论文部分内容阅读
【摘 要】随着农业技术的不断发展，农业生产向着精细化、智能化的方向发展，而温室自动化生产监控技术是智能农业的代表技术之一，通过对智能温室的远程监控可以对地块中的土壤信息、农作物的生长信息等进行全程监测，对作物的长势、产量做出分析及预测，并对每个小区做出科学决策，提高农业生产的精确性和生产效益。
【关键词】智能；温室；远程监控系统；设计研究
前言：农作物的生长一方面取决于农作物本身的遗传特性，另一方面取决于外界环境因素。只有在具有良好遗传特性的前提下，同时具备适宜农作物生长的外界环境因素，农作物才能健康生长。同时，随着农业产业规模的不断扩大和大棚技术的不断普及，温室大棚数量不断增多。许多温室大棚的业主希望能随时了解温室的现场数据，为决策工作提供技术支持，但目前温室管理信息化、智能化程度低，大部分管理工作仍需人工完成，随着人工成本的增加和现代农业的发展趋势，提高温室的自动化程度和普及率，实现农作物的优质、高效和高产的要求越来越迫切，温室智能监控系统的研究逐渐成为热点。传统的温室智能监控系统要求操作者必须亲临现场，实现温度湿度和通风系统等的控测。这种方法不但增加了劳动力成本和工作强度，还不利于温室的实时管理。随着设施农业和网络技术的不断发展，远程监控系统的应用也日益广泛，实现规模化集中化管理、智能化精准化监控是我国温室发展的方向。同时，物联网技术在农业中也被不断广泛应用，基于物联网的远程智能监控系统在温室管理中的应用，能够实现温室的远程化和智能化管理，在提高作物的产量和品质、降低人工生产成本等方面具有重要作用。
1 智能温室远程监控系统的基本要求
一般情况下智能温室远程监控系统需要满足以下几个要求：一是具备较好的可扩展性，即根据实际的生产需求实现不同类型设备的远程控制；二是响应速度快。系统要具备较强的时间控制精度，以迅速的完成各种数据采集及设备的控制，以保证远程控制的实时性与实效性；三是稳定性。智能温室远程监控系统的工作环境相对恶劣，只有保证系统运行的稳定性，才能进一步保证数据采集的准确性、可靠性；四是较强的功能性及较低的投入成本。农业生产效益相对其他产业而言相对较低，如果智能监控系统成本过高，会直接增加农业生产的成本，而影响其经济效益，因此系统设计要充分考虑系统的建设成本。此外，系统还要具备温室数据采集、数据存储、数据分析、设备控制、数据提取等多项功能，才能更好的满足智能农业的生产需求。
2 系统软件设计
控制系统涉及植物生理、环境和自动控制技术等领域，包括加热系统、通风系统、帘幕系统、湿帘系统、营养液循环灌溉系统、施肥系统和光控制系统等，诸多因子组成的复杂系统通过计算机采集每一时刻的环境因子信息，自动进行数据在线处理分析，温室控制已从单因子控制发展成多因子协调控制和网络化的多温区群控。随着设施农业的发展，工厂化、集约化程度的不断提高，对设施农业环境工程调控技术与设施的要求也越来越高。
温室环境控制是在充分利用自然资源的基础上，通过改变植物生长的环境因子（温度、湿度、光照、CO2和施肥等）来获得作物最适宜的生长发育环境。温室控制软件系统是一个控制对象复杂，子系统繁多，多因子联合控制的大型复杂系统，系统主要的组成部分可以分解为：信息管理系统、模型管理系统、知识管理系统，这些系统都连接到智能控制器，这些系统之间可相互联系，这些系统又与数据库、植物生长模型和知识库连接，智能控制系统通过传感器采集温室内环境和温室内植物生长发育状况等信息，采用一定的控制算法，由智能控制器根据采集到的信息与作物生长模型等比较，通过综合的运算，决策各执行机构的动作，由智能控制器自适应地驱动不同的各种设备，从而实现对植物生长环境智能控制的目的。
3 系统的架构
本文所提出的智能温室远程控制系统应用现有的通信网络，大大降低了远程网络的建设成本，降低了系统建设成本，又保证了数据的可靠性。具体而言，该智能温室远程控制系统的基本架构包括传感器信息监测模块、温室设备控制模块、数据记录模块及植物生长专家数据模块、远程传输监控模块。
3.1传感器的信息监测模块：作物生长所需要的各种信息，如温度、湿度、光照、CO2、施肥的营养液成分、生长状态等和生长环境设备运行状态的技术数据，通过不同类型的传感器采集，并将它们转换为数字信号，以数字或图示的形式实时显示在屏幕上，使用者便于观察和进行反馈控制调节。
3.2温室设备控制模块：可以通过该模块控制各种环境调节设备，如电磁阀、灌溉泵、通风机、营养液泵等等。根据设定的控制方式，可以采用手动控制（直接从屏幕上点击要控制的设备）、自动控制两种模式。而且不同的设备还可以单独设定采用不同的控制策略。
3.3报警功能模块：系统包含一套很优越的报警系统，允许使用者设定不同类型的报警条件。基本报警功能包括：过高或者过低的绝对值报警（如温度、EC值）；过高或者过低的漂浮值形式报警（如加温设定）；有条件的连接式报警（如温室内外温度比较）；有差异值设定形式报警（如控制设备）；太高或者太低傳感器读数形式，坏掉报警（指传感器数据超出了其测量范围）。所有的报警功能可以设定他们的优先级别，并且当有警报时可以设定相关的设备自动失效一段时间，使整个系统具有一定的安全性。
3.4数据记录模块：该模块可以完成从控制器中下载已经存储的各种数据，既有传感器数据，也有各种控制设备的状态数据，并且可以通过图形的方式将其表现在屏幕上，有利于使用者观察、分析数据。同时可以将数据保存成通用的文本格式，使用其他软件来分析数据。
3.5事件记录模块：它可以保存设备操作的记录，或者其他的任何事件的记录，这些记录可以提供使用者了解对该设备的操作次数和状态；从而对设备的保养和维修进行正确地判断。例如：可以判断马达皮带磨损和电风扇马达的损坏，可计算能源的消耗量等。
3.6植物生长专家数据模块：根据不同生长环境对植物影响机理，建立了植物与环境影响的数据库，根据不同生长环境对植物影响机理，建立基于层次型的“生长周期-环境参数-控制方式-作物影响” 植物生长环境适应性的专家知识库，为温室环境的控制提供了依据。不同作物在植物生长周期不同阶段所需的光照、温度、水分、营养等环境参数都不一样，通过光照、温湿度、浇水、施肥、通风等进行控制，最终实现对作物生长提供最优的生长环境。
3.7远程传输监控模块：根据远程环境监管要求，建立了基于物联网的数据传输与环境监控系统，可实现多个温室的联网监控和数据共享，解决了连栋温室室内环境远程控制系统的扩展性问题，提高了系统的应用性和推广性。
参考文献：
[1]于海业，马成，王振华，等.远程控制技术在温室环境控制中的应用现状分析[J].农业机械学报，2013，3（06）：160-163.
[2]张荣标，谷国栋，冯友兵，等.基于 IEEE802.15.4的温室无线监控系统的通信实现[J].农业机械学报，2015，39（08）：119-124.
（作者单位：宁波大龙农业科技有限公司）
【关键词】智能；温室；远程监控系统；设计研究
前言：农作物的生长一方面取决于农作物本身的遗传特性，另一方面取决于外界环境因素。只有在具有良好遗传特性的前提下，同时具备适宜农作物生长的外界环境因素，农作物才能健康生长。同时，随着农业产业规模的不断扩大和大棚技术的不断普及，温室大棚数量不断增多。许多温室大棚的业主希望能随时了解温室的现场数据，为决策工作提供技术支持，但目前温室管理信息化、智能化程度低，大部分管理工作仍需人工完成，随着人工成本的增加和现代农业的发展趋势，提高温室的自动化程度和普及率，实现农作物的优质、高效和高产的要求越来越迫切，温室智能监控系统的研究逐渐成为热点。传统的温室智能监控系统要求操作者必须亲临现场，实现温度湿度和通风系统等的控测。这种方法不但增加了劳动力成本和工作强度，还不利于温室的实时管理。随着设施农业和网络技术的不断发展，远程监控系统的应用也日益广泛，实现规模化集中化管理、智能化精准化监控是我国温室发展的方向。同时，物联网技术在农业中也被不断广泛应用，基于物联网的远程智能监控系统在温室管理中的应用，能够实现温室的远程化和智能化管理，在提高作物的产量和品质、降低人工生产成本等方面具有重要作用。
1 智能温室远程监控系统的基本要求
一般情况下智能温室远程监控系统需要满足以下几个要求：一是具备较好的可扩展性，即根据实际的生产需求实现不同类型设备的远程控制；二是响应速度快。系统要具备较强的时间控制精度，以迅速的完成各种数据采集及设备的控制，以保证远程控制的实时性与实效性；三是稳定性。智能温室远程监控系统的工作环境相对恶劣，只有保证系统运行的稳定性，才能进一步保证数据采集的准确性、可靠性；四是较强的功能性及较低的投入成本。农业生产效益相对其他产业而言相对较低，如果智能监控系统成本过高，会直接增加农业生产的成本，而影响其经济效益，因此系统设计要充分考虑系统的建设成本。此外，系统还要具备温室数据采集、数据存储、数据分析、设备控制、数据提取等多项功能，才能更好的满足智能农业的生产需求。
2 系统软件设计
控制系统涉及植物生理、环境和自动控制技术等领域，包括加热系统、通风系统、帘幕系统、湿帘系统、营养液循环灌溉系统、施肥系统和光控制系统等，诸多因子组成的复杂系统通过计算机采集每一时刻的环境因子信息，自动进行数据在线处理分析，温室控制已从单因子控制发展成多因子协调控制和网络化的多温区群控。随着设施农业的发展，工厂化、集约化程度的不断提高，对设施农业环境工程调控技术与设施的要求也越来越高。
温室环境控制是在充分利用自然资源的基础上，通过改变植物生长的环境因子（温度、湿度、光照、CO2和施肥等）来获得作物最适宜的生长发育环境。温室控制软件系统是一个控制对象复杂，子系统繁多，多因子联合控制的大型复杂系统，系统主要的组成部分可以分解为：信息管理系统、模型管理系统、知识管理系统，这些系统都连接到智能控制器，这些系统之间可相互联系，这些系统又与数据库、植物生长模型和知识库连接，智能控制系统通过传感器采集温室内环境和温室内植物生长发育状况等信息，采用一定的控制算法，由智能控制器根据采集到的信息与作物生长模型等比较，通过综合的运算，决策各执行机构的动作，由智能控制器自适应地驱动不同的各种设备，从而实现对植物生长环境智能控制的目的。
3 系统的架构
本文所提出的智能温室远程控制系统应用现有的通信网络，大大降低了远程网络的建设成本，降低了系统建设成本，又保证了数据的可靠性。具体而言，该智能温室远程控制系统的基本架构包括传感器信息监测模块、温室设备控制模块、数据记录模块及植物生长专家数据模块、远程传输监控模块。
3.1传感器的信息监测模块：作物生长所需要的各种信息，如温度、湿度、光照、CO2、施肥的营养液成分、生长状态等和生长环境设备运行状态的技术数据，通过不同类型的传感器采集，并将它们转换为数字信号，以数字或图示的形式实时显示在屏幕上，使用者便于观察和进行反馈控制调节。
3.2温室设备控制模块：可以通过该模块控制各种环境调节设备，如电磁阀、灌溉泵、通风机、营养液泵等等。根据设定的控制方式，可以采用手动控制（直接从屏幕上点击要控制的设备）、自动控制两种模式。而且不同的设备还可以单独设定采用不同的控制策略。
3.3报警功能模块：系统包含一套很优越的报警系统，允许使用者设定不同类型的报警条件。基本报警功能包括：过高或者过低的绝对值报警（如温度、EC值）；过高或者过低的漂浮值形式报警（如加温设定）；有条件的连接式报警（如温室内外温度比较）；有差异值设定形式报警（如控制设备）；太高或者太低傳感器读数形式，坏掉报警（指传感器数据超出了其测量范围）。所有的报警功能可以设定他们的优先级别，并且当有警报时可以设定相关的设备自动失效一段时间，使整个系统具有一定的安全性。
3.4数据记录模块：该模块可以完成从控制器中下载已经存储的各种数据，既有传感器数据，也有各种控制设备的状态数据，并且可以通过图形的方式将其表现在屏幕上，有利于使用者观察、分析数据。同时可以将数据保存成通用的文本格式，使用其他软件来分析数据。
3.5事件记录模块：它可以保存设备操作的记录，或者其他的任何事件的记录，这些记录可以提供使用者了解对该设备的操作次数和状态；从而对设备的保养和维修进行正确地判断。例如：可以判断马达皮带磨损和电风扇马达的损坏，可计算能源的消耗量等。
3.6植物生长专家数据模块：根据不同生长环境对植物影响机理，建立了植物与环境影响的数据库，根据不同生长环境对植物影响机理，建立基于层次型的“生长周期-环境参数-控制方式-作物影响” 植物生长环境适应性的专家知识库，为温室环境的控制提供了依据。不同作物在植物生长周期不同阶段所需的光照、温度、水分、营养等环境参数都不一样，通过光照、温湿度、浇水、施肥、通风等进行控制，最终实现对作物生长提供最优的生长环境。
3.7远程传输监控模块：根据远程环境监管要求，建立了基于物联网的数据传输与环境监控系统，可实现多个温室的联网监控和数据共享，解决了连栋温室室内环境远程控制系统的扩展性问题，提高了系统的应用性和推广性。
参考文献：
[1]于海业，马成，王振华，等.远程控制技术在温室环境控制中的应用现状分析[J].农业机械学报，2013，3（06）：160-163.
[2]张荣标，谷国栋，冯友兵，等.基于 IEEE802.15.4的温室无线监控系统的通信实现[J].农业机械学报，2015，39（08）：119-124.
（作者单位：宁波大龙农业科技有限公司）