連棟溫室番茄生長環(huán)境監(jiān)測系統設計與試驗

周建軍+趙國新+王秀+劉建東

摘要：開發(fā)了連棟溫室番茄生長環(huán)境物聯網監(jiān)測系統，可無線遠程監(jiān)測連棟溫室番茄生長微環(huán)境數據。根據實際需求，在特菜大觀園西區(qū)連棟溫室內，布置了9個無線監(jiān)測點，每個監(jiān)測點可定時采集番茄3個高度（冠層、中部、根部）的空氣溫濕度、2個高度（冠層、中部）的光照強度、冠層光合有效輻射、CO2濃度等信息。該物聯網監(jiān)測系統連續(xù)采集了連棟溫室番茄生長環(huán)境因子數據2萬余條，數據分析表明夏天連棟溫室內中午番茄冠層溫度比番茄根部溫度高2～5 ℃，溫室內各個位置CO2濃度差異較小，各位置的光照度變化趨勢相似。

關鍵詞：番茄；環(huán)境監(jiān)測；連棟溫室；光照度；物聯網

中圖分類號： TP274文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）17-0222-04

收稿日期：2017-03-08

基金項目：國家“863計劃”（編號：2012AA10A503）；北京石油化工學院國家級大學生科學研究與創(chuàng)業(yè)行動計劃；北京市自然科學基金（編號：6142011）。

作者簡介：周建軍（1977—），男，河北懷安人，博士，副教授，主要從事農業(yè)智能裝備研究。E-mail：zhoujianjun@bipt.edu.cn。

通信作者：劉建東，碩士，教授，主要從事無線傳感器網絡和網絡安全研究。E-mail：liujiandong@bipt.edu.cn。番茄是我國乃至世界最重要的園藝產品之一，如何科學、合理、準確地調節(jié)設施內環(huán)境因素，促進果實生長、提高單果質量，進而增加產量具有重要意義[1-2]。溫室環(huán)境監(jiān)測控制系統是實現現代溫室生產自動化、高效化最為關鍵的環(huán)節(jié)。無線監(jiān)測系統架構靈活，可遠程訪問數據，無需布線[3-6]，因此選擇無線網絡進行溫室環(huán)境監(jiān)測。郭文川等利用WSN 設計了一款具有功耗低、組網靈活、可擴展性強等優(yōu)點的溫室環(huán)境信息監(jiān)測系統，能較好地滿足溫室環(huán)境監(jiān)測需求[7]。馬海龍等采用ZigBee無線傳輸技術開發(fā)了一套智能日光溫室監(jiān)控系統，可以對空氣溫濕度、土壤含水率、CO2濃度以及光照度進行檢測，并通過控制模塊實現環(huán)境參數的合力調控[8]。溫室作物微環(huán)境存在一定差異，溫室微環(huán)境研究對作物生長和立體種植都有重要的意義[9]。本研究利用ZigBee無線傳感器網絡技術，開發(fā)了連棟溫室番茄生長環(huán)境監(jiān)測系統，監(jiān)測現代化溫室番茄生長微環(huán)境信息，分析溫室番茄生長環(huán)境數據，研究連棟溫室條件下不同高度番茄冠層溫濕度、光照度和CO2濃度等的差異，旨在為溫室環(huán)境調控和立體種植提供數據支持。

1系統設計

連棟溫室蔬菜生產物聯網監(jiān)測系統由溫室蔬菜生長物聯網監(jiān)測網站、溫室蔬菜生長無線監(jiān)測系統、中心節(jié)點、無線數據采集節(jié)點和傳感器組成。溫室蔬菜生長無線監(jiān)測系統部署在計算機上，通過RS232串口連接中心節(jié)點，無線采集節(jié)點采用ZigBee無線網絡連接中心節(jié)點。中心節(jié)點是地址為0的ZigBee無線節(jié)點，可以發(fā)送數據、采集指令并接收各個無線采集節(jié)點發(fā)送的數據。無線采集節(jié)點可以采集監(jiān)測點番茄3個高度的溫濕度、2個高度的光照度、CO2濃度、光合有效輻射等環(huán)境數據。通過ZigBee無線網絡發(fā)送無線采集節(jié)點采集的數據信息到溫室蔬菜生長無線監(jiān)測系統。監(jiān)測系統總體框架如圖1所示。

1.1溫室蔬菜生長無線監(jiān)測系統軟件

溫室蔬菜生長無線監(jiān)測系統軟件（簡稱主機系統）可以采集、顯示各個無線采集節(jié)點采集的環(huán)境數據，并能定時存儲、查詢和導出監(jiān)測數據，系統主界面如圖2所示。主機系統采集的數據存入本地SQL Server 數據庫和遠程服務器數據庫。遠程服務器數據庫可以為溫室蔬菜生長物聯網監(jiān)測網站提供數據。

1.1.1主機系統數據流程主機系統軟件采用輪詢的方式采集各個無線采集節(jié)點的數據。主機系統主動查詢各個節(jié)點，各個節(jié)點接到數據指令后上報數據的方式比采用各個采集節(jié)點主動上報數據的方式系統可靠性高，可避免數據丟失。主機系統數據流程為：數據查詢命令→中心主站 →中繼路由→無線采集節(jié)點→IO 數據返回→中繼路由→中心主站→主機系統。主機系統主動輪詢各個無線采集節(jié)點的數據流程如圖3所示。主機系統查詢1個節(jié)點，并啟動超時定時器，如果設定時間內指定節(jié)點沒有響應，則查詢下一個節(jié)點。

1.1.2數據協議解析主機系統安裝在連棟溫室監(jiān)控室內，通過串口連接中心節(jié)點。中心節(jié)點接收到數據觸發(fā)主機系統串口處理函數，串口處理函數根據數據協議可解析各個無線采集節(jié)點發(fā)送的數據。數據采用十六進制格式傳輸，可減小使用文本傳輸的數據包長度。數據查詢的協議格式為：0x10+0x07+4位十六進制節(jié)點地址+0xFF。主機系統定時采集各個無線節(jié)點數據，如該系統1 min采集1次各個節(jié)點的數據，各個節(jié)點收到數據采集指令后以十六進制形式上報數據，這樣可避免數據采集節(jié)點主動上報數據，造成主機系統串口的堵塞和數據通訊的混亂，進而提高系統的穩(wěn)定性，并且可以減小數據解析難度。

溫室監(jiān)控中心主機通過串口連接ZigBee無線網絡中心節(jié)點SZ02。各個節(jié)點收到數據查詢指令后將數據發(fā)送至中心節(jié)點SZ02。因此番茄生長監(jiān)測主機系統軟件中串口可以定時發(fā)送數據上傳指令并接收各個無線生產節(jié)點發(fā)送的環(huán)境數據。溫室環(huán)境數據采用十六進制傳輸，1條完整的語句包括數據頭、數據長度、環(huán)境數據。

1.2溫室番茄生產物聯網監(jiān)測網站

溫室番茄生產物聯網監(jiān)測網站如圖4所示，網站可以通過節(jié)點編號查詢歷史監(jiān)測數據，也可以查詢某個時間段內的各個監(jiān)測節(jié)點歷史監(jiān)測數據。網站使用Java和JSP開發(fā)完成，網站發(fā)布后可供用戶查詢溫室監(jiān)測數據。網站查詢結果數據可以Excel文件格式導出，以供用戶分析使用。

1.3無線數據采集節(jié)點

無線數據采集節(jié)點主要由ZigBee無線采集模塊、CO2傳感器、空氣溫濕度一體傳感器、光照度傳感器和光合有效輻射傳感器組成。ZigBee無線采集模塊可以采集12路4～20 mA的電流信號。每個無線采集模塊都包括1個8位地址，用來標志該采集節(jié)點。該系統中溫室無線數據采集節(jié)點采集了7個傳感器數據，包括3個溫濕度傳感器、2個光照傳感器、1個CO2傳感器和1個光合有效輻射傳感器，并把采集數據通過ZigBee無線鏈路發(fā)送出去。其中CO2傳感器選用TGP-CO2型傳感器，該傳感器內置NDIR 紅外CO2 傳感器，帶RS485輸出，可以輸出4～20 mA 的CO2濃度、空氣溫濕度模擬信號。ZigBee無線采集模塊支持數據主動上報和查詢方式上報數據。該系統中主動上報時間設置為0，采用查詢方式上報數據。由于1次上報的數據包較長，故采用十六進制形式上報數據。endprint

天線無線傳輸距離標稱2 km，試驗測定無線傳輸在溫室環(huán)境下400 m距離內可以可靠傳輸。無線采集節(jié)點接收到數據發(fā)送指令，將采集到的數據發(fā)送到中心節(jié)點。數據格式如下：幀頭+總字節(jié)數+終端地址+端口號+功能編號+有效數據。

2監(jiān)測點布置

在特菜大觀園西區(qū)連棟溫室內布置了9個無線監(jiān)測點，監(jiān)測點分布如圖5所示。每個監(jiān)測點可以定時采集番茄3個高度（冠層、中部、根部）的溫濕度、2個高度（冠層、中部）的光照度、冠層光合有效輻射、CO2濃度（布置于番茄生長中部）等信息。傳感器和支架固定于番茄種植行內，避免影響行間作業(yè)車作業(yè)。傳感器固定于由水平支架和豎直支架組成的支架上，其中水平支架通過螺栓固定于豎直支架上，水平支架的高度可自由調整，以便將傳感器固定于需要的高度。監(jiān)測點安裝如圖6所示。從2016年5月6日起一直連續(xù)采集數據，每20 min保存1次數據，數據保存在SQL Server數據庫中。保存的數據可導出生成Excel文件，以方便用戶進行數據分析處理。試驗中溫室外架設氣象站，主機系統軟件可以采集氣象數據，數據包括空氣溫濕度、太陽輻射、風速、風向和降水量，氣象數據1 h保存1次。

3采集數據分析

試驗地點位于北京市昌平區(qū)特菜大觀園西區(qū)連棟溫室，溫室長55 m、寬50 m （南北向）、高6.7 m，采用荷蘭Priva公司生產的環(huán)境調控設備進行溫室環(huán)境調控。溫室北墻裝有濕簾，溫室南墻裝有多個風扇進行換風。2016年4月開始，共采集了2萬余條數據。

3.1冠層溫度和根部溫度

從圖7可以看出，10：00—14：30 冠層溫度比番茄根部溫度高3～5 ℃，其他時間溫度差異在2 ℃左右。

3.2空氣溫度和空氣濕度

2016年5月10日系統采集了第6號節(jié)點不同高度的空氣溫度和空氣濕度。從圖8可以看出，番茄根部的溫度比冠層和中間部位的溫度低，根部的濕度比冠層和中間部位的濕度大。這主要是因為番茄中間部位和根部番茄枝葉遮擋，造成溫度比冠層稍低。

3.3CO2濃度

上午CO2濃度逐漸減小，這是由于太陽照射下，番茄光合作用增強，消耗溫室內CO2，溫室內CO2濃度減小，此時可以根據番茄長勢適當進行CO2增施。夜間00：00左右由于番茄呼吸作用排放CO2，因而CO2濃度增加。

圖10是9個監(jiān)測點在一段時間內的CO2 濃度變化情況，各個節(jié)點的濃度變化趨勢基本相同，各個位置同一時間CO2 濃度差異范圍在80 μmol/mol以內。

3.4光合有效輻射和光照度

茄中間位置光照度稍低于冠層，光合有效輻射和光照度變化趨勢相同，光照度和光合有效輻射在14：00左右達到最大值。

個節(jié)點分布于溫室的不同位置，說明該連棟溫室的采光性較均勻。圖12中11：00左右光照度降低是由于此時云遮擋了太陽，光照降低。

4結論

本研究開發(fā)了連棟溫室番茄生長物聯網監(jiān)測系統，可無線遠程采集連棟溫室番茄生長環(huán)境因子數據。在特菜大觀園西區(qū)連棟溫室內，布置了9個無線監(jiān)測點，每個監(jiān)測點可以定時采集番茄3個高度（冠層、中部、根部）溫濕度、2個高度（冠層、中部）的光照度，冠層光合有效輻射、CO2濃度等信息。結果表明，夏天除冠層溫度比番茄根部溫度高2～5 ℃外，其余時間溫度差異較小，溫室內CO2濃度差異不大，光照度變化趨勢相似。通過該系統在溫室示范基地的試運行，表明該監(jiān)測系統能實時可靠采集連棟溫室的環(huán)境參數。

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