農(nóng)業(yè)大棚智能溫室控制系統(tǒng)解決方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、托普物聯(lián)網(wǎng)開創(chuàng)智慧農(nóng)業(yè)新時(shí)代!農(nóng)業(yè)大棚智能溫室控制系統(tǒng)解決方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：設(shè)計(jì)了一套能實(shí)時(shí)控制農(nóng)業(yè)種植溫室內(nèi)溫度、濕度、光照度及C02濃度等參數(shù)的測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝了農(nóng)藝專家管理程序，能給出不同時(shí)期作物生 長(zhǎng)所需要的最佳環(huán)境參數(shù)，并自動(dòng)生成合理的控制方案，實(shí)現(xiàn)了人造氣候的智能 化管理。闡述了一個(gè)大棚智能溫室控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠、成本低。系統(tǒng)通 過(guò)對(duì)溫室內(nèi)的溫度與濕度參量的采集，并根據(jù)上述參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度的自動(dòng) 調(diào)節(jié)，達(dá)到了溫室大棚自動(dòng)控制的目的。關(guān)鍵詞:農(nóng)業(yè)溫室；農(nóng)業(yè)專家管理系統(tǒng)；專家決策；人造氣候；智能溫室控 制系統(tǒng)托普物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)為：溫室生產(chǎn)是一種人為地創(chuàng)造作物生長(zhǎng)所需的最佳環(huán)

2、境條 件，通過(guò)科學(xué)的經(jīng)營(yíng)管理獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。其關(guān)鍵技術(shù)為環(huán)境控制，溫室環(huán)境控制是通過(guò)改變溫室內(nèi)的溫度、 濕度、光照和C02濃度等環(huán)境因 子來(lái)獲得作物生長(zhǎng)的最佳條件，從而提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。溫室環(huán)境控制在所有室 內(nèi)環(huán)境控制中是最困難的，除了要監(jiān)控溫度和濕度外，還需兼顧土壤水分、光照 度、C02濃度、EC值和pH值等。由于溫室環(huán)境控制的對(duì)象種類繁多,在不同生長(zhǎng) 階段的需求也各不相同，而且受能源、資金、勞動(dòng)力等資源的限制及市場(chǎng)與天氣 變化的影響，溫室環(huán)境控制必須在極有效率的狀態(tài)下進(jìn)行。因此，要建立一個(gè)良好的智能溫室控制系統(tǒng)，就必須要有一個(gè)良好的系統(tǒng)控制方案。智能溫室控制系統(tǒng)是專門為農(nóng)業(yè)

3、溫室、 農(nóng)業(yè)環(huán)境控制、氣象觀測(cè)開發(fā)生產(chǎn)的 環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)?？蓽y(cè)量風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、光照、氣壓、雨量、太陽(yáng) 輻射量、太陽(yáng)紫外線、土壤溫濕度等農(nóng)業(yè)環(huán)境要素，根據(jù)溫室植物生長(zhǎng)要求，自 動(dòng)控制開窗、卷膜、風(fēng)機(jī)濕簾、生物補(bǔ)光、灌溉施肥等環(huán)境控制設(shè)備，自動(dòng)調(diào)控 溫室內(nèi)環(huán)境，達(dá)到適宜植物生長(zhǎng)的范圍，為植物生長(zhǎng)提供最佳環(huán)境。一、國(guó)內(nèi)智能化溫室現(xiàn)狀目前，國(guó)內(nèi)具有生產(chǎn)智能化溫室能力的公司約 20余家，由于其研制時(shí)間較 早，受當(dāng)時(shí)的電腦水平和國(guó)內(nèi)部分種類傳感器的性能所限，系統(tǒng)整體水平不高。 此外，由于其產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)間短，系統(tǒng)的可靠性和耐用性還有待證明。目前， 國(guó)內(nèi)公司主要依靠自己的力量研發(fā)，雖擁有獨(dú)立的知

4、識(shí)產(chǎn)權(quán)，但仍無(wú)法與荷蘭、 以色列等國(guó)家的智能化溫室系統(tǒng)相比。一是此類設(shè)備價(jià)格昂貴，不能得到普及；二是對(duì)各種參數(shù)的控制缺少智能化， 而使其應(yīng)用受栽培學(xué)知識(shí)的局限性。 一種植 物在不同的生長(zhǎng)期其最佳氣候要求不同，不同植物在相同生長(zhǎng)期的最佳氣候要求 也不同，由于操作者不一定是農(nóng)業(yè)專家，其設(shè)定的氣候參數(shù)是否是植物本生長(zhǎng)期 的最佳參數(shù)，因此操作人直接影響著自控系統(tǒng)效益的發(fā)揮。為此，我們從植物的生長(zhǎng)需求出發(fā)，利用電子技術(shù)、生物技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)開發(fā)了一套農(nóng)業(yè)種植 溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝了“農(nóng)業(yè)專家管理系統(tǒng)”，能夠及時(shí)為用戶提供 溫室各種作物在不同時(shí)期生長(zhǎng)所需要的最佳氣候參數(shù)及栽培技術(shù)和措施，不但能

5、為不懂農(nóng)業(yè)技術(shù)的用戶提供技術(shù)幫助和實(shí)時(shí)指導(dǎo)， 而且能自動(dòng)生成合理的控制方 案，實(shí)現(xiàn)了人造氣候的智能化管理。二、系統(tǒng)構(gòu)成及功能本系統(tǒng)以主機(jī)為上位機(jī)，以若干個(gè)溫室內(nèi)的“氣候自動(dòng)控制器”為下位機(jī)，其間以通訊線路相連接（圖 1）。各溫室內(nèi)的“氣候自動(dòng)控制器”負(fù)責(zé)采集本溫 室溫度、濕度、光照度和C02濃度等氣候參數(shù)，并通過(guò)通訊線路傳送給主機(jī)，主 機(jī)通過(guò)我們開發(fā)的軟件，把傳來(lái)的氣候參數(shù)與“農(nóng)業(yè)專家管理系統(tǒng)”對(duì)各溫室事 先設(shè)定的最佳氣候參數(shù)進(jìn)行比較、分析和運(yùn)算，向各溫室的“氣候自動(dòng)控制器” 發(fā)出“通風(fēng)、加熱、噴淋、調(diào)節(jié)光照、補(bǔ)充 C02等相應(yīng)控制指令，各溫室內(nèi)的“氣候自動(dòng)控制器”根據(jù)主機(jī)對(duì)本溫室的控制指令立

6、即接通或斷開“通風(fēng)機(jī)”、“加熱器”、“淋水泵”、“光照調(diào)節(jié)裝置”和“ C02施放機(jī)構(gòu)”等設(shè)備的電源，從 而控制溫室的氣候參數(shù)始終保持在適合植物快速生長(zhǎng)的最佳狀態(tài)。1忙乩1d1F*1F i*' HlL * 1LE1系疣控桝黨綻2.1氣候參數(shù)的采集溫室環(huán)境氣候參數(shù)的采集依靠傳感器進(jìn)行，包括土壤濕度傳感器、葉面濕度 傳感器、空氣溫濕度一體化傳感器、光照度傳感器、 C02專感器。它們是監(jiān)控系 統(tǒng)的信息來(lái)源，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析和控制的可靠性與準(zhǔn)確性。2.2伺服機(jī)構(gòu)伺服機(jī)構(gòu)是“氣候自動(dòng)控制器”具體控制的執(zhí)行者，包括通風(fēng)機(jī)、加熱器、噴淋水泵、光照調(diào)節(jié)裝置、CO2施放機(jī)構(gòu)等設(shè)備。2.3氣候

7、自動(dòng)控制器“氣候自動(dòng)控制器”可在無(wú)主機(jī)的情況下單獨(dú)控制本溫室的氣候， 本溫室各 種氣候參數(shù)通過(guò)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，然后經(jīng)單片機(jī)分析處理后輸出控制指令， 經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成最佳氣候的自動(dòng)化控制（圖2）。這種控制方式成本較低，特別適用于對(duì)我國(guó)中小型溫室的智能化控制。三、系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)（圖 3）及農(nóng)業(yè)專家管理系統(tǒng)（圖4）兩部分 組成。數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)軟件主要用于溫室環(huán)境參數(shù)的設(shè)置、通訊、顯示、存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)和打印等；農(nóng)業(yè)專家管理系統(tǒng)軟件能及時(shí)為用戶提供溫室各種作物在 不同時(shí)期生長(zhǎng)所需要的最佳氣候參數(shù)及栽培技術(shù)和措施，并能自動(dòng)生成最佳控制方案，為不懂農(nóng)業(yè)技術(shù)的用戶提供技術(shù)幫助和實(shí)時(shí)指

8、導(dǎo)。圖空"日動(dòng)擔(dān)制掘匣用圖四、農(nóng)業(yè)專家管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)專家管理系統(tǒng)具有專家決策與咨詢兩項(xiàng)功能，因?yàn)閿?shù)據(jù)能反映事物的數(shù) 量化特征，在數(shù)量上能為各級(jí)管理者和決策者提供數(shù)據(jù)和輔助決策信息，因此該系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)形式進(jìn)行輔助管理的。4.1人機(jī)接口人機(jī)接口是人機(jī)交流的界面，用戶可以向系統(tǒng)提供信息、任務(wù)要求和系統(tǒng)向 用戶提供解答及索取為完成任務(wù)所需要的補(bǔ)充信息。4.2知識(shí)庫(kù)內(nèi)容由于溫室生產(chǎn)中農(nóng)業(yè)專家知識(shí)范圍廣泛， 知識(shí)類型復(fù)雜，我們采用了樹形目 錄的方式進(jìn)行分類表示，內(nèi)容包括植物類別、植物特性、栽培技術(shù)、最佳氣候參數(shù)等，其中植物類別有花卉、苗木和反季節(jié)蔬菜三大類；植物特性包括植物屬性、 日照要求、原

9、產(chǎn)地等；栽培技術(shù)包括栽培土質(zhì)、適應(yīng)品種、繁殖方法、種苗管理、 澆水措施、施肥操作、病蟲害防治等；最佳氣候參數(shù)是用于溫室控制最重要、最 直接的參數(shù)，包括白天、夜晚植物在不同生長(zhǎng)期的最佳溫度、濕度、光照強(qiáng)度和 C02濃度等。其內(nèi)容以黃瓜為例見(jiàn)表1。& 說(shuō) r 1'4 L：吐皿tJ；-v u知I 識(shí) I-+L-<l如山吟恃肉砒托昔物聯(lián)網(wǎng)開創(chuàng)智慧農(nóng)業(yè)。專業(yè)解決畜牧水產(chǎn)養(yǎng)殖自勵(lì)扌空制系統(tǒng)、大田種植智能 管理系統(tǒng)、花卉種植控制系統(tǒng)、農(nóng)產(chǎn)品安全醐源、溫室大棚智能控制等。p Hilt： www. tpwlw. com www. agri50. cohh-1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方棄咨詢* 132

10、557187230571-81957260 £6056609屮Q 飆糊帰：11建：1川；:心S芬崩in，r呵阿a"*器船鐵t播轟俎曲T：萬(wàn)25 加'；12-15T；曲4JJ-6J*轟價(jià)歹衛(wèi)1乞加；luiyi：9倆4JJM樓瞪T：4.3知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)功能知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)包括知識(shí)庫(kù)編輯和專家咨詢兩個(gè)模塊，通過(guò)知識(shí)庫(kù)編輯模塊 可以輸入、增加、刪除、修改領(lǐng)域知識(shí)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的繼承輸入；通過(guò)知識(shí)庫(kù)咨詢 模塊，用戶可查看知識(shí)庫(kù)的總體結(jié)構(gòu)，并能迅速查出某溫室栽培作物的有關(guān)知識(shí)。 4.4專家決策系統(tǒng)專家決策系統(tǒng)的功能包括信息收集、問(wèn)題識(shí)別、問(wèn)題求解等，可根據(jù)用戶提 出的任務(wù)要求進(jìn)行分析

11、、判斷，并利用專家知識(shí)庫(kù)提供的知識(shí)進(jìn)行問(wèn)題求解。 就 本系統(tǒng)的決策環(huán)境來(lái)看，一是要涉及專家豐富的知識(shí)因素；二是決策要建立在實(shí) 時(shí)測(cè)量基礎(chǔ)上，在聯(lián)網(wǎng)控制方式下，決策過(guò)程為：用戶通過(guò)人機(jī)接口，只需把指定 編號(hào)溫室的植物類型和生長(zhǎng)期輸入到專家管理系統(tǒng)，主機(jī)即可根據(jù)農(nóng)藝專家推薦 的最佳氣候參數(shù)結(jié)合RS-485通訊線路傳來(lái)的溫室實(shí)測(cè)氣候數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成合理 的控制方案，再通過(guò)通訊線路把控制指令下達(dá)到該編號(hào)溫室內(nèi)的氣候自動(dòng)控制 器，通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)實(shí)施智能化控制。五、托普物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)介：托普物聯(lián)網(wǎng)是浙江托普儀器有限公司旗下的重要項(xiàng)目。 浙江托普儀器是國(guó)內(nèi) 領(lǐng)先的農(nóng)業(yè)儀器研發(fā)生產(chǎn)商，依據(jù)自身在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)實(shí)力，和自

12、主研發(fā)的配 套設(shè)備，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域嶄露頭角！托普物聯(lián)網(wǎng)以客戶需求為源頭，結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、 GIS信息技術(shù)，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，竭誠(chéng)為傳統(tǒng)行業(yè)提供信息化、智能化的產(chǎn)品與 端到端的解決方案。主要有：大田種植智能解決方案、畜牧養(yǎng)殖管理解決方案、 食品安全溯源解決方案、食用菌種植智能化管理解決方案、水產(chǎn)養(yǎng)殖管理解決方案、溫室大棚智能控制解決方案等。托普物聯(lián)網(wǎng)三大系統(tǒng)產(chǎn)品我們知道物聯(lián)網(wǎng)主要包括三大層次，即感知層、傳輸層和應(yīng)用層。因此托普 物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品主要以這三個(gè)層次延伸，涵蓋了感知系統(tǒng)（環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感設(shè)備） 、傳 輸系統(tǒng)（數(shù)據(jù)傳輸處理網(wǎng)絡(luò)）、應(yīng)用系統(tǒng)（終端智能控制平臺(tái)。）托普物聯(lián)網(wǎng)模塊

13、化智能集成系統(tǒng)托普物聯(lián)網(wǎng)依據(jù)自身研發(fā)優(yōu)勢(shì)，開發(fā)了多種模塊化智能集成系統(tǒng)。1傳感模塊：即環(huán)境傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它依據(jù)各類傳感設(shè)備可以完成整個(gè)園區(qū)或 完成對(duì)異地園區(qū)所需數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的功能。2終端模塊：即終端智能控制系統(tǒng)。它可以完成整個(gè)園區(qū)或遠(yuǎn)程控制異地園區(qū) 進(jìn)行自動(dòng)灌溉、自動(dòng)降溫、自動(dòng)開啟風(fēng)機(jī)，自動(dòng)補(bǔ)光及遮陽(yáng)，自動(dòng)卷簾，自動(dòng)開 窗關(guān)窗，自動(dòng)液體肥料施肥、自動(dòng)噴藥等各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的自動(dòng)控制。3、視頻監(jiān)控模塊：即實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。主要是通過(guò)監(jiān)控中心實(shí)時(shí)得到植物生 長(zhǎng)信息，在監(jiān)控中心或異地互聯(lián)網(wǎng)上既可隨時(shí)看到作物的實(shí)時(shí)生長(zhǎng)狀況。4、預(yù)警模塊：即遠(yuǎn)程植保預(yù)警系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^(guò)聲光報(bào)警、短信報(bào)警、語(yǔ)音報(bào)警 等方式進(jìn)行

14、預(yù)警。5、溯源模塊：即農(nóng)產(chǎn)品安全溯源系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品從種植準(zhǔn)備階段、種植 和培育階段、生長(zhǎng)階段、收獲階段等對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境、噴藥施肥情況、病蟲害狀 況等實(shí)施實(shí)時(shí)信息自動(dòng)記錄，有據(jù)可查，在儲(chǔ)藏、運(yùn)輸、銷售階段采用二維碼或 者RFID射頻技術(shù)對(duì)各個(gè)階段數(shù)據(jù)記錄，這樣就能實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者拿到農(nóng)產(chǎn)品時(shí)通過(guò) 終端設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)就能查看到各類信息，才能放心食用。6、作業(yè)模塊：即中央控制室?？赏ㄟ^(guò)總控室對(duì)整個(gè)區(qū)域情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括各 個(gè)區(qū)域采集點(diǎn)參數(shù)、控制作業(yè)狀態(tài)、實(shí)時(shí)視頻圖像、施肥噴藥狀況、報(bào)警信息等。六、結(jié)語(yǔ)目前，我國(guó)農(nóng)村正在大力發(fā)展溫室栽培，絕大部分溫室大棚已經(jīng)安裝有通風(fēng)、 加熱、噴淋等設(shè)備，只需添加“自動(dòng)控制系統(tǒng)”中的氣候自動(dòng)