害識別檢測，分析出病蟲害種類，推送到用戶移動端，通過灌溉系統(tǒng)進(jìn)行定向定量的智能化施肥灌溉，同時還可以通過遠(yuǎn)程移動端對大棚進(jìn)行自動卷膜，實現(xiàn)了大棚的智能化管理。

1 大棚的構(gòu)造與性能

1.1 雙膜雙結(jié)構(gòu)大棚構(gòu)造

雙膜雙結(jié)構(gòu)大棚具有兩層大棚結(jié)構(gòu)，內(nèi)層大棚主要包括固定桿、弧形支架、支撐桿、橫梁、透光膜和卷簾機，外層大棚主要包括固定桿、弧形支架、透光膜、蓋外保溫被、電動卷簾機、大棚外層弧形支架與內(nèi)層弧形支架。 兩層結(jié)構(gòu)之間有一定的空間，使內(nèi)層透光膜與外層透光膜形成了一層不流動的空氣層[2]。 大棚模型如圖1 所示。

圖1 雙模雙結(jié)構(gòu)大棚模型Fig.1 Dual-mode，dual-structure greenhouse model

1.2 雙膜雙結(jié)構(gòu)大棚性能

1.2.1 保溫性能好

雙膜雙結(jié)構(gòu)大棚采用內(nèi)外雙層透光膜、地膜和一層保溫被形成三膜一被提高了保溫性能。 大棚內(nèi)外兩層膜之間形成的不流動的空氣層是熱的不良導(dǎo)體， 雙膜之間形成的不流動的空氣層導(dǎo)熱性能差，使得大棚內(nèi)的熱量不容易散失掉，從而增強了蔬菜大棚的保溫性能。

1.2.2 實用性能好

大棚構(gòu)造科學(xué)堅固、內(nèi)部空間大、操作使用方便，雙膜雙結(jié)構(gòu)大棚的寬度和高度增加，使棚內(nèi)空間大，便于機械化操作；大棚雙結(jié)構(gòu)構(gòu)造抗御自然災(zāi)害的能力強；卷簾機代替人工揭蓋保溫被，節(jié)省大量的人力資源。

2 硬件技術(shù)主要應(yīng)用

2.1 大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

大棚中包含攝像頭、溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、土壤pH 值傳感器、光照強度傳感器、二氧化碳濃度傳感器等設(shè)備，對大棚內(nèi)部的蔬菜生長狀況、溫度、濕度、土壤濕度、土壤pH 值、光照強度、二氧化碳濃度進(jìn)行實時監(jiān)測并將大棚內(nèi)環(huán)境實時信息通過樹莓派總控系統(tǒng)上傳至云端進(jìn)行數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)分析。 用戶通過大棚內(nèi)液晶監(jiān)控面板顯示或遠(yuǎn)程移動端進(jìn)行實時查看，了解大棚內(nèi)實時狀況[3]。

2.2 攝像頭實時監(jiān)控系統(tǒng)

大棚內(nèi)分多個蔬菜種植區(qū)域，每一個區(qū)域安裝一個監(jiān)控攝像頭， 對區(qū)域內(nèi)蔬菜進(jìn)行實時監(jiān)控，系統(tǒng)利用視頻推流技術(shù)，將獲取到的監(jiān)控錄像上傳至云端，并利用上傳的蔬菜圖像與數(shù)據(jù)庫中的生長模型相對比，判斷并記錄當(dāng)前植物狀態(tài)，并針對蔬菜不同的生長狀況進(jìn)行定向施肥、灌溉。 同時在大棚外部安裝監(jiān)控，對大棚外部透光膜、蓋外保溫被的狀態(tài)和開閉程度進(jìn)行監(jiān)控。 并對電動卷簾機的工作狀況進(jìn)行實時監(jiān)控，便于用戶對自動卷聯(lián)機的控制。

2.3 灌溉、施肥系統(tǒng)

大棚內(nèi)使用多個水泵，對大棚內(nèi)蔬菜種植區(qū)域進(jìn)行分區(qū)域施肥澆灌。大棚內(nèi)傳感器對土壤pH 值、水含量及肥料含量進(jìn)行采集，并通過樹莓派將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺，通過后臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，將蔬菜種植區(qū)域內(nèi)所需要補充的土壤水含量及肥料含量發(fā)送至大棚內(nèi)液晶監(jiān)控面板顯示和遠(yuǎn)程移動端，通過用戶指令將所需肥料通過灌溉系統(tǒng)進(jìn)行定向、定量灌溉施肥[4]。

2.4 自動卷膜系統(tǒng)

自動卷膜機主要是通過系統(tǒng)控制的電機啟動帶動卷膜軸轉(zhuǎn)動， 將膜被卷起實現(xiàn)通風(fēng)窗的啟閉。可有效地控制大棚內(nèi)的溫度和濕度，給蔬菜的種植營造一個良好的生長環(huán)境，使蔬菜長勢良好，大大提高了溫室大棚種植的經(jīng)濟(jì)效益。 用戶通過系統(tǒng)設(shè)置，在卷膜機開啟和關(guān)閉的過程中，能實現(xiàn)任意位置的停止和啟動無須任何輔助裝置。

3 軟件技術(shù)設(shè)計

3.1 采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對病蟲害進(jìn)行檢測

蔬菜圖像中含有的特征信息包括葉片的紋理、病害區(qū)域的邊緣等。 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)便可以利用圖像中的特征信息對蔬菜圖像中的病蟲害類型進(jìn)行分類。 此外，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其高效的局部結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的分類性能獲得了廣泛的關(guān)注，其優(yōu)點是不需要對輸入的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，可以減少分類和學(xué)習(xí)過程中的額外工作量[5]。

3.2 采用蔬菜生長模型

采用蔬菜生長模型，通過網(wǎng)絡(luò)以及實際調(diào)研收集環(huán)境變量對蔬菜生長情況（如重量、大小等）的影響。 以環(huán)境中的一個因素為自變量，蔬菜生長情況為因變量建立坐標(biāo)系做函數(shù)圖。 根據(jù)函數(shù)圖大棚自動調(diào)控大棚內(nèi)環(huán)境，提供蔬菜最合適的生長條件。

蔬菜生長模型最重要的意義是對整個作物生育系統(tǒng)的知識進(jìn)行綜合，并量化生理生態(tài)過程及其相互關(guān)系，即綜合知識和量化關(guān)系。 蔬菜模型是利用計算機強大的信息處理和計算功能，對不同的生育過程進(jìn)行系統(tǒng)分析和合成，相當(dāng)于所研究系統(tǒng)的最新知識的積累和綜合。

3.3 開發(fā)環(huán)境與設(shè)計技術(shù)

系統(tǒng)頁面構(gòu)建主要采用uniapp 完成，前端技術(shù)使用htmlcssjavascript，主要以C/C++編程語言進(jìn)行編碼，主要使用開發(fā)工具：hbuilder、platformio（vscode），通過MQTT 協(xié)議（message queue telemetry transport，消息隊列遙測傳輸協(xié)議）進(jìn)行消息發(fā)布，實現(xiàn)移動端對物理設(shè)備的控制。

3.4 遠(yuǎn)程移動端控制

利用移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對手機移動端進(jìn)行控制，移動端控制主要包括：首頁顯示界面、控制顯示界面、視頻顯示界面、個人中心[6]。

（1）首頁界面顯示的各類參數(shù)值，為大棚內(nèi)部部署的傳感器采集到的相應(yīng)的實時數(shù)據(jù)，包括大棚中空氣溫濕度、土壤濕度、光照信息二氧化碳濃度和氮元素含量，用戶可以實時看到這些數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)對大棚內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。 如圖2所示。

圖2 首頁界面Fig.2 Home page interface

（2） 控制界面為雙膜雙結(jié)構(gòu)大棚控制中心，用于對大棚內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。 如圖3 所示。

圖3 控制界面Fig.3 Control interface

第一部分內(nèi)層為大棚的內(nèi)層膜，第二部分外層為大棚的外層膜，每層膜都可通過手機控制被獨立的打開或閉合，無需人工操作；第三部分是對風(fēng)扇的開關(guān)操作，打開風(fēng)扇，實現(xiàn)通風(fēng)以及降溫功能，當(dāng)中間區(qū)域的參數(shù)值達(dá)到期待值時，則可進(jìn)行關(guān)閉操作；第四部分通過加熱實現(xiàn)大棚的增溫操作，關(guān)閉則停止加熱；第五部分是對水泵的開關(guān)操作，打開水泵，實現(xiàn)噴灌操作，可增加空氣濕度與土壤濕度；第六部分是對智能施肥的控制開關(guān)，打開智能施肥開關(guān)，系統(tǒng)將根據(jù)生長模型中參數(shù)，實現(xiàn)施肥操作。

（3） 視頻界面為雙膜雙結(jié)構(gòu)大棚視頻監(jiān)控中心，可實時監(jiān)控大棚內(nèi)的情況，并定時拍照上傳云端，便于圖像識別病蟲害檢測。 如圖4 所示。

圖4 視頻界面Fig.4 Video interface

（4）個人中心為用戶登錄界面，用戶需登錄后才可以進(jìn)行操作。 用戶登錄分為免密登錄（手機號登錄）和賬戶登錄2 種方式，在登錄時系統(tǒng)會對用戶賬戶密碼進(jìn)行判斷， 賬戶密碼都正確才能登錄；用戶可在個人中心修改密碼、 接收系統(tǒng)推送的信息、及時向開發(fā)者反饋用戶使用信息。 如圖5 所示。

圖5 個人中心Fig.5 Personal center

4 結(jié)語

本文所設(shè)計的雙膜雙結(jié)構(gòu)新型蔬菜大棚智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實現(xiàn)了大棚保溫性能強、遠(yuǎn)程智能化控制、 智能化施肥精細(xì)化培養(yǎng)和病蟲害檢測等功能，為蔬菜提供了適宜的生長環(huán)境，有利于增加蔬菜產(chǎn)量，為種植農(nóng)戶帶來更多的經(jīng)濟(jì)收益，減輕勞動強度，推動我國自主研發(fā)型大棚系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程，促進(jìn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型向智能化農(nóng)業(yè)邁進(jìn)，為我國智能化農(nóng)業(yè)發(fā)展躋身世界前列增磚添瓦。