基于物聯網的精密溫室環境管控系統研究

陰國富　朱創錄

摘要：通過構建無線WiFi網絡，將傳感器采集到的數據進行統一控制，建立一套適用于精密溫室內農作物栽培的環境與營養液監控物聯網系統，包括精密溫室環境監測網絡、數據實時采集與無線傳輸、生長環境監測與預警發布、遠程控制等。試驗田應用表明，該系統管理簡便、控制精準，對其進一步優化，綜合型植物工廠可實現大面積管控。

關鍵詞：物聯網；傳感器；精密溫室；監控；農作物；無線傳輸

中圖分類號： TP277.2；S126 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0491-03

隨著信息通訊技術的快速發展，物聯網（internet of things）技術應運而生。通過物聯網可使物體與網絡連接，相互溝通，人們可在任何地點、任何時間對這些物體進行監控或基于這些物體所反饋的信息提供服務。精密溫室環境管控系統基于物聯網技術，可以為管理者簡便、實時獲取精密溫室內的狀況，并以此為基礎使管控系統設計簡化，使設備擴充更為容易。陜西省渭南市地處我國西部、關中平原東部，農業資源相對緊張，適合密集化精細農業的生產，目前已形成大規模的草莓生產基地；但長期以來草莓生產處于粗放式管理，若能運用精確灌溉技術，如利用蒸發量、重量變化和蒸汽壓差等配合自動化灌溉設備決策灌溉，不但可以提高草莓的質量，而且通過統一精細化管理，草莓果品質量的一致性也可得到保證。

1 基于物聯網環境的植物工廠模式

“植物工廠”廣義是指在一定生產管理下全年無休的植物生產系統，而狹義是指在完全人工環境下全年無休的植物生產系統，主要目的皆是使植物生產能達到全年的穩態量產。植物工廠依照其光源利用方式一般可分為太陽光利用型、完全控制型與綜合型3大類[1]。

太陽光利用型植物工廠使用日光為光源，外部結構由玻璃或塑料材質構成，屋頂具有遮陽網，當光照過強時可用來遮蔽；僅能以平面單層栽種，多為一般花卉溫室或具有高度環控設備的精密溫室，如臺灣蝴蝶蘭溫室等。完全控制型植物工廠使用人工光源，對植物生長有影響的主要環境條件溫度、濕度、二氧化碳、培養液等由人工控制，不易受到外界環境所干擾，是理想的植物工廠，非常適合立體化栽種，可以增加土地利用率，但需要的能源成本相對較高，如日本短期葉菜類栽培等。綜合型植物工廠兼用太陽光與人工光源，介于前2種類型之間，以日光為主、人工補光為輔，在北歐、北美冬季日照較短的地區應用較多，如歐美名貴花卉、西紅柿、萵苣種植等。

微處理器成本越來越便宜，功能也越來越強大。物聯網是指在某一物體中嵌入一個微處理器，使物體變得具有智慧，能“自動開口說話”，同時，借助無線網絡技術，人們可以和物體進行“對話”，物體和物體之間也能相互進行“交流”。2011年，日本學者Fukatsu等針對中小型溫室環境控制設備建構提出一個解決方案，即環境監控系統（ubiquitous environment control system，UECS）[2]，其基本單元為配有嵌入式計算機的設施與傳感器（稱為節點），作業具有獨立性，可通過局域網與計算機連接。該系統線路簡化為電源線與網絡線，通過網絡傳輸信號再通過嵌入式計算機控制，不會存在使用特定規格部件的問題，且可通過筆記本電腦、PDA、可攜式游戲機進行節點設定或遠程操作[3-4]。而集中型環境控制系統線路較為復雜，各項設備可能會因生產國家、型號不同，使節點或控制信號不同，溫室計算機只能使用特定機種進行監測與調控。

2 基于物聯網的精密溫室環境管控系統關鍵技術

2.1 無線網絡監控架構

無線監控系統的網絡架構主要由數據庫服務器、網頁服務器、無線基站、網絡攝影機及 PICNIC 卡組成（圖1），環境參數、視頻影像等信息存儲于資料庫服務器，遠程使用者可通過客戶端網頁系統監控精密溫室環境。精密溫室需要調控環境的風（溫度、濕度、內循環風速）、光（光量、光質、光周期、均勻度）、水（供給方式、時機、頻度）、養（營養液、供給方式、時機、頻度）、氣（二氧化碳）五大要素[5-6]，對這些環境狀況隨時記錄，并能通過互聯網獲取實時信息，在環境異常時實時告知管理者。

2.2 營養液控制系統

精密溫室的栽培方式多為水培方式立體化種植，搭配使用人工光源，并通過營養液供給補充植物生長所需，而營養液電導率與酸堿度會隨植物生長而發生改變，進而影響植物的生長。電導率是判斷營養液濃度的指標，營養液濃度越高，電導率也會越高，因此，可依據電導率來調控營養液。電導率變化由電阻給出信號，為方便測量，可將電阻信號轉換為電壓或電流信號，并在電極與數據獲取端之間加裝信號傳送器。營養液控制系統采用的電導率傳感器型號為HOTEC CM-61，測量范圍最高可達20 mS/cm。另外，電導率傳送器具有 LCD

面板，可供現場人員實時監看測量值。系統采用的酸堿度傳感器型號為 HOTEC PH-10C，也具有 LCD 面板供現場人員實時監看測量值。

營養液調控是將高濃度的原液通過蠕動泵以微量的方式添加到水中，而蠕動泵是以凸輪為轉子，通過凸輪轉動擠壓軟管，使軟管內的流體向前移動，同時也會吸取液體。由于轉子轉速可以調控，因此可使推進的流量相同。系統采用的蠕動泵型號為 CS074-3，采用 12 V直流電馬達驅動。

營養液控制系統與無線監控系統相比，除傳感器外具有相同的軟件架構，具有 PICNIC、計算機、酸堿度電極、電導率電極、蠕動泵、A 液與 B 液、內含氫弱酸性陽離子交換樹脂的調酸槽、混合槽及循環泵（圖2）。PICNIC 負責獲取酸堿度與電導率電極所測得的信號，驅使蠕動泵動作；計算機負責下達控制命令給 PICNIC，儲存所獲取的信號；蠕動泵負責抽取 A 液與 B 液至混合槽，由混合槽抽取營養液至氫弱酸性陽離子交換樹脂使酸堿度降低，再回到混合槽；循環泵負責將營養液供給植物，增加混合槽內營養液的循環。endprint

營養液調控流程為：系統開始運行，檢查營養液的電導率；若營養液電導率不足時會啟動蠕動泵添加A 液與 B 液，每次添加約8 mL；檢查營養液的酸堿值，若未達到設定值則會進行調酸；如果在進程中添加A液與B液或調酸，則會等待10 min，使營養液與混合槽內營養液均勻混合（圖3）。A 液與 B 液添加量和等待時間可在軟件中重新修改設置。

2.3 灌溉系統

灌溉測量平臺（圖 4）上方安裝 6 根 T5 LED光源，燈下

10 cm光量最高可達 260 μmol/（m2·s）；平臺安裝荷重元，荷重元上方裝有1塊60 cm×120 cm 的珍珠板用來擺放栽培物，T5燈管距離珍珠板約 50 cm，荷重元測量的質量由 PICNIC 獲取，由蠕動泵將營養液抽至栽培物內[7-8]。

試驗前，栽培物進行前處理：將栽培物以淹灌方式等待10 min，使水苔充分吸收水分；移至陰涼處等待10 min，使水苔內部的多余水分自然流出。前處理完成后才進行試驗。試驗每處理擺放4盆，測量每盆的質量變化。有2個試驗內容：（1）灌溉時機的建立：以草莓栽培為例，在7 ～14 d進行灌溉，在之后的16 d內不再進行灌溉，連續記錄總質量變化，計算每日質量減少百分比；（2）灌溉試驗：以灌溉時機試驗建立的第10天質量減少百分比為灌溉參考，當質量減少相同百分比時開始灌溉，灌溉量為減少百分數乘以最初總質量。試驗過程中，每日連續給光12 h，環境溫度維持在（24±1） ℃，濕度保持在60%～70%。

3 基于物聯網的精密溫室環境管控系統的實現

3.1 傳感器參數校正

3.1.1 重量轉換器的設定與荷重元的校正 RI 1203 重量轉換器第1次使用時需對硬件內部進行相關設定，包含輸出方式、輸出格式等。步驟為：將 RI 1203 重量轉換器通過 RS-232 接口與計算機連接；計算機上運行Rinstrum PTY LTD的View1203軟件，點選聯機按鈕，再選取RI 1203 使用的COM Port進行聯機；進入Test/Command Mode頁面，在Command中輸入指令COF設定輸出質量值數據格式；在Command 中輸入指令IAD調整轉換器參數，包含小數位數、單位及稱量等。

重量轉換器設定完成，需要校正荷重元。本研究采用的荷重元最大負重為30 kg，測量精度為1 g。校正步驟為：確認荷重元上沒有任何載重；運行Rinstrum PTY LTD的View1203軟件，點選聯機按鈕，再選取RI 1203使用的 COM Port進行聯機；進入Test/Command Mode 頁面，在Command 中輸入 LDW 指令進行質量歸零；在Command中輸入 LWT10000命令，將1 000 g標準砝碼置于荷重元上，在Command中輸入TDD1，將校正設定儲存至RI 1203重量感測模塊。

3.1.2 濕度傳感器的校正 一般傳感器廠家都提供相對濕度傳感器的特性曲線及其計算公式，但相對濕度感測器的特性曲線會以每年小于1%的速度逐年降低，因此有必要重新測量其特性曲線。另外，為能便于田間使用，濕度傳感器往往設計成可更換式的，也需要對卸下的濕度傳感器重新校正。相對濕度傳感器是利用飽和鹽溶液進行校正的，使用K2SO4、KCl、NaCl、KI、K2CO3這5種不同的飽和鹽溶液為標準，其 25 ℃ 時對應的相對濕度分別為97.30%、84.34%、75.29%、6886%、43.16%。將配制好的飽和鹽溶液置于玻璃瓶內，密封，25 ℃溫控室待瓶內相對濕度穩定，記錄傳感器所測量的電壓，6次重復取平均值，利用反函數求回歸方程。

3.1.3 光量傳感器的校正 采用RGB比例可調整式LED作為測量光源，以LI-189（LI-COR，USA）作為參考。有3個試驗內容：（1）單晶硅與非晶硅太陽能板的比較。將單晶硅與非晶硅太陽能板分別放置于LED光源下方 10 cm處，維持在室溫，改變 LED 光量輸出，記錄各個太陽能板電壓輸出與 LI-189所測量的值。（2）環境溫度對太陽能板的影響。將太陽能板及光源置入可調控溫度的低溫控制箱，最高溫度可達到53 ℃，分別測量室溫、40、50 ℃時太陽能板的電壓輸出，并改變 LED 輸出光量。（3）不同生產周期的太陽能板對光量的反應。將3塊不同生產周期的太陽能板放置于相同位置LED光源下方 10 cm處，改變LED光量輸出，記錄各個太陽能板的電壓輸出。

3.2 傳感器反饋公式

3.2.1 相對濕度傳感器 由圖 5可知，試驗測得的結果線性度較好，決定系數r2為0.997 1，回歸方程式為RH=32.26×U-25.81。其中，RH為相對濕度，單位為%；U為傳感器輸出電壓，單位為V。

3.2.2 光量傳感器 （1）單晶硅與非晶硅太陽能板的比較。單晶硅太陽能板如SM-5626，PAR值約為250 μmol/（m2·s），輸出電壓不呈線性，此類單晶硅太陽能板只適于PAR值為250 μmol/（m2·s）以下的光源[7]。由圖6可見，SC-7035非晶硅太陽能板呈現出比較好的線性度，光量最強能達到 350 μmol/（m2·s），且尚未達到飽和。對于光需求量不高的作物，一般提供 300 μmol/（m2·s）的光量就足夠了。SC-7035 非晶硅太陽能板的回歸方程式為PAR=99.593×U。 其中，PAR為光合作用有效能量，單位為μmol/（m2·s）；U為太陽能板輸出電壓，單位為V。（2）環境溫度對太陽能板的影響。由圖7可見，不同環境溫度下，光量相同時太陽能板輸出的電壓不會因溫度升高而改變；輸出光源在相同工作比下，溫度越高輸出光量則會降低。（3）不同生產周期太陽能板對光量的反應。由圖8可見，LED工作比在80～100之間，因LED輸出光量已趨于飽和，測量到的電壓不會有明顯變化；3塊不同周期的太陽能板具有相同的變化趨勢，相同光量下第一塊與第二、第三塊會有細微差異，在使用前還是必須對不同太陽能板進行回歸處理。endprint

3.3 營養液控制系統構建與測試

營養液調控需要使用3個蠕動泵，分別為調酸（A 泵）、A液添加（B泵）及B液添加（C泵）。由表1可見，B、C泵差異較小，測量60 s時流量約為 52 mL/m；A泵流量最小，約為 47.7 mL/m。這是由于營養液添加時，A液與B液需以1 ∶ 1比例添加，因此選用差異較小的蠕動泵。

使用營養液控制系統調控90 L的營養液實踐：初始手動方式添加營養液、酸堿度不進行調整，以節省等待時間；當營

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養液電導率由0.2 mS/cm上升至1.1 mS/cm，此時營養液的pH值會迅速下降；系統自行將營養液微調整至設定值 1.2 mS/cm，酸堿度調整至pH值為6，此時需經過較長時間達到平衡，通過蠕動泵增加流量以提高調酸速度。

4 結論

通過物聯網技術將精密溫室中的各種傳感器互聯，不但可以實現對農作物的自動管理，而且可以通過互聯網遠程監控。光量傳感器部分采用非晶硅太陽能板，當光量在 350 μmol/（m2·s） 以下時，傳感器可在保證精確控制的基礎上大幅降低成本。適用于精密溫室內環境的無線監控系統，可對風、光、水、養、氣進行監控，系統可依照使用地點不同、PICNIC安裝數目以及使用傳感器種類而更改軟件設定，使系統能夠很容易移植到相應的農田并易于擴展?？刂撇呗砸詶l列方式進行處理，對控制要素進行擴充，使系統在控制設備的應用更具多樣化。

無線監控系統要對設備進行精確控制，無線網絡需要有很強的穩定性；因此，必須根據實際環境更改無線接入點的數量，在相對集中的溫室或大棚中采用有線網絡傳輸，使系統消除因其他無線網絡干擾等帶來的不穩定性。

參考文獻：

[1]Decagon Devices. ECH2O Dielectric Probes vs. Time Domain Reflectometers（TDR）[EB/OL]. [2015-04-20]. http：//www.decagon.com.

[2]Fukatsu T，Nanseki T. Monitoring system for farming operations with wearable devices utilized sensor networks[J]. Sensors，2009，9（8）： 6171-6184.

[3]陳一飛，杜尚豐. 對農業大系統控制若干問題的思考[J]. 農業工程，2011（1）：8-13.

[4]程秀花，毛罕平，倪 軍. 基于CFD的自然通風玻璃溫室濕熱環境模擬與測試[J]. 揚州大學學報：農業與生命科學版，2010，31（3）：90-94.

[5]陳正法，梁稱福，李文祥，等. 空氣循環式塑料大棚蓄熱除濕裝置及運行效果[J]. 農業工程學報，2009，25（3）：158-163.

[6]鄭麗萍，何東健. 基于S3C2410A的農田土壤信息采集平臺設計[J]. 農機化研究，2008（6）：82-85.

[7]王石磊，郭艷玲，付志剛. 基于ARM的溫室環境控制系統研究[J]. 林業機械與木工設備，2008，36（4）：19-21.

[8]唐 娟，王文娣，呂長飛. 基于新型AVR單片機的溫室測控系統[J]. 微計算機信息，2007（26）：138-139，184.李 將，俞阿龍，蔡文科，等. 基于ZigBee和GPRS的溫室控制系統研究[J]. 江蘇農業科學，2015，43（10）：494-497.endprint