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基于物聯網的草莓無土栽培智能管理系統設計與實現研究論文
無土栽培是指不用天然土壤，使用基質或不使用基質，用營養液灌溉植物根系或用其他方式來種植植物的方法。無土栽培能夠避免水分大量滲透和流失，克服土壤連作障礙，在節約用水、緩解耕地緊張等問題上優勢突出，具有作物生長快、經濟效益高，產品質量好，無污染、不受地區和季節限制、便于實現生產工廠化和自動化等優點，是設施栽培發展的高級階段和重要方向。在發展速度快、栽培效益高，連作障礙明顯的設施草莓栽培中，無土栽培的應用優勢更為突出，且其可實現溫室大棚立體栽培，顯著提高經濟效益和生態效益。無土栽培以人工創造的作物根系環境取代土壤環境，不僅能滿足作物對礦物質營養、水分和氧氣的需要外，還能應用人工技術對這些環境加以控制和調整，使其在品質方面按照需求發展。然而傳統的應用人工對溫室環境及其營養液進行控制、調整和檢測，效率低下，容易出現錯誤和偏差。如何對無土栽培環境實施全方位實時監測、實時傳輸，根據生產要求及時調整環境參數，有效地提高生產效率和產品質量成為目前無土栽培技術的一大難點。隨著農業物聯網技術的發展，以傳感技術與物聯網技術相結合的全方位田間環境監控技術得到迅速發展。但所研制的產品功能普遍比較單一，擴展性差，更由于不能大批量生產，導致價格較高，沒有取得較好的推廣效果。設施農業物聯網技術還沒有出現一個可以在穩定性、經濟性和通用性上均衡發展，最終占據市場主導地位的管理系統或管理平臺。
本文利用先進的計算機技術對無土栽培溫室大棚的生長環境進行科學檢測、科學分析和有效控制，使其具有最為適宜的生長小環境，準確、及時掌握環境數據，科學控制草莓生長過程，達到增產、改善品質、調節生長周期、提高經濟效益的目的，進而實現農業生產集約、高產、優質、高效、生態和安全的目標。設計的系統適用性好、擴展性強、穩定性好，經濟性和通用性都相對較高。同時，可通過遠程監控，實時分析，實現遠程指導、實時動態教學和管理，實現智能溫室的全自動化，也可以在廣大設施農業領域中起到示范作用，實現“智慧農業”的推廣和應用。
1 系統架構設計
本研究設計的無土栽培溫室大棚物聯網智能管理系統，可使生產或其他過程按照人們編制的工作程序自動進行監控，當被監控的對象運行時，無需人的直接參與。智能監控包括自動監測和智能控制2 個方面，即利用計算機對環境因素或生產過程各因素進行全天候不間斷的實時監測，并根據實時數據和控制模型進行智能判斷，根據實際需要給出實時控制方案，自動完成各設備的控制。本系統集傳感器、自動化監測、自動化控制、通訊、計算等技術與專家系統于一體，通過預置草莓生長發育所需的適宜環境參數和控制模型，搭建溫室智能化軟硬件平臺，實現對草莓無土栽培溫室中溫度、濕度、光照、營養液濃度、pH 值、EC 值和CO2濃度等因子的自動監測和控制。
1. 1 系統設計目標
本系統由前端部分來完成對環境監測因子的含量監測與匯總、轉換、傳輸等工作，監測因子包括空氣溫度、濕度、光照、營養液溫度、pH 值、EC值、溶解氧、CO2濃度等環境參數，這些監測因子由數據采集終端使用不同的方法進行測量，通過數據處理轉換后經由GPRS 等網絡向在線監測數據平臺傳輸數據，由在線監測數據傳輸平臺實現數據的接收、過濾、存儲、處理、統計分析并提供實時數據查詢等任務。當某個指標超過設定值的時候，自動開啟或者關閉指定設備。整個系統可安全、可靠、準確、實時、全面、快速、高效地將真實的草莓無土栽培生產環境信息展現在管理人員的面前，并實現智能化管理和控制。使草莓在一個充分優化的環境中生長發育，充分提高資源利用效率，減少病蟲為害，節約養分、水分、能源及管理成本等，使管理精準、生產高效、生態安全。系統總體設計
1. 2 系統設計框架
無土栽培溫室智能管理系統主要包含智能監測管理、智能控制模型和智能控制管理三部分。系統設計框架圖見圖2。其中智能監測管理系統主要由傳感器、數據接駁器、集線器、數據傳輸終端及傳輸網絡、數據存儲器構成的在線監測系統，該系統主要負責水培溫室環境因子的采集、處理和管理等。智能控制模型主要由草莓栽培專家系統、草莓生長發育各函數模型及其管理模型組成，主要實施對監測到的數據根據草莓生長發育與環境的關系模型進行科學分析、準確判別，實施控制方案的制定和發布。智能控制管理系統由控制策略程序和執行機構組成，執行機構由營養液調控系統、水分調控系統、pH 調控系統、EC 值調控系統、溶解氧調控基于物聯網的草莓無土栽培智能管理系統設計與實現857無土栽培溫室的環境智能監控系統設計框架系統、空氣溫度調控系統、空氣濕度調控系統、光照調控系統等組成，執行機構的實施均采用電磁閥或電機控制。
1. 3 系統重要功能
1. 3. 1 溫室環境的自動監測
通過在線監測系統能對所有影響草莓生長發育的溫室環境實施全天候的在線自動監測。即可自動監測溫室內的空氣溫度、空氣濕度、光照強度、CO2濃度、營養液溫度、溶解氧、pH 值、EC 值、營養液用量、灌溉水量等參數; 同時，可以監測溫室外的空氣溫度、空氣濕度、光照強度等參數。并且在線監測數據傳輸平臺可以實現數據的接收、過濾、存儲、處理、統計分析并提供實時數據查詢等。不但可以使管理人員或系統本身根據實時數據和歷史數據實施精準的管理，同時，還可以使領導、專家及其科研、教學人員實時觀察、掌握植物生長發育狀況及其與環境因子的關系，并進行相關決策、研究和教學等等。
1. 3. 2 溫室環境的自動控制
根據自動監測各環境參數及其系統設計的草莓生長發育模型、專家系統及其管理模型等，制定和發布的指令，智能控制系統可以實現溫室環境的自動控制，主要包含棚內栽培營養液調節和更換，溶解氧的自動調節、pH 的自動調節、EC 值的自動調控、遮陽網和薄膜的卷簾、閉簾，水簾、風機的開和關，加溫、降溫、通風、排濕設施的開關、灌溉和增濕設施的開關等。所有系統既可以實施全自動的控制，根據需要也可以實施手動控制。自動控制可以單個溫室為基本控制單位、室內單個控制設備為基本控制單元，利用計算機技術開發分布式控制系統; 基于分布式控制系統，開發利用動力供電線路( 交流220 V) 為母線的載波數據傳輸接口電路。
1. 3. 3 信息管理
本系統可以實現監測數據的自動存儲和分析管理，監測數據的遠程遙測與控制指令的遠程傳輸管理，及其自動控制方案的制定與發布，包括根據營養液溶度、溶解氧、pH 值、EC 值等控制下限和上限進行自動的營養液調節或更換等控制方案; 根據棚內溫度、棚內外光照強度或時間進行水簾和風機及遮陽網的卷簾和閉簾等控制方案; 根據棚內空氣濕度大小制定的排風控制方案、根據作物需要或按照時間制定的增濕控制方案等; 棚內營養液積溫、空氣積溫、累計光照時間及氣溫濕度、營養液pH、EC 等影響水培植物生長發育的重要參數曲線圖表的繪制管理。
2 系統的實現
2. 1 智能感知
無土栽培溫室環境因子的實時監測是實現智能化控制的前提和基礎。由于無土栽培植物生長受諸多自然條件的影響，如環境溫度、濕度和光照及其營養液溫度、濃度、pH、EC 等，信息采集量很大，所以本系統根據無線傳感器網絡具有數據采集量大、精度高的特點，可以為用戶提供詳細準確的設施農業環境的信息參數，且成本低，可減小人為活動對環境的不利影響等優點[5]，選擇了無線傳感網絡實施溫室草莓無土栽培的在線監測系統，該系統是通過新一代物聯網數據遠程傳輸系統實現的實時監測系統。該系統能夠以最快、最穩定的方式采集、傳輸監測的溫室環境實時參數，為項目系統集成用戶提供最佳的方案。溫室在線監測系統示意圖溫室環境在線監測系統主要分為三部分: 數據駁系統、遠程傳輸系統、后臺存儲系。
2. 1. 1 數據接駁器系列
數據接駁器實現了任意傳感器的數據接入功能，內置低功耗高速ARM 處理核心，可完成目標數據采集，通道校準、存儲，設備診斷，設備休眠等功能，任意傳感器輸出信號均可通過數據接駁器轉換成標準的MODBUS-RTU 協議輸出，簡化用戶后端系統接入，并可與現有DCS、組態軟件進行無縫連接，同時也集成了常用傳感器供用戶快速部署。
2. 1. 2 遠程數據傳輸終端系列
遠程數據傳輸終端能夠滿足大多數環境下的數據傳輸需求，全系列終端均支持ZA 系列數據接駁器，遠程數據傳輸終端可利用WiFi 網絡、以太網( RJ45 有線) 、GSM/GPRS /3G ( 手機網絡) 、Zigbee 無線自組織網絡、北斗一代進行數據傳輸。終端支持遠程巡檢，自動采集，低功耗控制，遠程配置，遠程預警，GPS /北斗定位等功能; 大大增強了終端的適用范圍，真正意義上實現了物聯網中的“物物相聯”目標。
傳輸終端配有數據存儲平臺軟件( ZA DataCenter Service) ，支持MySQL /MS SQL /Oracle 數據庫，最大可支持1 萬個終端同時在線傳輸，同時支持插件式傳感器解析模塊，可方便系統擴展。通過不同傳感器可以采集各類環境參數及其需要控制的技術參數。傳輸終端可接駁系列化智能數字傳感器，單個傳輸終端可同時接入5 到10 路傳感器，實現對傳感器的自動識別。它具有超低功耗，自動關斷負載電源，RTC 定時喚醒等的特性。終端節點支持太陽能、風光互補等多種供電模式，最大程度適應復雜的應用環境; 所有傳輸終端均采用專利低功耗技術，以GPRS 傳輸終端為例，在使用4 個智能傳感器的情況下，使用普通太陽能能源系統( 約2 W) ，4 000 mA 蓄電池可連續工作2 年( 采集頻率按5 min·次- 1計) 。
2. 1. 3 后臺存儲系統
ZA-DATA-CENTER 后臺存儲系統是為ZA 系列傳輸終端設計的后臺存儲服務軟件，服務軟件可將前端遠程任意傳感器的數據進行實時、定時的采集、并通過ODBC 泛用接口進行穩定存儲，同時還負責檢測終端及傳感器設備狀態、電池電量、定位數據等信息，用戶可通過訪問數據庫中的實時表及歷史表進行數據的訪問及統計，也可通過服務器所提供的WebService 數據訪問接口直接訪問遠程數據。ZA-DATA-CENTER 采用數據解析插件技術，用戶可根據前端應用不同、傳感器的不同，添加自定義解析插件，輕松實現系統的擴展和特殊應用需求，同時還可以通過插件接口API 開發自定義的數據訪問接口。服務器采用內存池及并發連接處理技術，可同時處理大量、高頻的數據請求及存儲請求，非常適用于大規模終端部署及監測，增強了項目集成軟件的穩定性。
2. 2 智能分析
智能分析即將監測數據實時通過網絡上傳到應用服務平臺，應用服務平臺通過云計算平臺對環境情況進行計算分析，結合植物的生長發育各函數模型及其管理模型，精確判斷其對環境參數對植物生長發育的影響，及時做出對環境參數調控的指令。本系統借助于現代信息模擬技術和歷史栽培經驗，開發建立了草莓生長發育模型，開發了草莓專家管理系統。本系統利用ZA-DATA-CENTER 后臺存儲系統，將采集到的傳感器數據，在后臺進行實時分析、處理和存儲; 并能通過GSM/GPRS、3G 網絡快速將數據信息同步發送到數據服務器，通過云計算平臺進行精確的計算分析，與預置的草莓生長發育環境信息和生長發育模型、控制管理模型開展信息分析與研究，并與設定的預警值進行對比。根據理想的環境指標對栽培現場的環境參數通過控制系統進行精確調控，實現自動、智能的環境監控。
2. 3 智能控制
智能控制模型是智能管理系統的“大腦”，主要由專家系統、草莓生長發育各函數模型及其管理模型組成; 主要實施對監測到的數據根據草莓生長發育與環境得到關系模型進行科學分析、準確判別，實施控制方案的制定和發布。如在草莓果實成熟期當監測系統測得基質相對含水量低于65% 時，數據上傳至智能控制模型，控制管理模型經分析決策，發出指令給控制系統使電磁閥開啟實行灌溉，當實時測得基質相對含水量達到75%，智能控制模型即發出指令給控制系統使電磁閥關閉，停止灌溉。
2. 3. 1 分布式大規模數據存儲平臺
物聯網技術應用普遍存在“存儲使用難”，在海量的傳感器數據信息下，數據的存儲與交換存在技術難度，由于草莓無土栽培需傳感器部署密度大、數據實時性強、要求后端存儲系統具有高實時性及響應能力，一味地增加硬件來提升性能可以解決問題，從根本上解決不了規模化、產業化問題，另外在上層應用時也會遇到標準不統一、軟件模塊耦合過多等問題，這些問題都阻礙著物聯網技術的應用與發展。ZA DataCenter 較好地解決了該難題，它是基于現代“云計算”技術的物聯網專用數據存儲與解析的系統應用軟件，系統前端采用負載均衡單元進行分布式調度存儲，數據存儲穩定可靠，數據處理能力可達10 萬次·s - 1，能夠處理海量的數據，兼容不同數據交換協議，支持災難性的數據恢復; 同時，軟件具有良好的跨平臺能力，能夠支持Windows，Linux，Unix，FreeBSD 等主流操作系統。
2. 3. 2 數據庫設計
ZA DataCenter 數據庫存儲、分析及處理監測系統的歷史數據及實時數據，采用MySQL 數據庫進行存儲，主要由傳感器歷史數據表、實時數據表和信息表三張數據表構成。其中傳感器歷史數據表主要用于長期存儲歷史數據，用于上層應用中的圖表顯示、歷史查詢、分類查詢等目的; 傳感器實時數據表主要用于上層應用中定時刷新、實時顯示等。通過數據庫和圖表分析技術，可對溫室各環境動態數據進行實時分析并用曲線等直觀方式進行顯示，使管理系統或管理者及專家能及時準確的分析和判斷，做出正確快捷的決策和處理。并通過開發出的可高度擴展的繼電器控制模塊等用戶可以自定義某個參數達到或超過一定指標是否需要開啟或關閉某個設備，如灌溉系統、加溫系統、水簾風機降溫系統、內外遮陽系統及營養液調節系統等，達到智能化控制。該控制系統不僅可以按參數值設置，還可以按時間間隔或定時設置，例如某個時間段開啟或關閉某個設備。同時，可以通過預警值分析進行報警，當溫室內各參數出現異常，達到設定報警值時，系統能通過手機短信、控制界面、系統廣播等進行聲音、圖像等報警，提醒管理者盡快處理。通過遠程管理軟件平臺和視頻系統還可實現遠距離監控。可將各種感知設備的基礎數據進行統一存儲、處理和挖掘，通過監控軟件的智能決策，形成有效指令，直接指導控制執行系統或管理人員開啟或關閉設備調節設施內的小氣候環境，為草莓生長提供優良的生長環境。同時也可以利用該系統進行教學或科研數據的觀測、采集，為相關項目提供便捷的視頻、數據采集、存儲和分析研究等。
3 示范應用
本研究針對草莓無土栽培精細化管理要求，自主開發了溫度、濕度、光照、培養液溫度、pH 值、EC 值、溶解氧、CO2濃度等多環境因素在線檢測與灌溉、施肥、通風、光照等多控制系統融合的集聯型控制系統，通過多環境因素的融合分析，自適應地驅動不同的控制設備，實現了草莓無土栽培溫室環境的自動控制，并首先在杭州余杭農業科技園區和蕭山生態循環農業示范園區開展試驗應用，取得了良好的應用效果: 系統為草莓培育提供了最優環境，節約了成本和資源，提高了品質和產量，減少了病蟲為害，提高了生產效率和生態安全。，栽培方式為基質栽培，對照為人工控制，人工控制處理的效果較為明顯。
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