基于物联网的草莓无土栽培智能管理系统设计与实现研究论文
无土栽培是指不用天然土壤，使用基质或不使用基质，用营养液灌溉植物根系或用其他方式来种植植物的方法。无土栽培能够避免水分大量渗透和流失，克服土壤连作障碍，在节约用水、缓解耕地紧张等问题上优势突出，具有作物生长快、经济效益高，产品质量好，无污染、不受地区和季节限制、便于实现生产工厂化和自动化等优点，是设施栽培发展的高级阶段和重要方向。在发展速度快、栽培效益高，连作障碍明显的设施草莓栽培中，无土栽培的应用优势更为突出，且其可实现温室大棚立体栽培，显著提高经济效益和生态效益。无土栽培以人工创造的作物根系环境取代土壤环境，不仅能满足作物对矿物质营养、水分和氧气的需要外，还能应用人工技术对这些环境加以控制和调整，使其在品质方面按照需求发展。然而传统的应用人工对温室环境及其营养液进行控制、调整和检测，效率低下，容易出现错误和偏差。如何对无土栽培环境实施全方位实时监测、实时传输，根据生产要求及时调整环境参数，有效地提高生产效率和产品质量成为目前无土栽培技术的一大难点。随着农业物联网技术的发展，以传感技术与物联网技术相结合的全方位田间环境监控技术得到迅速发展。但所研制的产品功能普遍比较单一，扩展性差，更由于不能大批量生产，导致价格较高，没有取得较好的推广效果。设施农业物联网技术还没有出现一个可以在稳定性、经济性和通用性上均衡发展，最终占据市场主导地位的管理系统或管理平台。
本文利用先进的计算机技术对无土栽培温室大棚的生长环境进行科学检测、科学分析和有效控制，使其具有最为适宜的生长小环境，准确、及时掌握环境数据，科学控制草莓生长过程，达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的，进而实现农业生产集约、高产、优质、高效、生态和安全的目标。设计的系统适用性好、扩展性强、稳定性好，经济性和通用性都相对较高。同时，可通过远程监控，实时分析，实现远程指导、实时动态教学和管理，实现智能温室的全自动化，也可以在广大设施农业领域中起到示范作用，实现“智慧农业”的推广和应用。
1 系统架构设计
本研究设计的无土栽培温室大棚物联网智能管理系统，可使生产或其他过程按照人们编制的工作程序自动进行监控，当被监控的对象运行时，无需人的直接参与。智能监控包括自动监测和智能控制2 个方面，即利用计算机对环境因素或生产过程各因素进行全天候不间断的实时监测，并根据实时数据和控制模型进行智能判断，根据实际需要给出实时控制方案，自动完成各设备的控制。本系统集传感器、自动化监测、自动化控制、通讯、计算等技术与专家系统于一体，通过预置草莓生长发育所需的适宜环境参数和控制模型，搭建温室智能化软硬件平台，实现对草莓无土栽培温室中温度、湿度、光照、营养液浓度、pH 值、EC 值和CO2浓度等因子的自动监测和控制。
1. 1 系统设计目标
本系统由前端部分来完成对环境监测因子的含量监测与汇总、转换、传输等工作，监测因子包括空气温度、湿度、光照、营养液温度、pH 值、EC值、溶解氧、CO2浓度等环境参数，这些监测因子由数据采集终端使用不同的方法进行测量，通过数据处理转换后经由GPRS 等网络向在线监测数据平台传输数据，由在线监测数据传输平台实现数据的接收、过滤、存储、处理、统计分析并提供实时数据查询等任务。当某个指标超过设定值的时候，自动开启或者关闭指定设备。整个系统可安全、可靠、准确、实时、全面、快速、高效地将真实的草莓无土栽培生产环境信息展现在管理人员的面前，并实现智能化管理和控制。使草莓在一个充分优化的环境中生长发育，充分提高资源利用效率，减少病虫为害，节约养分、水分、能源及管理成本等，使管理精准、生产高效、生态安全。系统总体设计
1. 2 系统设计框架
无土栽培温室智能管理系统主要包含智能监测管理、智能控制模型和智能控制管理三部分。系统设计框架图见图2。其中智能监测管理系统主要由传感器、数据接驳器、集线器、数据传输终端及传输网络、数据存储器构成的在线监测系统，该系统主要负责水培温室环境因子的采集、处理和管理等。智能控制模型主要由草莓栽培专家系统、草莓生长发育各函数模型及其管理模型组成，主要实施对监测到的数据根据草莓生长发育与环境的关系模型进行科学分析、准确判别，实施控制方案的制定和发布。智能控制管理系统由控制策略程序和执行机构组成，执行机构由营养液调控系统、水分调控系统、pH 调控系统、EC 值调控系统、溶解氧调控基于物联网的草莓无土栽培智能管理系统设计与实现857无土栽培温室的环境智能监控系统设计框架系统、空气温度调控系统、空气湿度调控系统、光照调控系统等组成，执行机构的实施均采用电磁阀或电机控制。
1. 3 系统重要功能
1. 3. 1 温室环境的自动监测
通过在线监测系统能对所有影响草莓生长发育的温室环境实施全天候的在线自动监测。即可自动监测温室内的空气温度、空气湿度、光照强度、CO2浓度、营养液温度、溶解氧、pH 值、EC 值、营养液用量、灌溉水量等参数; 同时，可以监测温室外的空气温度、空气湿度、光照强度等参数。并且在线监测数据传输平台可以实现数据的接收、过滤、存储、处理、统计分析并提供实时数据查询等。不但可以使管理人员或系统本身根据实时数据和历史数据实施精准的管理，同时，还可以使领导、专家及其科研、教学人员实时观察、掌握植物生长发育状况及其与环境因子的关系，并进行相关决策、研究和教学等等。
1. 3. 2 温室环境的自动控制
根据自动监测各环境参数及其系统设计的草莓生长发育模型、专家系统及其管理模型等，制定和发布的指令，智能控制系统可以实现温室环境的自动控制，主要包含棚内栽培营养液调节和更换，溶解氧的自动调节、pH 的`自动调节、EC 值的自动调控、遮阳网和薄膜的卷帘、闭帘，水帘、风机的开和关，加温、降温、通风、排湿设施的开关、灌溉和增湿设施的开关等。所有系统既可以实施全自动的控制，根据需要也可以实施手动控制。自动控制可以单个温室为基本控制单位、室内单个控制设备为基本控制单元，利用计算机技术开发分布式控制系统; 基于分布式控制系统，开发利用动力供电线路( 交流220 V) 为母线的载波数据传输接口电路。
1. 3. 3 信息管理
本系统可以实现监测数据的自动存储和分析管理，监测数据的远程遥测与控制指令的远程传输管理，及其自动控制方案的制定与发布，包括根据营养液溶度、溶解氧、pH 值、EC 值等控制下限和上限进行自动的营养液调节或更换等控制方案; 根据棚内温度、棚内外光照强度或时间进行水帘和风机及遮阳网的卷帘和闭帘等控制方案; 根据棚内空气湿度大小制定的排风控制方案、根据作物需要或按照时间制定的增湿控制方案等; 棚内营养液积温、空气积温、累计光照时间及气温湿度、营养液pH、EC 等影响水培植物生长发育的重要参数曲线图表的绘制管理。
2 系统的实现
2. 1 智能感知
无土栽培温室环境因子的实时监测是实现智能化控制的前提和基础。由于无土栽培植物生长受诸多自然条件的影响，如环境温度、湿度和光照及其营养液温度、浓度、pH、EC 等，信息采集量很大，所以本系统根据无线传感器网络具有数据采集量大、精度高的特点，可以为用户提供详细准确的设施农业环境的信息参数，且成本低，可减小人为活动对环境的不利影响等优点[5]，选择了无线传感网络实施温室草莓无土栽培的在线监测系统，该系统是通过新一代物联网数据远程传输系统实现的实时监测系统。该系统能够以最快、最稳定的方式采集、传输监测的温室环境实时参数，为项目系统集成用户提供最佳的方案。温室在线监测系统示意图温室环境在线监测系统主要分为三部分: 数据驳系统、远程传输系统、后台存储系。
2. 1. 1 数据接驳器系列
数据接驳器实现了任意传感器的数据接入功能，内置低功耗高速ARM 处理核心，可完成目标数据采集，通道校准、存储，设备诊断，设备休眠等功能，任意传感器输出信号均可通过数据接驳器转换成标准的MODBUS-RTU 协议输出，简化用户后端系统接入，并可与现有DCS、组态软件进行无缝连接，同时也集成了常用传感器供用户快速部署。
2. 1. 2 远程数据传输终端系列
远程数据传输终端能够满足大多数环境下的数据传输需求，全系列终端均支持ZA 系列数据接驳器，远程数据传输终端可利用WiFi 网络、以太网( RJ45 有线) 、GSM/GPRS /3G ( 手机网络) 、Zigbee 无线自组织网络、北斗一代进行数据传输。终端支持远程巡检，自动采集，低功耗控制，远程配置，远程预警，GPS /北斗定位等功能; 大大增强了终端的适用范围，真正意义上实现了物联网中的“物物相联”目标。
传输终端配有数据存储平台软件( ZA DataCenter Service) ，支持MySQL /MS SQL /Oracle 数据库，最大可支持1 万个终端同时在线传输，同时支持插件式传感器解析模块，可方便系统扩展。通过不同传感器可以采集各类环境参数及其需要控制的技术参数。传输终端可接驳系列化智能数字传感器，单个传输终端可同时接入5 到10 路传感器，实现对传感器的自动识别。它具有超低功耗，自动关断负载电源，RTC 定时唤醒等的特性。终端节点支持太阳能、风光互补等多种供电模式，最大程度适应复杂的应用环境; 所有传输终端均采用专利低功耗技术，以GPRS 传输终端为例，在使用4 个智能传感器的情况下，使用普通太阳能能源系统( 约2 W) ，4 000 mA 蓄电池可连续工作2 年( 采集频率按5 min·次- 1计) 。
2. 1. 3 后台存储系统
ZA-DATA-CENTER 后台存储系统是为ZA 系列传输终端设计的后台存储服务软件，服务软件可将前端远程任意传感器的数据进行实时、定时的采集、并通过ODBC 泛用接口进行稳定存储，同时还负责检测终端及传感器设备状态、电池电量、定位数据等信息，用户可通过访问数据库中的实时表及历史表进行数据的访问及统计，也可通过服务器所提供的WebService 数据访问接口直接访问远程数据。ZA-DATA-CENTER 采用数据解析插件技术，用户可根据前端应用不同、传感器的不同，添加自定义解析插件，轻松实现系统的扩展和特殊应用需求，同时还可以通过插件接口API 开发自定义的数据访问接口。服务器采用内存池及并发连接处理技术，可同时处理大量、高频的数据请求及存储请求，非常适用于大规模终端部署及监测，增强了项目集成软件的稳定性。
2. 2 智能分析
智能分析即将监测数据实时通过网络上传到应用服务平台，应用服务平台通过云计算平台对环境情况进行计算分析，结合植物的生长发育各函数模型及其管理模型，精确判断其对环境参数对植物生长发育的影响，及时做出对环境参数调控的指令。本系统借助于现代信息模拟技术和历史栽培经验，开发建立了草莓生长发育模型，开发了草莓专家管理系统。本系统利用ZA-DATA-CENTER 后台存储系统，将采集到的传感器数据，在后台进行实时分析、处理和存储; 并能通过GSM/GPRS、3G 网络快速将数据信息同步发送到数据服务器，通过云计算平台进行精确的计算分析，与预置的草莓生长发育环境信息和生长发育模型、控制管理模型开展信息分析与研究，并与设定的预警值进行对比。根据理想的环境指标对栽培现场的环境参数通过控制系统进行精确调控，实现自动、智能的环境监控。
2. 3 智能控制
智能控制模型是智能管理系统的“大脑”，主要由专家系统、草莓生长发育各函数模型及其管理模型组成; 主要实施对监测到的数据根据草莓生长发育与环境得到关系模型进行科学分析、准确判别，实施控制方案的制定和发布。如在草莓果实成熟期当监测系统测得基质相对含水量低于65% 时，数据上传至智能控制模型，控制管理模型经分析决策，发出指令给控制系统使电磁阀开启实行灌溉，当实时测得基质相对含水量达到75%，智能控制模型即发出指令给控制系统使电磁阀关闭，停止灌溉。
2. 3. 1 分布式大规模数据存储平台
物联网技术应用普遍存在“存储使用难”，在海量的传感器数据信息下，数据的存储与交换存在技术难度，由于草莓无土栽培需传感器部署密度大、数据实时性强、要求后端存储系统具有高实时性及响应能力，一味地增加硬件来提升性能可以解决问题，从根本上解决不了规模化、产业化问题，另外在上层应用时也会遇到标准不统一、软件模块耦合过多等问题，这些问题都阻碍着物联网技术的应用与发展。ZA DataCenter 较好地解决了该难题，它是基于现代“云计算”技术的物联网专用数据存储与解析的系统应用软件，系统前端采用负载均衡单元进行分布式调度存储，数据存储稳定可靠，数据处理能力可达10 万次·s - 1，能够处理海量的数据，兼容不同数据交换协议，支持灾难性的数据恢复; 同时，软件具有良好的跨平台能力，能够支持Windows，Linux，Unix，FreeBSD 等主流操作系统。
2. 3. 2 数据库设计
ZA DataCenter 数据库存储、分析及处理监测系统的历史数据及实时数据，采用MySQL 数据库进行存储，主要由传感器历史数据表、实时数据表和信息表三张数据表构成。其中传感器历史数据表主要用于长期存储历史数据，用于上层应用中的图表显示、历史查询、分类查询等目的; 传感器实时数据表主要用于上层应用中定时刷新、实时显示等。通过数据库和图表分析技术，可对温室各环境动态数据进行实时分析并用曲线等直观方式进行显示，使管理系统或管理者及专家能及时准确的分析和判断，做出正确快捷的决策和处理。并通过开发出的可高度扩展的继电器控制模块等用户可以自定义某个参数达到或超过一定指标是否需要开启或关闭某个设备，如灌溉系统、加温系统、水帘风机降温系统、内外遮阳系统及营养液调节系统等，达到智能化控制。该控制系统不仅可以按参数值设置，还可以按时间间隔或定时设置，例如某个时间段开启或关闭某个设备。同时，可以通过预警值分析进行报警，当温室内各参数出现异常，达到设定报警值时，系统能通过手机短信、控制界面、系统广播等进行声音、图像等报警，提醒管理者尽快处理。通过远程管理软件平台和视频系统还可实现远距离监控。可将各种感知设备的基础数据进行统一存储、处理和挖掘，通过监控软件的智能决策，形成有效指令，直接指导控制执行系统或管理人员开启或关闭设备调节设施内的小气候环境，为草莓生长提供优良的生长环境。同时也可以利用该系统进行教学或科研数据的观测、采集，为相关项目提供便捷的视频、数据采集、存储和分析研究等。
3 示范应用
本研究针对草莓无土栽培精细化管理要求，自主开发了温度、湿度、光照、培养液温度、pH 值、EC 值、溶解氧、CO2浓度等多环境因素在线检测与灌溉、施肥、通风、光照等多控制系统融合的集联型控制系统，通过多环境因素的融合分析，自适应地驱动不同的控制设备，实现了草莓无土栽培温室环境的自动控制，并首先在杭州余杭农业科技园区和萧山生态循环农业示范园区开展试验应用，取得了良好的应用效果: 系统为草莓培育提供了最优环境，节约了成本和资源，提高了品质和产量，减少了病虫为害，提高了生产效率和生态安全。，栽培方式为基质栽培，对照为人工控制，人工控制处理的效果较为明显。
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