福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院　胡自強(qiáng)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡自強(qiáng)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚，能夠改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)受地域、自然環(huán)境、氣候等諸多因素的限制，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重大意義。本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫室大棚的溫、濕度等環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能調(diào)控等，為智能農(nóng)業(yè)提供了一個(gè)典型案例。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；溫室大棚；智能控制系統(tǒng)；智能農(nóng)業(yè)

1.引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)智能化成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的主要發(fā)展趨勢(shì)。近年來(lái)，農(nóng)作物溫室環(huán)境智能控制技術(shù)為農(nóng)業(yè)智能化提供了新的動(dòng)力，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚，突破了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)受地域、自然環(huán)境、氣候等諸多因素的限制，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了重大意義。

美國(guó)、以色列等西方國(guó)家在農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境智能控制技術(shù)方面發(fā)展迅速，相繼出現(xiàn)了融合氣候調(diào)節(jié)、農(nóng)田灌溉與作物的肥料供應(yīng)的一個(gè)整體的一體化的溫室網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)各種生產(chǎn)管理進(jìn)行融合，然后根據(jù)傳感器的輸入來(lái)調(diào)節(jié)各部分進(jìn)行執(zhí)行動(dòng)作，以達(dá)到最經(jīng)濟(jì)最有效的手段進(jìn)行溫室控制。

目前我國(guó)的農(nóng)作物溫室環(huán)境控制技術(shù)智能化程度較低，通信傳輸及數(shù)據(jù)控制方法較為落后，缺乏多信息融合、分析及處理的大數(shù)據(jù)支撐。因此導(dǎo)致的灌溉不合理，土壤酸堿度失衡，農(nóng)業(yè)污染嚴(yán)重，生產(chǎn)效率低下，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降等問(wèn)題影響了農(nóng)作物溫室環(huán)境智能控制技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)而影響了整個(gè)農(nóng)業(yè)智能化的發(fā)展進(jìn)程。

因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫室大棚的溫、濕度等環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能調(diào)控等，為智能農(nóng)業(yè)提供一個(gè)典型案例。

2.系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

2.1應(yīng)用場(chǎng)景（見(jiàn)圖1-1）

圖1-1　溫室大棚智能控制系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景示意圖

通過(guò)在溫室大棚中布設(shè)溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、土壤水分傳感器、光照傳感器、風(fēng)向傳感器、風(fēng)速傳感器等環(huán)境信息采集設(shè)備，實(shí)時(shí)采集大棚溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照、風(fēng)向、風(fēng)速及土壤濕度等環(huán)境參數(shù)，并將所采集的信息通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)上傳到上層監(jiān)控平臺(tái)，經(jīng)過(guò)分析、處理后，可利用移動(dòng)智能終端或PC實(shí)時(shí)監(jiān)控溫室大棚的情況，并可對(duì)排風(fēng)扇、水泵、噴頭、遮陽(yáng)簾、補(bǔ)光燈、加熱燈等可執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，整個(gè)系統(tǒng)可用太陽(yáng)能進(jìn)行能量供給。

2.2整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1-2）

本系統(tǒng)由應(yīng)用層、傳輸層、感知層這三個(gè)層次構(gòu)成。

應(yīng)用層：采用應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)作為運(yùn)行和管理平臺(tái)，應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)是一個(gè)集成的部署、測(cè)試、開(kāi)發(fā)環(huán)境，具有完善的業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)、業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和高效的運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)。用戶(hù)可通過(guò)電腦上的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控、節(jié)點(diǎn)管理、信息管理、可控設(shè)備管理等功能。

傳輸層：系統(tǒng)可通過(guò)有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)的通信網(wǎng)絡(luò)，將感知層中的終端機(jī)具采集的數(shù)據(jù)上傳到應(yīng)用層，同時(shí)將應(yīng)用層的指令下發(fā)給感知層中的設(shè)備，作為中間數(shù)據(jù)交互的承載體。

感知層：主要包含排風(fēng)扇、噴頭、加熱燈、遮陽(yáng)簾、傳感器等設(shè)備，通過(guò)傳感器采集環(huán)境信息并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)層上傳給平臺(tái)；通過(guò)接收上層下發(fā)的控制命令，可實(shí)現(xiàn)對(duì)排風(fēng)扇、噴頭、遮陽(yáng)簾、加熱燈等設(shè)備的控制。

圖1-2　溫室大棚智能控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

2.3整體技術(shù)設(shè)計(jì)描述

系統(tǒng)利用微電網(wǎng)自發(fā)電系統(tǒng)提供的綠色新能源作為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的能量供應(yīng)，在大棚中布置溫度、濕度、光照、CO2等工業(yè)級(jí)傳感器采集環(huán)境信息，在土壤中布置土壤水分、PH值等工業(yè)級(jí)傳感器對(duì)土壤進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境的整體監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)；通過(guò)本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析及大數(shù)據(jù)參考，提供最合理的溫室環(huán)境調(diào)節(jié)方案，保障各項(xiàng)調(diào)節(jié)設(shè)備的高效率運(yùn)行；通過(guò)大數(shù)據(jù)分析及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，控制溫室設(shè)備的通風(fēng)、溫度、濕度、補(bǔ)光、灌溉等調(diào)控設(shè)備的可靠運(yùn)行；利用無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)將收集的信息傳送至云服務(wù)器，利用云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)參考?xì)v史數(shù)據(jù)的綜合分析后，再將無(wú)線(xiàn)傳輸控制信號(hào)傳輸至設(shè)備端，智能化調(diào)控加熱燈、霧化噴頭、補(bǔ)光燈、通風(fēng)扇等可控設(shè)備，為農(nóng)作物健康快速生長(zhǎng)營(yíng)造一個(gè)綠色、環(huán)保、舒適的環(huán)境。

3.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

通過(guò)本方案設(shè)計(jì)的溫室大棚，能夠很好地節(jié)能，以60m*10m大的溫室大棚為例，其中所有設(shè)備的每天運(yùn)行能耗情況如下表所示，每天總能耗約24度。

表3-1　溫室大棚智能控制系統(tǒng)設(shè)備每天能耗統(tǒng)計(jì)表

在太陽(yáng)能發(fā)電方面，采用的是功率為2000W的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，每天的總發(fā)電量為14度。

表3-2　溫室大棚智能控制系統(tǒng)太陽(yáng)能發(fā)電電量統(tǒng)計(jì)表

本項(xiàng)目將微電網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)每天的發(fā)電量供給溫室大棚設(shè)備的日常運(yùn)作，溫室大棚每天的總耗電量為24.218度，微電網(wǎng)每天總發(fā)電量為14度，因此可節(jié)約整個(gè)溫室大棚57.8%的外部電網(wǎng)供電。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文圍繞基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行溫室大棚智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)展開(kāi)研究，給出了總體方案，限于篇幅，沒(méi)有附上系統(tǒng)的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)，總體效果不錯(cuò)，能夠很好地節(jié)能減排，為智能農(nóng)業(yè)提供了一個(gè)可借鑒的典型案例。

[1]華晶,何火嬌等.基于WSN的農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013年11期.

[2]楊宏業(yè),張維庭等.基于ZIgBee技術(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2016年第44卷9期.

[3]牛青松,胡永強(qiáng)等.基于無(wú)線(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,44(24).

[4]黃家兵,武震天.基于遠(yuǎn)程的溫室大棚智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].黃山學(xué)院學(xué)報(bào),2016年10月.

[5]王世明,王冰.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué),2008(36).

胡自強(qiáng)（1962－），男，副教授，工作單位：福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：電廠(chǎng)熱工測(cè)量及自動(dòng)化。