崔志強(qiáng)，田建平，劉 濤，李彩霞，劉龍兵，李迎鑫，王 興

（太原科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引 言

中國(guó)以占世界7%的耕地養(yǎng)活了幾乎占世界五分之一的人口，其中溫室大棚做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。溫室大棚的主要作用是種植一些反季節(jié)蔬菜和具有高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的作物。雖然使用傳統(tǒng)的技術(shù)手段也取得了一定的成果，但是隨著人口數(shù)量的增加、耕地面積的減少，逐漸難以滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求[1-5]。

傳統(tǒng)大棚中，農(nóng)作物若在早期出現(xiàn)問(wèn)題而未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生十分嚴(yán)重的后果，因此種植人員要隨時(shí)觀察農(nóng)作物的生長(zhǎng)趨勢(shì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，準(zhǔn)確做出決定[6-10]。但此種方式下觀察、記錄、測(cè)量農(nóng)作物數(shù)據(jù)的效率低、誤差大、勞動(dòng)強(qiáng)度大。近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科技水平不斷提高，智能技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也越來(lái)越成熟，智能化測(cè)控平臺(tái)系統(tǒng)在溫室大棚中的應(yīng)用也日漸廣泛[11-13]。相對(duì)于傳統(tǒng)溫室，智能溫室大棚可以通過(guò)傳感器精確識(shí)別農(nóng)作物的狀態(tài)并將數(shù)據(jù)上傳由上位機(jī)進(jìn)行處理。相對(duì)于傳統(tǒng)溫室大棚的大水漫灌，智能溫室大棚可以根據(jù)土壤濕度精準(zhǔn)、精確灌溉，大大減少了水資源的浪費(fèi)，保護(hù)了環(huán)境，響應(yīng)了國(guó)家節(jié)約水資源的號(hào)召，同時(shí)也更有利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)[14-15]。搭載有智能化測(cè)控平臺(tái)的大棚對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況能夠更進(jìn)一步地把控，可以大大降低害蟲對(duì)農(nóng)作物的危害程度，減輕務(wù)農(nóng)人員的壓力，逐步向半無(wú)人化和無(wú)人化發(fā)展；同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)向買家透明化展示農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

智能化測(cè)控平臺(tái)系統(tǒng)由上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)兩大部分組成，上位機(jī)系統(tǒng)主要對(duì)傳感器收集到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析處理，并對(duì)下位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控；下位機(jī)主要是由溫濕度傳感器、光照傳感器、氣體傳感器等傳感器組件以及視頻采集組件、LED 補(bǔ)光設(shè)備等組成，主要作用是將農(nóng)作物的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，并將對(duì)上位機(jī)傳下來(lái)的控制指令進(jìn)行處理。主要的控制參數(shù)如下：

（1）溫濕度：不同種類的農(nóng)作物對(duì)溫濕度有著不同的要求，根據(jù)不同的農(nóng)作物種類設(shè)置不同的參數(shù)十分關(guān)鍵。

（2）土壤干燥程度：土壤過(guò)干會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物缺水，植株會(huì)變?nèi)?，缺乏活力，葉片和新葉會(huì)枯萎、下垂、失去光澤。嚴(yán)重缺水時(shí)，葉子會(huì)變綠、變黃，甚至枯萎；而濕度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致土壤含氧率較低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致植物腐爛。

（3）營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)：氮素可促進(jìn)葉面積增大；鉀肥既可促進(jìn)葉面積增大，又能延緩葉片老化；磷在植物生長(zhǎng)前期能夠增加葉面積，但在后期又會(huì)加快葉片的老化，對(duì)植物生長(zhǎng)有直接影響。

1.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)重啟后上位機(jī)傳送指令給下位機(jī)，檢測(cè)是否有故障，若有故障則進(jìn)行報(bào)警。根據(jù)系統(tǒng)識(shí)別模塊，并以作物的種植時(shí)間作為參考判斷農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)，動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)所需要的光照、土壤濕度、土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等，以便保證農(nóng)作物的生長(zhǎng)。工作流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

智能化測(cè)控平臺(tái)系統(tǒng)的硬件部分主要是由溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器等多個(gè)傳感器以及換氣扇、水泵等組成?？傮w架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.1 溫度模塊

溫度傳感器主要是采用NTC 溫度傳感器，它是由玻璃封裝的熱敏電阻。NTC 熱敏電阻阻值隨溫室大棚環(huán)境溫度的變化情況如圖3 所示，環(huán)境溫度高時(shí)其阻值小，溫度低時(shí)阻值大。該NTC 熱敏電阻具備體型小、重量輕、構(gòu)造穩(wěn)固、精度高、熱感應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、可靠性高、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 NTC 熱敏電阻阻值隨溫度變化情況

2.1.1 溫度傳感器阻值隨溫度變化情況

NTC 熱敏電阻阻值隨溫度變化的公式如下：

式中：T為溫度；Rref為25 ℃時(shí)的標(biāo)稱值；Tref取為25 ℃；β是熱敏電阻的關(guān)鍵參數(shù)。

2.1.2 不同農(nóng)作物種子萌發(fā)的溫度范圍

不同種類的農(nóng)作物對(duì)溫度的要求不同，根據(jù)不同的農(nóng)作物種類設(shè)置不同的溫度是保證農(nóng)作物正常生長(zhǎng)的關(guān)鍵。不同農(nóng)作物種子萌發(fā)的溫度范圍見(jiàn)表1 所列。

表1 農(nóng)作物種子萌發(fā)的溫度范圍

2.2 濕度模塊

濕度模塊主要是根據(jù)土壤中的濕度來(lái)確定農(nóng)作物是否缺少水分，如果發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物缺少水分就應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行智能灌溉，滿足農(nóng)作物對(duì)水的需求。當(dāng)濕度傳感器檢測(cè)土壤中水分充足的時(shí)候就給灌溉系統(tǒng)一個(gè)停止供水的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)的自動(dòng)化，在不浪費(fèi)水資源的情況下滿足了農(nóng)作物的需要。具體流程如圖4、圖5 所示。

圖4 當(dāng)前濕度讀取流程

2.3 光照模塊

農(nóng)作物在每個(gè)生長(zhǎng)階段都需要不同強(qiáng)度的光照，以實(shí)現(xiàn)植物的最佳發(fā)育。以“長(zhǎng)日照植物”為例，它們是在日照時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)開(kāi)花的植物，需要的光照時(shí)間應(yīng)超過(guò)開(kāi)花的臨界時(shí)間（通常是14 ～18 h）。因此，它們也被稱為“短夜植物”，如菠菜、蘿卜、芙蓉、小麥和生菜。另外，也有一些“短日照植物”，例如大豆、煙草、菊花、大麻、苜蓿等，它們需要的光照時(shí)間少于開(kāi)花臨界時(shí)間（約8 ～12 h），且需要連續(xù)的黑暗時(shí)期（約14 ～16 h）才能開(kāi)花，連續(xù)的黑暗時(shí)期對(duì)于其自身的生長(zhǎng)至關(guān)重要，因此它們也被稱為“長(zhǎng)夜植物”。不同的作物種類在不同的生長(zhǎng)階段所需的光照強(qiáng)度都各不相同。通過(guò)識(shí)別模塊識(shí)別出農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況，再經(jīng)過(guò)上位機(jī)的處理和分析后傳輸給光照模塊做進(jìn)一步處理。若當(dāng)前光照強(qiáng)度低于最佳適宜強(qiáng)度，則進(jìn)行補(bǔ)光處理，反之進(jìn)行遮光處理。

2.4 識(shí)別模塊

識(shí)別模塊是智能化測(cè)控平臺(tái)系統(tǒng)的“眼睛”，它將由多個(gè)監(jiān)控?cái)z像頭收集到的信息與數(shù)據(jù)庫(kù)的信息進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而判斷出農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)，當(dāng)偏差值超過(guò)閾值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。具體流程如圖6、圖7、圖8 所示。

圖6 訓(xùn)練神經(jīng)模型

圖7 獲得圖片進(jìn)行分割

圖8 獲得作物當(dāng)前生長(zhǎng)狀態(tài)

2.5 灌溉模塊

灌溉模塊主要由蓄水池、水泵等組成。當(dāng)傳感器檢測(cè)到土壤濕度和農(nóng)作物所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度遠(yuǎn)低于常規(guī)指標(biāo)時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行灌溉和施肥，實(shí)現(xiàn)一體化。同時(shí)當(dāng)蓄水池營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度低于閾值時(shí)自動(dòng)添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如圖9 所示。

圖9 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度檢測(cè)流程

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)考慮到既要做到對(duì)大棚內(nèi)環(huán)境的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，又要保證其具有易于操作的特性，能將傳感器在大棚內(nèi)部收集到的信息準(zhǔn)確地展示給用戶。軟件部分設(shè)計(jì)有監(jiān)控模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、設(shè)備檢查模塊、生產(chǎn)日志模塊等。監(jiān)控模塊是將傳感器定期收集到的溫室大棚中農(nóng)作物的信息進(jìn)行可視化展示，用戶可以通過(guò)此模塊清楚明了地了解到農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況。參數(shù)設(shè)置模塊分為人工設(shè)置和智能設(shè)置兩種。智能設(shè)置是系統(tǒng)結(jié)合傳感器收集到的農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況數(shù)據(jù)與云數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并根據(jù)不同農(nóng)作物的不同生長(zhǎng)周期進(jìn)行更改。人工設(shè)置是指用戶可以對(duì)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行手動(dòng)更改，若是設(shè)置的參數(shù)與云數(shù)據(jù)庫(kù)的記錄有較大出入則會(huì)進(jìn)行提示。設(shè)備檢查模塊是在不同節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)進(jìn)行記錄，并及時(shí)提示務(wù)農(nóng)人員。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用快速編程方法，即軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員通過(guò)非編碼的方式進(jìn)行測(cè)控軟件的開(kāi)發(fā)，如圖10 所示。通過(guò)該方法，開(kāi)發(fā)人員只須對(duì)設(shè)備的控制工藝流程進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化為多步，使得每一步對(duì)應(yīng)一個(gè)指令，并將指令封裝至按鈕當(dāng)中，通過(guò)點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的指令按鈕，即可完成編程，從而使非專業(yè)編程人員也能完成編程工作，解決了務(wù)農(nóng)人員不會(huì)編程的問(wèn)題。

圖10 軟件拖拽編程

4 通信及測(cè)試

4.1 WiFi 通信

建立TCP 連接，指令為AT+CIPSTART。單路連接（+CIPMUX=0）時(shí)， AT+CIPSTART=，，。多路連接（+CIPMUX=1）時(shí)， AT+CIPSTART=，，， 。

連接成功，則返回：

如果連接已經(jīng)存在，則返回：

連接失敗，則返回：

4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)有較高的使用價(jià)值，能夠使大棚內(nèi)的農(nóng)作物得到智能化監(jiān)測(cè)，可以在一定程度上提高務(wù)農(nóng)人員的工作效率。具體測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2 所列。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)以及新型IT 技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)種植也將逐漸走向智能化。智能化測(cè)控平臺(tái)具有可操作性強(qiáng)、操控簡(jiǎn)單、易上手等諸多優(yōu)點(diǎn)。本文為解決傳統(tǒng)溫室大棚結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)陋、缺乏技術(shù)含量、保溫能力差、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題，在傳統(tǒng)溫室大棚中應(yīng)用了智能化測(cè)控平臺(tái)。測(cè)試結(jié)果表明，此種方式為務(wù)農(nóng)人員開(kāi)展生產(chǎn)種植提供了極大的便利。