徐嵐俊,李小龍,陳 華,張傳帥,劉婞韜
(北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站,北京 100079)
日光溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)對(duì)于促進(jìn)北京現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有積極作用,主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面:在政策上,隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,北京農(nóng)業(yè)瞄準(zhǔn)“科技創(chuàng)新中心”的定位,為發(fā)揮農(nóng)業(yè)科技輻射、引領(lǐng)帶動(dòng)京津冀三地農(nóng)業(yè)水平提高的作用,實(shí)現(xiàn)“調(diào)糧、保菜、做精畜牧水產(chǎn)”的目標(biāo),在蔬菜種植園區(qū)建設(shè)上,需要開展先進(jìn)智能化技術(shù)配套的研究示范;在產(chǎn)業(yè)上,隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn),人工匱乏、工作效率和園區(qū)管理效率低下、種植科學(xué)化程度低等問題日益凸顯,都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)勞動(dòng)生產(chǎn)率、土地利用率、資源利用率提升的需求日趨旺盛,需要綜合各園區(qū)的管理與生產(chǎn)環(huán)節(jié)要素,通過智能化的管理和控制手段,實(shí)現(xiàn)資源的合理調(diào)配、科學(xué)的管理、精細(xì)化的種植,加快發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變;在生產(chǎn)上,智能化、信息化技術(shù)能實(shí)現(xiàn)管理由定性向定量的轉(zhuǎn)變,使管理人員對(duì)水、肥、光、溫濕度等影響作物生長(zhǎng)的因子調(diào)節(jié)更加精準(zhǔn)便捷,決策判斷更加科學(xué)。日光溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)能有效提高蔬菜種植生產(chǎn)效率、節(jié)約人工和提高經(jīng)濟(jì)效益,能讓管理環(huán)節(jié)變得高效,為規(guī)?;O(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
近年來,隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,北京市大規(guī)模種植的園區(qū)普遍開展了環(huán)境信息采集技術(shù)的試驗(yàn)應(yīng)用,但基于環(huán)境信息采集的智能控制還沒有完全應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中,目前應(yīng)用的信息采集系統(tǒng)主要依據(jù)農(nóng)民的生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn),而環(huán)境監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沒有結(jié)合作物的實(shí)時(shí)生長(zhǎng)情況,尚未充分具備科學(xué)研究的價(jià)值。為了更有效地提高日光溫室管理的科技水平,在對(duì)京郊各大種植園區(qū)以及國(guó)內(nèi)各設(shè)施農(nóng)業(yè)信息化先進(jìn)企業(yè)進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了基于作物生長(zhǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的日光溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng),為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在日光溫室中的深入應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
如圖1所示,系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要包括遠(yuǎn)程控制云平臺(tái)、室外環(huán)境監(jiān)測(cè)、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)、電腦管理平臺(tái)和移動(dòng)管理平臺(tái)等部分,分為信息采集子系統(tǒng)、智能控制子系統(tǒng)和智能管理子系統(tǒng)。系統(tǒng)通過各種傳感器等監(jiān)測(cè)設(shè)備感知溫室內(nèi)的環(huán)境及作物生長(zhǎng)信息。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過通信終端進(jìn)入上位機(jī)系統(tǒng)[1],并對(duì)溫室監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算、分析和共享;同時(shí),傳感器采集的環(huán)境信息和作物生長(zhǎng)信息形成的大數(shù)據(jù)可供給技術(shù)人員進(jìn)行研究,溫室環(huán)境控制系統(tǒng)通過控制終端對(duì)調(diào)控設(shè)備進(jìn)行控制。該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以通過App向用戶及時(shí)發(fā)送實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息、預(yù)警信息,實(shí)現(xiàn)日光溫室集成化、網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程管理。
圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
信息采集是實(shí)現(xiàn)信息化管理、智能化控制的基礎(chǔ)。信息采集主要依托于傳感器技術(shù)來實(shí)現(xiàn),由于日光溫室內(nèi)高溫、高濕的環(huán)境特性,傳感器需具備耐高溫、耐腐蝕等功能。目前,主要應(yīng)用的信息采集項(xiàng)目有空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度、光照瞬時(shí)值等,信息采集子系統(tǒng)應(yīng)用植物長(zhǎng)勢(shì)傳感技術(shù),實(shí)現(xiàn)作物生長(zhǎng)情況和環(huán)境情況的同步采集,包括果實(shí)膨大傳感器、莖稈微變化傳感器、葉片溫度傳感器以及信息采集終端等。
信息采集系統(tǒng)通過各類不同傳感器按照設(shè)置的采集時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的采集,采集的信息通過低功率的ZigBee無線通信技術(shù)[2]傳輸?shù)綔厥覂?nèi)的中心節(jié)點(diǎn),溫室內(nèi)的中心節(jié)點(diǎn)通過有線網(wǎng)絡(luò)等傳輸方式將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)的服務(wù)器上存儲(chǔ),中心節(jié)點(diǎn)的發(fā)送地址可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行批量修改。
智能控制子系統(tǒng)是日光溫室物聯(lián)網(wǎng)的核心。系統(tǒng)利用傳感器監(jiān)測(cè)到的環(huán)境和作物生長(zhǎng)信息與作物的生長(zhǎng)決策模型匹配[3],將匹配結(jié)果通過互聯(lián)網(wǎng)反饋到溫室內(nèi)相應(yīng)的控制器,由控制器引導(dǎo)相應(yīng)的設(shè)備運(yùn)行。目前日光溫室中的智能控制系統(tǒng)主要涉及卷簾、補(bǔ)光、除霧、灌溉、施肥等,技術(shù)最成熟的是智能灌溉和施肥,但精確補(bǔ)光、除霧手段還較難實(shí)現(xiàn)。
智能控制系統(tǒng)主要包括任務(wù)計(jì)劃、預(yù)警預(yù)報(bào)、電動(dòng)控制3個(gè)部分??茖W(xué)的任務(wù)計(jì)劃以生長(zhǎng)決策模型作支撐,本系統(tǒng)的任務(wù)計(jì)劃采用2種方式,一是在自動(dòng)灌溉施肥方面,根據(jù)不同的配方施肥要求在可編程控制器上設(shè)置相應(yīng)的施肥程序,通過肥料注射裝置,自動(dòng)施加肥料溶液。通過這種自動(dòng)施肥系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確可控的水肥一體化灌溉方式,從而大大提高水肥利用效率,充分滿足作物生長(zhǎng)的需要;二是在卷簾、補(bǔ)光、除霧等環(huán)節(jié),采用經(jīng)驗(yàn)控制,通過經(jīng)驗(yàn)提前設(shè)置作業(yè)時(shí)間、作業(yè)觸發(fā)條件等進(jìn)行觸發(fā)控制。
智能控制子系統(tǒng)的核心部分是水肥一體化灌溉施肥模塊,該模塊設(shè)計(jì)的工作方式為顯示器(上位機(jī))→不同通訊方式→可編程控制器→控制電纜或無線電→田間控制單元→控制命令管或電纜→灌溉閥門。智能控制子系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成。
1.3.1 顯示器
用于與控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊,提供操作簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)人機(jī)運(yùn)行界面,數(shù)據(jù)信息長(zhǎng)期存儲(chǔ),作為網(wǎng)絡(luò)化控制的服務(wù)中心。
1.3.2 可編程控制器
可編程自動(dòng)控制器是整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分,相當(dāng)于整個(gè)控制系統(tǒng)的“大腦”。它負(fù)責(zé)整個(gè)灌溉系統(tǒng)程序的運(yùn)行和操作、數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)、系統(tǒng)的報(bào)警監(jiān)控等。
1.3.3 田間電動(dòng)控制閥門
通過控制電纜連接到可編程控制器,根據(jù)可編程控制器上設(shè)置的灌溉施肥程序,自動(dòng)執(zhí)行來自控制器的命令,實(shí)現(xiàn)灌溉的自動(dòng)啟動(dòng)和關(guān)閉。
1.3.4 自動(dòng)施肥系統(tǒng)
根據(jù)不同的配方施肥要求,在可編程控制器上設(shè)置相應(yīng)的施肥程序,通過文丘里施肥泵、電動(dòng)脈沖式施肥泵或其他肥料注射裝置,自動(dòng)向灌溉系統(tǒng)按比例均勻施加肥料溶液。通過這種自動(dòng)施肥系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確可控的水肥一體化的灌溉方式,從而達(dá)到真正的水肥耦合效應(yīng)。
1.3.5 自動(dòng)控制配電箱
用于灌溉控制系統(tǒng)中的控制終端設(shè)備,如水泵、電機(jī)等設(shè)備的自動(dòng)化控制。
1.3.6 不同規(guī)格的控制電纜
控制命令和數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸工具,用于連接自動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)部的所有構(gòu)成設(shè)備。
1.3.7 無線電發(fā)送接收裝置
專業(yè)化設(shè)計(jì)的無線控制模塊,用于無線控制模式。
1.3.8 電源穩(wěn)壓裝置和雷電保護(hù)裝置
自動(dòng)灌溉施肥控制系統(tǒng)為可編程控制器和各個(gè)控制輸出設(shè)備配備了先進(jìn)的電源穩(wěn)壓裝置和雷電保護(hù)裝置,能夠盡可能減少電源系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)的影響,以便于控制系統(tǒng)能夠在惡劣的環(huán)境條件下正常運(yùn)行。
1.3.9 傳感或信號(hào)輸入設(shè)備
主要指用于監(jiān)控灌溉系統(tǒng)運(yùn)行狀況的傳感設(shè)備以及提供控制條件或運(yùn)行數(shù)據(jù)的傳感器或信號(hào)輸入設(shè)備。
1.3.10 預(yù)警預(yù)報(bào)
主要根據(jù)作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)的安全閾值來啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。
1.3.11 電動(dòng)控制
通過控制電纜連接到可編程控制器,根據(jù)可編程控制器上設(shè)置的條件,自動(dòng)執(zhí)行來自控制器的命令,將命令轉(zhuǎn)化為電動(dòng)開關(guān)的工作狀況。
智能管理子系統(tǒng)包括基礎(chǔ)管理、農(nóng)事管理、監(jiān)測(cè)控制管理、物流調(diào)度管理。
1.4.1 基礎(chǔ)管理
包括園區(qū)數(shù)字地圖展示、視頻監(jiān)控和土地、人員及固定資產(chǎn)的數(shù)字化管理。通過系統(tǒng)方便地規(guī)劃土地、溫室、人員、固定資產(chǎn)等各種資源,并詳盡記錄這些資源的歷史和當(dāng)前情況,使農(nóng)場(chǎng)管理人員可以輕松、高效地管理園區(qū)。
1.4.2 農(nóng)事管理
排產(chǎn)數(shù)字化,根據(jù)園區(qū)資源合理安排生產(chǎn)。通過管理系統(tǒng)制定生產(chǎn)計(jì)劃,記錄每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各類資源參與情況以及每個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)情況。
1.4.3 監(jiān)測(cè)控制管理
通過物聯(lián)網(wǎng)查看傳感器采集的土壤溫度、土壤水分、空氣溫濕度、光照及作物生長(zhǎng)指標(biāo)等信息,設(shè)定溫室內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行條件,當(dāng)環(huán)境信息未達(dá)到預(yù)先設(shè)定的條件時(shí),自動(dòng)啟動(dòng)溫室內(nèi)的相關(guān)設(shè)備,具體包括自動(dòng)卷簾、自動(dòng)灌溉、自動(dòng)加濕除濕、自動(dòng)施肥、自動(dòng)補(bǔ)光等設(shè)備。
1.4.4 物流調(diào)度管理
在物流運(yùn)輸車上安裝調(diào)度終端,實(shí)時(shí)采集運(yùn)輸情況,記錄運(yùn)輸車輛的行走路徑等。
根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)需求,結(jié)合信息系統(tǒng)建設(shè)的成功經(jīng)驗(yàn),采用以下設(shè)計(jì)原則進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
1.5.1 易用性原則
指系統(tǒng)使用的方便程度。由于系統(tǒng)建成后的使用者比較多,使用者的專業(yè)知識(shí)水平、對(duì)農(nóng)業(yè)信息化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的了解程度大不相同;這就要求系統(tǒng)界面盡量簡(jiǎn)潔易懂,使系統(tǒng)使用者能夠在短期內(nèi)接受、了解、熟知并應(yīng)用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。
1.5.2 穩(wěn)定性原則
系統(tǒng)穩(wěn)定性是指系統(tǒng)保持正常運(yùn)行的能力。由于系統(tǒng)一旦建立,將嵌入到日常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中,一旦系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況,將會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理活動(dòng)造成很大的影響;因此系統(tǒng)配置的各類硬件設(shè)備必須安全、穩(wěn)定、可靠。系統(tǒng)應(yīng)該采用容錯(cuò)性設(shè)計(jì)[4],使得系統(tǒng)局部出現(xiàn)問題不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的使用。
1.5.3 安全性原則
系統(tǒng)安全性是指保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)重要機(jī)密信息不泄露,防御外部惡意攻擊的能力[5]。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮使用多重防護(hù)的安全體系,對(duì)于數(shù)據(jù)的安全和保密應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的處理,提高系統(tǒng)對(duì)于惡意攻擊的防護(hù)能力,并保證與其他應(yīng)用系統(tǒng)或異構(gòu)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽啃院鸵恢滦?,確保不會(huì)有非授權(quán)操作和意外的非正常的操作,保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全、完整。
1.5.4 可擴(kuò)展升級(jí)原則
可擴(kuò)展升級(jí)是指系統(tǒng)在使用過程中根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行功能擴(kuò)展或升級(jí)的能力。
1.5.5 規(guī)范性原則
系統(tǒng)采用統(tǒng)一采集指標(biāo)、統(tǒng)一編碼規(guī)則、統(tǒng)一傳輸格式、統(tǒng)一接口規(guī)范,并且形成對(duì)外公布的數(shù)據(jù)接口,保證設(shè)施種植園區(qū)無論應(yīng)用哪類物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),只要對(duì)應(yīng)該數(shù)據(jù)接口,即可向系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù),為下一步在全市推廣應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
2016年9 月—2017年3月,結(jié)合順義、密云、房山的4個(gè)蔬菜種植園區(qū)的實(shí)際生產(chǎn),在8棟日光溫室內(nèi)安裝了系統(tǒng)涉及的硬件,應(yīng)用系統(tǒng)管理園區(qū),從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的試驗(yàn)驗(yàn)證。
經(jīng)試驗(yàn),系統(tǒng)在短距離采用了ZigBee技術(shù),傳輸穩(wěn)定,響應(yīng)時(shí)間短,180 d內(nèi)沒有出現(xiàn)控制失常的情況。
溫度傳感器的分辨率達(dá)0.1 ℃,誤差為±0.5 ℃;濕度傳感器的分辨率達(dá)到±0.1%(RH),誤差為±3%(RH);光照強(qiáng)度傳感器分辨率在1%,誤差為±5%;二氧化碳濃度分辨率為1 μL/L,誤差為±3%。傳感器耗電低,斷電后已采集的數(shù)據(jù)不受影響。
園區(qū)管理者登錄后,可實(shí)時(shí)查看園區(qū)的監(jiān)控情況,生產(chǎn)數(shù)據(jù)精確到每棟溫室,可記錄生產(chǎn)、采收、庫(kù)存情況,傳感器采集的數(shù)據(jù)可以隨便分時(shí)段、分傳感器統(tǒng)計(jì)查詢,可以曲線圖顯示,具備預(yù)警、預(yù)報(bào)的功能,控制系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行自動(dòng)、手動(dòng)控制,系統(tǒng)記錄所有設(shè)備的工作情況,APP具備系統(tǒng)的所有功能。
作物長(zhǎng)勢(shì)傳感器能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物莖稈粗細(xì)的變化、果實(shí)膨大速率、葉面的溫度等,能夠直觀地反映植物的生長(zhǎng)狀態(tài)。作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)有助于建立科學(xué)的植物生長(zhǎng)模型,反映環(huán)境和作物生長(zhǎng)最直接的聯(lián)系,并反過來指導(dǎo)生產(chǎn),如果不應(yīng)用長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)技術(shù),則無法判斷生長(zhǎng)環(huán)境條件供給的科學(xué)合理性。2017年3月份在京郊開展的作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果如下:3 d灌溉1次,第3天時(shí)作物莖稈的生長(zhǎng)速度明顯變小;4 d灌溉1次,第4天時(shí)作物莖稈停止生長(zhǎng),同時(shí),果實(shí)生長(zhǎng)速度也明顯變慢;2 d灌溉1次,無論作物莖稈還是果實(shí)均保持平穩(wěn)生長(zhǎng)。試驗(yàn)表明:作物的長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)能科學(xué)地檢驗(yàn)作物的生長(zhǎng)情況,從而結(jié)合環(huán)境的監(jiān)測(cè)判斷出作物在不同生長(zhǎng)階段對(duì)環(huán)境的需求量,為下一步量化作物的生長(zhǎng)需要與制作科學(xué)的作物生長(zhǎng)決策模型打下基礎(chǔ)。
基于作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)的日光溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用了無線傳輸、傳感器、計(jì)算機(jī)編程等技術(shù),具備信息采集、智能控制、智能管理三大系統(tǒng)。結(jié)合4個(gè)園區(qū)8棟溫室的應(yīng)用實(shí)踐,進(jìn)行了系統(tǒng)應(yīng)用、硬件穩(wěn)定性、傳感技術(shù)準(zhǔn)確性的驗(yàn)證,表明系統(tǒng)穩(wěn)定、精確,可以進(jìn)行示范推廣。同時(shí),系統(tǒng)只進(jìn)行了初步的作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)與試驗(yàn)驗(yàn)證,接下來可以借助作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)技術(shù)針對(duì)各類作物進(jìn)行細(xì)致的研究,研究不同作物生長(zhǎng)與水、光、氣、土等環(huán)境條件的關(guān)系,進(jìn)一步指導(dǎo)科學(xué)生產(chǎn),提高生產(chǎn)效率,避免浪費(fèi)。
就目前的試驗(yàn)示范情況來看,該系統(tǒng)的應(yīng)用主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì):
一是合理施用化肥,降低生產(chǎn)成本,減少環(huán)境污染。采用因土、因作物、因時(shí)間全面平衡施肥技術(shù),有效避免了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中因經(jīng)驗(yàn)施肥而造成的三多三少(化肥多,有機(jī)肥少;N肥多,P、K肥少;三要素肥多,微量元素少),N、P、K比例失調(diào)的狀況,具有明顯的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。
二是節(jié)約水資源。目前傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉方式的水分利用率只有40%左右,而溫室大棚控制系統(tǒng)可通過作物動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù),實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定量供給水分,同時(shí)應(yīng)用滴灌、微灌等一系列新型灌溉技術(shù),使水的消耗量減少到最低程度,并能夠獲得盡可能高的產(chǎn)量。
三是使農(nóng)作物的物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)得到合理分配,保證農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。通過各類傳感器和智能控制設(shè)備,對(duì)農(nóng)作物的生產(chǎn)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和控制,并根據(jù)其結(jié)果采取相應(yīng)的措施。
另外,目前市場(chǎng)上環(huán)境監(jiān)測(cè)、控制設(shè)備眾多,有必要進(jìn)一步建立各類日光溫室生產(chǎn)及環(huán)境情況的大數(shù)據(jù)平臺(tái),提供標(biāo)準(zhǔn)的接口,方便各個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)把數(shù)據(jù)共享到該大數(shù)據(jù)平臺(tái),便于政府決策和科研利用。
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