基於物聯網的草莓無土栽培智慧管理系統設計與實現研究論文
基於物聯網的草莓無土栽培智慧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，無汙染、不受地區和季節限制、便於實現生產工廠化和自動化等優點，是設施栽培發展的高階階段和重要方向。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引數，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，以感測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。但所研製的產品功能普遍比較單一，擴充套件性差，更由於不能大批次生產，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，最終佔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、及時掌握環境資料，科學控制草莓生長過程，達到增產、改善品質、調節生長週期、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、擴充套件性強、穩定性好，經濟性和通用性都相對較高。同時，可透過遠端監控，實時分析，實現遠端指導、實時動態教學和管理，實現智慧溫室的全自動化，也可以在廣大設施農業領域中起到示範作用，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慧管理系統，可使生產或其他過程按照人們編制的工作程式自動進行監控，當被監控的物件執行時，無需人的直接參與。智慧監控包括自動監測和智慧控制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，並根據實時資料和控制模型進行智慧判斷，根據實際需要給出實時控制方案，自動完成各裝置的控制。本系統集感測器、自動化監測、自動化控制、通訊、計算等技術與專家系統於一體，透過預置草莓生長髮育所需的適宜環境引數和控制模型，搭建溫室智慧化軟硬體平臺，實現對草莓無土栽培溫室中溫度、溼度、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彙總、轉換、傳輸等工作，監測因子包括空氣溫度、溼度、光照、營養液溫度、pH 值、EC值、溶解氧、CO2濃度等環境引數，這些監測因子由資料採集終端使用不同的方法進行測量，透過資料處理轉換後經由GPRS 等網路向線上監測資料平臺傳輸資料，由線上監測資料傳輸平臺實現資料的接收、過濾、儲存、處理、統計分析並提供實時資料查詢等任務。當某個指標超過設定值的時候，自動開啟或者關閉指定裝置。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資訊展現在管理人員的面前，並實現智慧化管理和控制。使草莓在一個充分最佳化的環境中生長髮育，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
無土栽培溫室智慧管理系統主要包含智慧監測管理、智慧控制模型和智慧控制管理三部分。系統設計框架圖見圖2。其中智慧監測管理系統主要由感測器、資料接駁器、集線器、資料傳輸終端及傳輸網路、資料儲存器構成的線上監測系統，該系統主要負責水培溫室環境因子的採集、處理和管理等。智慧控制模型主要由草莓栽培專家系統、草莓生長髮育各函式模型及其管理模型組成，主要實施對監測到的資料根據草莓生長髮育與環境的關係模型進行科學分析、準確判別，實施控制方案的制定和釋出。智慧控制管理系統由控制策略程式和執行機構組成，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、溶解氧調控基於物聯網的草莓無土栽培智慧管理系統設計與實現857無土栽培溫室的環境智慧監控系統設計框架系統、空氣溫度調控系統、空氣溼度調控系統、光照調控系統等組成，執行機構的實施均採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
透過線上監測系統能對所有影響草莓生長髮育的溫室環境實施全天候的線上自動監測。即可自動監測溫室內的空氣溫度、空氣溼度、光照強度、CO2濃度、營養液溫度、溶解氧、pH 值、EC 值、營養液用量、灌溉水量等引數; 同時，可以監測溫室外的空氣溫度、空氣溼度、光照強度等引數。並且線上監測資料傳輸平臺可以實現資料的接收、過濾、儲存、處理、統計分析並提供實時資料查詢等。不但可以使管理人員或系統本身根據實時資料和歷史資料實施精準的管理，同時，還可以使領導、專家及其科研、教學人員實時觀察、掌握植物生長髮育狀況及其與環境因子的關係，並進行相關決策、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引數及其系統設計的草莓生長髮育模型、專家系統及其管理模型等，制定和釋出的指令，智慧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、遮陽網和薄膜的捲簾、閉簾，水簾、風機的開和關，加溫、降溫、通風、排溼設施的開關、灌溉和增溼設施的開關等。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、室內單個控制裝置為基本控制單元，利用計算機技術開發分散式控制系統; 基於分散式控制系統，開發利用動力供電線路( 交流220 V) 為母線的載波資料傳輸介面電路。
1. 3. 3 資訊管理
本系統可以實現監測資料的自動儲存和分析管理，監測資料的遠端遙測與控制指令的遠端傳輸管理，及其自動控制方案的制定與釋出，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捲簾和閉簾等控制方案; 根據棚內空氣溼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溼控制方案等; 棚內營養液積溫、空氣積溫、累計光照時間及氣溫溼度、營養液pH、EC 等影響水培植物生長髮育的重要引數曲線圖表的繪製管理。
2 系統的實現
2. 1 智慧感知
無土栽培溫室環境因子的實時監測是實現智慧化控制的前提和基礎。由於無土栽培植物生長受諸多自然條件的影響，如環境溫度、溼度和光照及其營養液溫度、濃度、pH、EC 等，資訊採集量很大，所以本系統根據無線感測器網路具有資料採集量大、精度高的特點，可以為使用者提供詳細準確的設施農業環境的資訊引數，且成本低，可減小人為活動對環境的不利影響等優點[5]，選擇了無線感測網路實施溫室草莓無土栽培的線上監測系統，該系統是透過新一代物聯網資料遠端傳輸系統實現的實時監測系統。該系統能夠以最快、最穩定的方式採集、傳輸監測的溫室環境實時引數，為專案系統整合使用者提供最佳的方案。溫室線上監測系統示意圖溫室環境線上監測系統主要分為三部分: 資料駁系統、遠端傳輸系統、後臺儲存系。
2. 1. 1 資料接駁器系列
資料接駁器實現了任意感測器的資料接入功能，內建低功耗高速ARM 處理核心，可完成目標資料採集，通道校準、儲存，裝置診斷，裝置休眠等功能，任意感測器輸出訊號均可透過資料接駁器轉換成標準的MODBUS-RTU 協議輸出，簡化使用者後端系統接入，並可與現有DCS、組態軟體進行無縫連線，同時也集成了常用感測器供使用者快速部署。
2. 1. 2 遠端資料傳輸終端系列
遠端資料傳輸終端能夠滿足大多數環境下的資料傳輸需求，全系列終端均支援ZA 系列資料接駁器，遠端資料傳輸終端可利用WiFi 網路、乙太網( RJ45 有線) 、GSM/GPRS /3G ( 手機網路) 、Zigbee 無線自組織網路、北斗一代進行資料傳輸。終端支援遠端巡檢，自動採集，低功耗控制，遠端配置，遠端預警，GPS /北斗定位等功能; 大大增強了終端的適用範圍，真正意義上實現了物聯網中的“物物相聯”目標。
傳輸終端配有資料儲存平臺軟體( ZA DataCenter Service) ，支援MySQL /MS SQL /Oracle 資料庫，最大可支援1 萬個終端同時線上傳輸，同時支援外掛式感測器解析模組，可方便系統擴充套件。透過不同感測器可以採集各類環境引數及其需要控制的技術引數。傳輸終端可接駁系列化智慧數字感測器，單個傳輸終端可同時接入5 到10 路感測器，實現對感測器的自動識別。它具有超低功耗，自動關斷負載電源，RTC 定時喚醒等的特性。終端節點支援太陽能、風光互補等多種供電模式，最大程度適應複雜的應用環境; 所有傳輸終端均採用專利低功耗技術，以GPRS 傳輸終端為例，在使用4 個智慧感測器的情況下，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( 採集頻率按5 min·次- 1計) 。
2. 1. 3 後臺儲存系統
ZA-DATA-CENTER 後臺儲存系統是為ZA 系列傳輸終端設計的後臺儲存服務軟體，服務軟體可將前端遠端任意感測器的資料進行實時、定時的採集、並透過ODBC 泛用介面進行穩定儲存，同時還負責檢測終端及感測器裝置狀態、電池電量、定位資料等資訊，使用者可透過訪問資料庫中的實時表及歷史表進行資料的訪問及統計，也可透過伺服器所提供的WebService 資料訪問介面直接訪問遠端資料。ZA-DATA-CENTER 採用資料解析外掛技術，使用者可根據前端應用不同、感測器的不同，新增自定義解析外掛，輕鬆實現系統的擴充套件和特殊應用需求，同時還可以透過外掛介面API 開發自定義的資料訪問介面。伺服器採用記憶體池及併發連線處理技術，可同時處理大量、高頻的資料請求及儲存請求，非常適用於大規模終端部署及監測，增強了專案整合軟體的穩定性。
2. 2 智慧分析
智慧分析即將監測資料實時透過網路上傳到應用服務平臺，應用服務平臺透過雲計算平臺對環境情況進行計算分析，結合植物的生長髮育各函式模型及其管理模型，精確判斷其對環境引數對植物生長髮育的影響，及時做出對環境引數調控的指令。本系統藉助於現代資訊模擬技術和歷史栽培經驗，開發建立了草莓生長髮育模型，開發了草莓專家管理系統。本系統利用ZA-DATA-CENTER 後臺儲存系統，將採集到的感測器資料，在後臺進行實時分析、處理和儲存; 並能透過GSM/GPRS、3G 網路快速將資料資訊同步傳送到資料伺服器，透過雲計算平臺進行精確的計算分析，與預置的草莓生長髮育環境資訊和生長髮育模型、控制管理模型開展資訊分析與研究，並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引數透過控制系統進行精確調控，實現自動、智慧的環境監控。
2. 3 智慧控制
智慧控制模型是智慧管理系統的“大腦”，主要由專家系統、草莓生長髮育各函式模型及其管理模型組成; 主要實施對監測到的資料根據草莓生長髮育與環境得到關係模型進行科學分析、準確判別，實施控制方案的制定和釋出。如在草莓果實成熟期當監測系統測得基質相對含水量低於65% 時，資料上傳至智慧控制模型，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%，智慧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 分散式大規模資料儲存平臺
物聯網技術應用普遍存在“儲存使用難”，在海量的感測器資料資訊下，資料的儲存與交換存在技術難度，由於草莓無土栽培需感測器部署密度大、資料實時性強、要求後端儲存系統具有高實時性及響應能力，一味地增加硬體來提升效能可以解決問題，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、軟體模組耦合過多等問題，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，它是基於現代“雲計算”技術的物聯網專用資料儲存與解析的系統應用軟體，系統前端採用負載均衡單元進行分散式排程儲存，資料儲存穩定可靠，資料處理能力可達10 萬次·s - 1，能夠處理海量的資料，相容不同資料交換協議，支援災難性的資料恢復; 同時，軟體具有良好的跨平臺能力，能夠支援Windows，Linux，Unix，FreeBSD 等主流作業系統。
2. 3. 2 資料庫設計
ZA DataCenter 資料庫儲存、分析及處理監測系統的歷史資料及實時資料，採用MySQL 資料庫進行儲存，主要由感測器歷史資料表、實時資料表和資訊表三張資料表構成。其中感測器歷史資料表主要用於長期儲存歷史資料，用於上層應用中的圖表顯示、歷史查詢、分類查詢等目的; 感測器實時資料表主要用於上層應用中定時重新整理、實時顯示等。透過資料庫和圖表分析技術，可對溫室各環境動態資料進行實時分析並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。並透過開發出的可高度擴充套件的繼電器控制模組等使用者可以自定義某個引數達到或超過一定指標是否需要開啟或關閉某個裝置，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，達到智慧化控制。該控制系統不僅可以按引數值設定，還可以按時間間隔或定時設定，例如某個時間段開啟或關閉某個裝置。同時，可以透過預警值分析進行報警，當溫室內各引數出現異常，達到設定報警值時，系統能透過手機簡訊、控制介面、系統廣播等進行聲音、影象等報警，提醒管理者儘快處理。透過遠端管理軟體平臺和影片系統還可實現遠距離監控。可將各種感知裝置的基礎資料進行統一儲存、處理和挖掘，透過監控軟體的智慧決策，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裝置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資料的觀測、採集，為相關專案提供便捷的影片、資料採集、儲存和分析研究等。
3 示範應用
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、溼度、光照、培養液溫度、pH 值、EC 值、溶解氧、CO2濃度等多環境因素線上檢測與灌溉、施肥、通風、光照等多控制系統融合的集聯型控制系統，透過多環境因素的融合分析，自適應地驅動不同的控制裝置，實現了草莓無土栽培溫室環境的自動控制，並首先在杭州餘杭農業科技園區和蕭山生態迴圈農業示範園區開展試驗應用，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。