崔玉萍，席雪琴

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

近年來(lái)，我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，一些新興農(nóng)業(yè)如食用菌產(chǎn)業(yè)逐漸興起。黨的十八大以來(lái)，食用菌種植產(chǎn)業(yè)一直朝著專業(yè)化、規(guī)?；?、多樣化方向發(fā)展，成為西北地區(qū)重要的農(nóng)業(yè)特色優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)。2021年，中國(guó)蔬菜流通協(xié)會(huì)授予武威市“中國(guó)食用菌之鄉(xiāng)”的美譽(yù)。食用菌具有高蛋白、低脂肪的特點(diǎn)，富含人體所需的多種氨基酸和微量元素，葷素食均可與之搭配[1]。食用菌是低等植物，不需要光合作用，只需提供較好的空氣溫濕度和較多的水它就可以生長(zhǎng)得很好。只要栽培所需的條件合適，一年四季都可以生產(chǎn)食用菌，不再依賴季節(jié)條件，根據(jù)市場(chǎng)的供求和生產(chǎn)周期就能隨時(shí)安排培育時(shí)間。在習(xí)近平總書記提出的大農(nóng)業(yè)觀、大食物觀理念的指導(dǎo)下，充分貫徹國(guó)家關(guān)于農(nóng)業(yè)新發(fā)展的理念。目前，武威市及其下轄縣區(qū)食用菌專業(yè)技術(shù)人才缺乏，很難滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)于技術(shù)支持的需求。因此，課題組通過(guò)將農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與食用菌生產(chǎn)相結(jié)合，研究設(shè)計(jì)了一套用于食用菌生產(chǎn)的日光溫室終端控制系統(tǒng)，以有效解決食用菌日光溫室培育過(guò)程中光、溫、水、氣、肥等精準(zhǔn)化管理的問題[2]。該系統(tǒng)不僅可以極大地降低生產(chǎn)過(guò)程中的人力及時(shí)間成本，而且可以提高食用菌的生產(chǎn)效率并改善其品質(zhì)。

1 系統(tǒng)目標(biāo)任務(wù)和技術(shù)難點(diǎn)

1.1 目標(biāo)任務(wù)

1）建立基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的食用菌日光溫室終端控制系統(tǒng)，將有效解決食用菌栽培過(guò)程中對(duì)于光、溫、水、氣等精準(zhǔn)化管理的問題，為解決武威地區(qū)食用菌產(chǎn)業(yè)化發(fā)展所面臨的現(xiàn)實(shí)困境提供參考。

2）通過(guò)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程終端控制實(shí)現(xiàn)對(duì)食用菌日光溫室的管理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)食用菌日光溫室內(nèi)的土壤溫度等數(shù)據(jù)。在大風(fēng)、極高溫、極低溫等突發(fā)災(zāi)害性天氣來(lái)臨時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)幾十座乃至上百座日光溫室的卷放簾進(jìn)行同時(shí)操控的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。通過(guò)App客戶端、微信服務(wù)平臺(tái)、手機(jī)短信、WAP網(wǎng)站等實(shí)時(shí)掌握日光溫室內(nèi)小氣候環(huán)境的變化情況，并根據(jù)日光溫室終端控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)、技術(shù)規(guī)范和生產(chǎn)建議，實(shí)現(xiàn)對(duì)日光溫室的精細(xì)化管理，使食用菌盡可能在適宜的環(huán)境條件下生長(zhǎng)、發(fā)育，有利于提高食用菌的產(chǎn)量和種植收益[3]，提高勞動(dòng)效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)減少了氣象災(zāi)害造成的損失。

1.2 技術(shù)難點(diǎn)

在食用菌日光溫室的施工建設(shè)中，要求溫室溫度保持在8 ℃~30 ℃之間，根據(jù)外部條件實(shí)施調(diào)控[4]，實(shí)現(xiàn)冬季保暖、夏季遮陰降溫的效果。如在食用菌生產(chǎn)階段，日光溫室要降低溫度，必須通過(guò)卷簾遮蔽、噴水等方式來(lái)降溫，但通風(fēng)過(guò)程中風(fēng)速不應(yīng)過(guò)高，也不能直吹向食用菌體。為此，須研發(fā)一款食用菌日光溫室專用的PLC可編程控制器，支持參數(shù)變更，既能控制大棚卷簾，也能控制氣窗，并且預(yù)留富裕接口用來(lái)控制光照及灌溉等，同時(shí)可以支持以太網(wǎng)、GPRS、Wi-Fi、ZigBee、短信等功能。所以該器件須自行設(shè)計(jì)，交由專業(yè)公司制版焊接，然后返回測(cè)試，此為技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

1）卷簾電機(jī)控制器。該控制器為關(guān)鍵器件，控制卷簾電機(jī)正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)卷簾開啟與關(guān)閉。但目前該器件多由大功率交、直流接觸器組合構(gòu)成，在實(shí)際使用中接線復(fù)雜，占用空間大，且會(huì)產(chǎn)生較大的電磁干擾。擬研究一種電機(jī)控制器，以便簡(jiǎn)化終端的接線并減小體積。

2）日光溫室氣窗開閉機(jī)構(gòu)。作為日光溫室溫度與濕度的調(diào)整窗口，氣窗開閉機(jī)構(gòu)的靈活性和可靠性至關(guān)重要。目前，氣窗開閉主要使用長(zhǎng)臂加電機(jī)和鋼絲加電機(jī)兩種形式，但這兩種機(jī)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，共同的缺點(diǎn)是存在開閉不到位或到位不停機(jī)的現(xiàn)象，容易造成日光溫室溫度與濕度調(diào)整不及時(shí)，從而影響作物生長(zhǎng)。擬研制一種新型日光溫室氣窗開閉機(jī)構(gòu)，力求機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，彌補(bǔ)上述不足。

2 系統(tǒng)技術(shù)要求和創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)技術(shù)要求

1）日光溫室氣窗開閉機(jī)構(gòu)、可編程控制器研發(fā)和控制系統(tǒng)優(yōu)化。

2）研發(fā)日光溫室氣窗開閉機(jī)械行走控制機(jī)構(gòu)，可以及時(shí)接受指令開閉氣窗，同時(shí)簡(jiǎn)化終端的接線并減小體積。

3）研發(fā)機(jī)電一體化控制箱體，要求無(wú)干擾，可以精確控制卷簾和氣窗。

4）PLC控制器研發(fā)，其研發(fā)流程圖如圖1所示。

圖1 可編程控制器研發(fā)流程圖

①溫室閉環(huán)控制系統(tǒng)運(yùn)用PLC控制器對(duì)系統(tǒng)軟件分析出來(lái)的結(jié)果進(jìn)行調(diào)節(jié)分析，所有參數(shù)根據(jù)食用菌的生長(zhǎng)需求設(shè)置。

②獲取溫室內(nèi)食用菌的生長(zhǎng)參數(shù)，依據(jù)此參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)整合溫濕度、CO2、光照等數(shù)據(jù)選擇傳感器，再根據(jù)功能不同對(duì)子節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]。

③系統(tǒng)以溫室內(nèi)食用菌的生長(zhǎng)參數(shù)和特點(diǎn)為模型開發(fā)一套專用的參數(shù)分析軟件包，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)收集的食用菌各項(xiàng)生長(zhǎng)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析、整理、優(yōu)化，最后通過(guò)閉環(huán)系統(tǒng)控制終端的調(diào)節(jié)，使作物在最佳的生長(zhǎng)環(huán)境下快速生長(zhǎng)。

5）優(yōu)化服務(wù)器后臺(tái)服務(wù)軟件及手機(jī)客戶端App。服務(wù)器后臺(tái)軟件及App除了需要滿足對(duì)日光溫室集群的控制、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)監(jiān)控日光溫室采集器上傳的數(shù)據(jù)、及時(shí)發(fā)布?xì)庀鬄?zāi)害預(yù)警信息及各類氣象信息外，還需要完善歷史查詢、操作記錄、專家論壇、農(nóng)業(yè)知識(shí)、視頻監(jiān)控、氣象調(diào)控等功能。

6）基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日光溫室終端控制研究與推廣。

2.2 創(chuàng)新點(diǎn)

搭建物聯(lián)網(wǎng)食用菌日光溫室終端控制系統(tǒng)，以日光溫室食用菌的生長(zhǎng)參數(shù)作為監(jiān)測(cè)的主要對(duì)象，對(duì)日光溫室進(jìn)行精準(zhǔn)化、智能化控制，有效改善傳統(tǒng)日光溫室栽培過(guò)程中生產(chǎn)效率低的情況，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)等多項(xiàng)控制技術(shù)對(duì)食用菌生長(zhǎng)的小氣候環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量、傳輸、存儲(chǔ)、分析、控制，可以有效提高農(nóng)作物生產(chǎn)效益，同時(shí)為食用菌種植戶取得經(jīng)濟(jì)效益，助力鄉(xiāng)村振興。

2.3 經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益

食用菌日光溫室終端控制系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立的一種集遠(yuǎn)端控制、自動(dòng)控制、手機(jī)客戶端控制及本地手動(dòng)控制于一體的智能終端控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集日光溫室內(nèi)溫度、濕度、地面溫度、CO2、光照、風(fēng)力（置于日光溫室外）等數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行處理，把處理后得到的數(shù)據(jù)與食用菌所需的最佳生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行比較分析，進(jìn)行反饋控制、調(diào)節(jié)，優(yōu)化控制過(guò)程，最終達(dá)到測(cè)試、分析、調(diào)節(jié)、測(cè)試的閉環(huán)最佳控制[6]。模擬建立一個(gè)適合食用菌生長(zhǎng)的氣候條件，適時(shí)提供檢測(cè)溫度、濕度、CO2等數(shù)據(jù)，創(chuàng)造一個(gè)人工氣象環(huán)境。在模擬的食用菌最佳生長(zhǎng)環(huán)境中保證農(nóng)作物可以實(shí)現(xiàn)反季節(jié)高產(chǎn)，可以不再完全依賴自然條件。同時(shí)，為規(guī)范市場(chǎng)、穩(wěn)定市場(chǎng)秩序，日光溫室控制系統(tǒng)需建立配套的終端控制系統(tǒng)性能指標(biāo)技術(shù)規(guī)范，以確?？刂葡到y(tǒng)安全、可靠、有效，可以為規(guī)?；⒏咝ЩN植和推廣優(yōu)質(zhì)品種提供有力保障。

在武威市推廣與應(yīng)用日光溫室終端控制系統(tǒng)，可以填補(bǔ)武威地區(qū)食用菌栽培日光溫室智能化控制技術(shù)的空白，并對(duì)農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)備（如蔬菜溫室大棚、養(yǎng)殖溫室等）智能控制設(shè)備進(jìn)行規(guī)范化管理，同時(shí)對(duì)于統(tǒng)一規(guī)范武威地區(qū)食用菌日光溫室自動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)、制造、安裝行為，提供具有科學(xué)性、公正性、權(quán)威性的指導(dǎo)。此外，對(duì)于行業(yè)的良性競(jìng)爭(zhēng)及優(yōu)勝劣汰起到促進(jìn)作用，保障有關(guān)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速、高效。另外，可以派遣團(tuán)隊(duì)走村入戶，推廣食用菌栽培技術(shù)，使更多農(nóng)戶栽培食用菌，提高農(nóng)戶收入，助力鄉(xiāng)村振興。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)前農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。首先，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化、高效化，改變傳統(tǒng)的農(nóng)耕生產(chǎn)管理模式，使現(xiàn)代農(nóng)業(yè)朝著信息化與產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。其次，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展也為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣與應(yīng)用提供了平臺(tái)。物聯(lián)網(wǎng)是以傳感器技術(shù)為載體的新網(wǎng)絡(luò)，在現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)中，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)建了全方位的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)多個(gè)傳感器采集數(shù)據(jù)結(jié)合農(nóng)作物生產(chǎn)的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)物物相聯(lián)的目標(biāo)，可以幫助農(nóng)戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，準(zhǔn)確地捕捉發(fā)生問題的位置，對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)過(guò)程如耕作、播種、施肥、灌溉等田間作業(yè)進(jìn)行數(shù)字化、智能化控制，提高農(nóng)業(yè)投入的資源利用率和生產(chǎn)效率[7]。建立基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的食用菌日光溫室終端控制系統(tǒng)，能提供一種集遠(yuǎn)端控制、自動(dòng)控制、手機(jī)客戶端控制及本地手動(dòng)控制于一體的智能終端控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集日光溫室食用菌的生長(zhǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，再進(jìn)行反向控制、調(diào)節(jié)。物聯(lián)網(wǎng)與日光溫室結(jié)合如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)與日光溫室結(jié)合圖

3.2 溫室現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)搭建

智能溫室現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行各類執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制命令。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的食用菌日光溫室智能終端控制系統(tǒng)，下位機(jī)控制是基于PLC控制器實(shí)現(xiàn)的，在日光溫室控制系統(tǒng)中采用多個(gè)傳感器（溫度、濕度等）對(duì)溫室大棚環(huán)境中各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將測(cè)量結(jié)果傳輸?shù)絇LC中，在PLC中將其與設(shè)定值進(jìn)行分析比較，PLC再發(fā)出相應(yīng)的指令驅(qū)動(dòng)外圍設(shè)備來(lái)調(diào)節(jié)控制溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚的精準(zhǔn)控制[8]。在此過(guò)程中，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都會(huì)在顯示屏上顯示[9]，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面可以在終端顯示的效果。該系統(tǒng)核心部件是可編程控制器，通過(guò)多個(gè)傳感器對(duì)溫室環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，PLC將參數(shù)轉(zhuǎn)為電流信號(hào)后輸送給模擬量輸入模塊進(jìn)行分析處理，輸出開關(guān)量信號(hào)，利用多個(gè)驅(qū)動(dòng)電路控制通風(fēng)換氣扇、風(fēng)機(jī)、卷簾等多種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室現(xiàn)場(chǎng)的智能化、精準(zhǔn)化控制[10]。該系統(tǒng)可以通過(guò)上位機(jī)PC和下位機(jī)PLC之間的組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，完成人機(jī)交互的功能[11]。下位機(jī)采集到的溫室參數(shù)的實(shí)時(shí)值、執(zhí)行機(jī)頭的狀態(tài)、報(bào)名與否等溫室內(nèi)參數(shù)信息可以通過(guò)控制終端軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將監(jiān)控結(jié)果顯示在界面上。

3.3 溫室終端控制系統(tǒng)搭建

溫室智能控制終端是通過(guò)收集傳感器反饋的數(shù)據(jù)，對(duì)食用菌生產(chǎn)參數(shù)的需求數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、顯示，經(jīng)大數(shù)據(jù)處理后以表格或圖表的形式展現(xiàn)給用戶，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制和預(yù)警等功能[12]。物聯(lián)網(wǎng)智能溫室大棚控制終端軟件主要有手機(jī)App、平板應(yīng)用、PC應(yīng)用以及微信公眾號(hào)或小程序等。包含手機(jī)App平臺(tái)和網(wǎng)頁(yè)版平臺(tái)，其中手機(jī)App部署在具有Android操作系統(tǒng)的手機(jī)上，以網(wǎng)絡(luò)瀏覽器作為應(yīng)用對(duì)象的終端控制系統(tǒng)，旨在提供遠(yuǎn)程控制輸出（繼電器、開關(guān)量）、模擬量（4 mA~20 mA、0 V~10 V、0 V~5 V）采集、開關(guān)量采集報(bào)警等服務(wù)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室終端控制系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)傳感器（溫度、濕度等）對(duì)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，將采集的信息傳輸給PLC控制器進(jìn)行數(shù)值處理[13]，PLC通過(guò)信息反饋來(lái)調(diào)控溫度，控制遮陽(yáng)、通風(fēng)、澆水等操作，實(shí)現(xiàn)溫室農(nóng)作物生長(zhǎng)各項(xiàng)參數(shù)的精準(zhǔn)化、智能化控制。溫室大棚自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用不僅可以精準(zhǔn)調(diào)控溫室內(nèi)小氣候環(huán)境，提供符合農(nóng)作物生長(zhǎng)需求的最佳參數(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的高效生產(chǎn)、反季節(jié)生產(chǎn)，提高食用菌等農(nóng)作物的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)的食用菌日光溫室終端控制系統(tǒng)，結(jié)合了武威地區(qū)干旱性氣象特點(diǎn)，可以有效解決氣象要

素與日光溫室各項(xiàng)參數(shù)融合的問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室的智能化、精準(zhǔn)化控制。同時(shí)，按照食用菌農(nóng)藝要求，建設(shè)適宜食用菌生長(zhǎng)的最佳環(huán)境，可以有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)設(shè)施智能控制設(shè)備的規(guī)范化管理。此外，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，推廣食用菌日光溫室現(xiàn)代化、智能化控制技術(shù)，可以有效促進(jìn)食用菌產(chǎn)業(yè)規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化、品質(zhì)化轉(zhuǎn)變，促進(jìn)農(nóng)戶增收致富，助力鄉(xiāng)村振興。