随着我国设施农业的迅速发展，全国各地根据需要普遍建设了温室大棚为农作物创造良好的生长环境。而现有的大多数温室大棚的检测与控制都采用人工管理，存在测控精度低、劳动强度大等弊端，增加了成本浪费资源，且难以达到预期效果。
随着人们消费水平的不断提高和农业生产劳动力的大量转移，传统温室大棚的种植和管理模式面临严重挑战。一方面，传统的家庭种植管理模式面临后继无人的问题，我院师生到寿光、昌乐、青州等地走访和调研的过程中发现，目前从事瓜果蔬菜大棚种植得群众年龄在40岁以上占95%，这些地区的96%以上的年轻人都不愿从事大棚种植经营。另一方面，农业已经出现集约化生产经营的趋势，现代农业正在形成规模和快速发展，但由于种植企业在产业化水平、种植人员技术水平、种植技术手段及生产流程管理等方面的不足，产生了一系列问题：农业企业产业化水平低，仍以传统经验生产为主，缺乏量化指标和配套集成技术，监测与控制都采用人工管理，存在测控精度低、劳动强度大等弊端，增加了成本浪费资源，且难达到预期效果，导致种养殖环境恶劣，影响产量和品质。
要解决以上问题，必须依靠农业科技，推动农业转型与升级，迫切需要依靠物联网等新一代信息技术，实现种植的自动化、精准化、清洁化、智能化生产与经营切实降低劳动力成本，最终提高生产效率增加农业产量，获得更大的经济效益。在自动化生产过程中有效控制环境不仅能生产出高效益的作物，还能为工作人员提供安全、舒适的工作环境。
2.系统的意义和目标
经多个地区走访调研，发现市面上农业物联网设施比较多、比较杂，物联网设备也已经被农业示范园和大型农业种植企业所应用，也提高了种植效率和解决了部分种植问题。但是农业科技产品还远远没有满足广大种植企业和种植农户的需求，首先大多数温室大棚农业物联网设施系统庞大且功能全面、造价不低，资金实力雄厚的农业企业可以尝试应用，而普通农户就只能望而却步了；其次，市面上大多数温室大棚农业物联网设施主要为比较高档的连栋温室和成规模的、标准的、比较高档温室大棚设计，并不适用于高低、长宽、架构参差不齐的普通农户的日光温室和拱形大棚；再次，由于普通农户的技术知识的限制、小农经营思路的限制、经济实力的限制，他们一般不会采购成套的自动化或智能化系统，而是喜欢经济实用、能解决最迫切的问题的农业设施；最后，由于市面上农业物联网设施比较杂，企业采用的电气标准、通信标准、接口等各不相同，不同企业的产品在兼容性和联通性上存在障碍。
本项目的目标是运用物联网等科技技术，设计经济实用的农业科技设施，解决农户在种植管理传统日光大棚和拱形大棚过程中面临的迫切问题，提高种植劳动效率和作物的产量和质量。经调研发现，在初春、冬季、深秋时期的大棚温度管理、精确灌溉、病虫害管理等问题比较令种植户头疼，一方面农户都是通过手动控制大棚塑料薄膜的风口大小，实现大棚的温度管理，非常耗费时间和体力；另一方面，农户不能精确地知道土壤的湿度，凭经验浇水。所以我们设计了基于物联网的普通温室大棚智能温度和土壤湿度管理系统。该系统采用手机终端和触摸控制屏来显示环境信息和远程控制、应用4G信号和以太网等远程通信方式、应用传感器和LORA模块进行数据采集和无线传输、应用新大陆物联网云平台做数据存储和计算。具体目标如下：
（1）实现传感器数据无线接入。
（2）实现控制器信息无线传输。
（3）实现集中管理控制，包括用户管理、设备管理、认证管理、权限管理。
（4）实现传感器数据可视化展示和远程控制。
（5）实现寿光、昌乐、青州等地的普通大棚应用示范和推广，为大棚农业生产提供有效工具。
3.系统整体设计
3.1系统架构
如图1所示，系统的总体架构分为终端应用、数据处理平台、网络传输和自动采集控制终端4部分。系统能够监测大棚内的空气温度和土壤湿度，提醒异常情况；通过农业生产管理系统合理控制通风和灌溉；通过云平台保存农业生产数据，提供给专家系统和农资生产商，指导用户合理使用农资和管理；面向农户/消费者的计算机和手机监测和控制平台，了解过程参数和远程控制。
图1 系统的框架图
3.2系统设计原则
（1）应用系统需采用模块化设计，单一模块出现故障应不影响其他模块的正常工作。同时，方便增加新的应用系统；
（2）系统设计时应考虑用户使用便捷的因素，因此要求系统支持互联网、手机等多种应用模式和方式；
（3）系统数据库设计时应考虑数据接口的安全性和统一性，一方面要保证数据的相对安全，一方面还要为以后增加新的应用系统提供便捷的数据接口。同时，数据要建立冗余机制；
（4）系统要有灵活、严格的权限设计，保证管理员对每个用户要能进行灵活的权限分配。同时，要确保没有获得授权的功能绝对不能使用；
（5）统一应用框架要求。应用系统应使用统一的应用支撑平台进行设计和开发，使用统一管理组织和人员、统一应用功能界面组装、统一用户身份验证和统一访问授权控制功能；
（6）统一信息资源编目要求。基于新大陆云平台，设计统一的信息资源编目组件，为信息资源的抽取、整理、编目、查询提供支撑。应用系统有信息资源编目需求的基于此组件实现；
（7）统一数据共享要求。基础代码等基础数据的统一存放和管理是数据一致性和标准化的基本保障，是数据共享的前提条件。应用系统需要共享的数据通过主数据管理组件进行描述和管理。
3.3系统的技术原则
3.3.1精准性
针对目前种植环境指标监测困难、手段落后等缺点，利用物联网技术，实时监测大棚的温度和土壤湿度信息，真正做到精准监测、精细生产和科学管理。
3.3.2实用性
第一，考虑到不同植物及不同生长阶段的温度和土壤湿度需求的个性化，在触摸屏设置了修改温湿度上下限的部分，同时在手机终端和触摸屏设置了温湿度控制的手动和自动切换部分；
第二，为了杜绝因为人为原因忘记开关风和浇水，以至于温度太高或太低、土壤太干或太湿，造成对植物不可恢复的伤害，系统设置了超过温度上下限自动通风和关风功能，以及浇水报警提醒功能。
3.3.3适用性
系统采用技术成熟、成本易控制的传感、触摸屏、智能手机等其他设备为信息输入端，信息通过互联网、4G信号、无线网络等有序集成。以大棚环境信息实时采集、后台自动运算与传输为基础，从而实现以自动监测、远程控制、触摸控制为一体的综合管理平台。
3.3.4共享性
基于新大陆物联网平台，为经营农业的企业提供信息管理平台数据采集，实现管理信息共享和生产调度指挥，做到数字化管理，提升精耕细作管理水平。
3.3.5扩展性
一方面，系统的硬件部分从数据采集到无线传输部分再到控制部分都采用模块设计，网关部分有丰富的备用接口；另一方面，管理软件部分采用模块设计和接口可扩展等设计原则，保证系统的功能扩展性，支持业务功能和业务规模的增加。
4.系统硬件组成
4.1自动采集模块
受风向、地势高低、大棚走向等因素影响，大棚不同部位的温度和土壤湿度有所不同。为了实现精准采集，采用多节点和灵活的采集方式。通过传感器采集日光温室内空气温度、空气湿度、土壤水分数据，并利用LORA无线通信模块将环境数据传送到对应的控制模块，再通过网关模块将环境参数传输到云平台和手机终端，实现温室大棚环境信息的实时监测和温度及土壤水分的智能化控制。温度传感器和土壤水分传感器为数字化信号传感器，输出口为RS485标准接口，并通过接口和LORA通信模块连接，如图2所示。因为不同采集节点的距离以及安装位置不同，每个传感器都对应一个LORA无线通信模块，保证安装的便捷性。
图2 温湿度传感器、土壤水分传感器、LORA通信模块
4.2远程控制和执行模块
远程控制系统由测控模块（包含触摸控制屏）、直流电机驱动控制模块、灌溉驱动控制模块、电机及拉绳等组成。如图3、图4所示，用户可以通过手机等终端实时读取环境信息和远程控制大棚温度和灌溉，也可以通过测控模块手动控制大棚温度、灌溉、修改温度和湿度的上下限。
图3 智能温度控制系统
图4 智能灌溉控制系统
4.3物联网网关模块
物联网网关模块如图5所示。温度控制开发板和灌溉控制开发板通过串口和网关开发连接，网关开发板有丰富的网络接口模块及网络协议转换能力，可以通过以太网口、无线通信模块（WIFI、蓝牙等）、4G通信模块接入互联网，与云平台进行通信。
图5 物联网网关模块
4.4物联网云平台及终端
物联网云平台是基于智能传感器、无线传输技术、大规模数据处理与远程控制等物联网核心技术与互联网、无线通信、云计算大数据技术高度融合开发的一套物联网云服务平台，集设备在线采集、远程控制、无线传输、数据处理、预警信息发布、决策支持、一体化控制等功能于一体的物联网系统。用户及管理人员可以通过手机、平板、计算机等信息终端，实时掌握传感设备信息，及时获取报警、预警信息，并可以手动/自动的调整控制设备，最终实现使以上管理变得轻松简单。
5.系统软件组成
5.1温度控制软件的实现
如图6所示，温度控制开发板通过LORA无线通信模块读取温度传感器的数据。根据温度数据和设定的温度上下限来判断开关风口的情况。首先，为了给作物生长提供适宜的温度环境，设置4种风口的状态小风口、中风口、大风口、关闭风口，同时可以通过触摸屏修改温度上下限。发板来控制直流电机的正反转，电机通过支撑杆、滑轮、拉绳等带动塑料薄膜的卷膜和关膜，从而开启不同大小的风口来控制大棚的温度。最后，温度控制开发板有3种温度控制策略：①自动温度控制算法；②触摸屏手动控制风口大小和修改温度上下限；③通过网关和云平台接受手机或计算机的远程的控制命令来控制风口大小。
图6 温度控制软件框图
5.2灌溉部分软件的实现
如图7所示，灌溉控制开发板通过LORA无线通信模块读取土壤水分传感器的数据。首先，灌溉控制开发板可以根据土壤水分数据和设定的水分上下限来判断灌溉的情况。其次，温度控制开发板通过继电器驱动开发板来控制灌溉设施。最后，灌溉控制开发板有两种控制策略，分别是触摸屏手动控制灌溉和修改土壤水分上下限，接受网关的控制命令来控制灌溉。
图7 灌溉控制软件框图
作者：孟艳艳 陈伟海 贾长洪 赵敬芬
本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第23期
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