连栋温室番茄生长环境监测系统设计与试验

周建军+赵国新+王秀+刘建东

摘要：开发了连栋温室番茄生长环境物联网监测系统，可无线远程监测连栋温室番茄生长微环境数据。根据实际需求，在特菜大观园西区连栋温室内，布置了9个无线监测点，每个监测点可定时采集番茄3个高度（冠层、中部、根部）的空气温湿度、2个高度（冠层、中部）的光照强度、冠层光合有效辐射、CO2浓度等信息。该物联网监测系统连续采集了连栋温室番茄生长环境因子数据2万余条，数据分析表明夏天连栋温室内中午番茄冠层温度比番茄根部温度高2～5 ℃，温室内各个位置CO2浓度差异较小，各位置的光照度变化趋势相似。

关键词：番茄；环境监测；连栋温室；光照度；物联网

中图分类号： TP274文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）17-0222-04

收稿日期：2017-03-08

基金项目：国家“863计划”（编号：2012AA10A503）；北京石油化工学院国家级大学生科学研究与创业行动计划；北京市自然科学基金（编号：6142011）。

作者简介：周建军（1977—），男，河北怀安人，博士，副教授，主要从事农业智能装备研究。E-mail：zhoujianjun@bipt.edu.cn。

通信作者：刘建东，硕士，教授，主要从事无线传感器网络和网络安全研究。E-mail：liujiandong@bipt.edu.cn。番茄是我国乃至世界最重要的园艺产品之一，如何科学、合理、准确地调节设施内环境因素，促进果实生长、提高单果质量，进而增加产量具有重要意义[1-2]。温室环境监测控制系统是实现现代温室生产自动化、高效化最为关键的环节。无线监测系统架构灵活，可远程访问数据，无需布线[3-6]，因此选择无线网络进行温室环境监测。郭文川等利用WSN 设计了一款具有功耗低、组网灵活、可扩展性强等优点的温室环境信息监测系统，能较好地满足温室环境监测需求[7]。马海龙等采用ZigBee无线传输技术开发了一套智能日光温室监控系统，可以对空气温湿度、土壤含水率、CO2浓度以及光照度进行检测，并通过控制模块实现环境参数的合力调控[8]。温室作物微环境存在一定差异，温室微环境研究对作物生长和立体种植都有重要的意义[9]。本研究利用ZigBee无线传感器网络技术，开发了连栋温室番茄生长环境监测系统，监测现代化温室番茄生长微环境信息，分析温室番茄生长环境数据，研究连栋温室条件下不同高度番茄冠层温湿度、光照度和CO2浓度等的差异，旨在为温室环境调控和立体种植提供数据支持。

1系统设计

连栋温室蔬菜生产物联网监测系统由温室蔬菜生长物联网监测网站、温室蔬菜生长无线监测系统、中心节点、无线数据采集节点和传感器组成。温室蔬菜生长无线监测系统部署在计算机上，通过RS232串口连接中心节点，无线采集节点采用ZigBee无线网络连接中心节点。中心节点是地址为0的ZigBee无线节点，可以发送数据、采集指令并接收各个无线采集节点发送的数据。无线采集节点可以采集监测点番茄3个高度的温湿度、2个高度的光照度、CO2浓度、光合有效辐射等环境数据。通过ZigBee无线网络发送无线采集节点采集的数据信息到温室蔬菜生长无线监测系统。监测系统总体框架如图1所示。

1.1温室蔬菜生长无线监测系统软件

温室蔬菜生长无线监测系统软件（简称主机系统）可以采集、显示各个无线采集节点采集的环境数据，并能定时存储、查询和导出监测数据，系统主界面如图2所示。主机系统采集的数据存入本地SQL Server 数据库和远程服务器数据库。远程服务器数据库可以为温室蔬菜生长物联网监测网站提供数据。

1.1.1主机系统数据流程主机系统软件采用轮询的方式采集各个无线采集节点的数据。主机系统主动查询各个节点，各个节点接到数据指令后上报数据的方式比采用各个采集节点主动上报数据的方式系统可靠性高，可避免数据丢失。主机系统数据流程为：数据查询命令→中心主站 →中繼路由→无线采集节点→IO 数据返回→中继路由→中心主站→主机系统。主机系统主动轮询各个无线采集节点的数据流程如图3所示。主机系统查询1个节点，并启动超时定时器，如果设定时间内指定节点没有响应，则查询下一个节点。

1.1.2数据协议解析主机系统安装在连栋温室监控室内，通过串口连接中心节点。中心节点接收到数据触发主机系统串口处理函数，串口处理函数根据数据协议可解析各个无线采集节点发送的数据。数据采用十六进制格式传输，可减小使用文本传输的数据包长度。数据查询的协议格式为：0x10+0x07+4位十六进制节点地址+0xFF。主机系统定时采集各个无线节点数据，如该系统1 min采集1次各个节点的数据，各个节点收到数据采集指令后以十六进制形式上报数据，这样可避免数据采集节点主动上报数据，造成主机系统串口的堵塞和数据通讯的混乱，进而提高系统的稳定性，并且可以减小数据解析难度。

温室监控中心主机通过串口连接ZigBee无线网络中心节点SZ02。各个节点收到数据查询指令后将数据发送至中心节点SZ02。因此番茄生长监测主机系统软件中串口可以定时发送数据上传指令并接收各个无线生产节点发送的环境数据。温室环境数据采用十六进制传输，1条完整的语句包括数据头、数据长度、环境数据。

1.2温室番茄生产物联网监测网站

温室番茄生产物联网监测网站如图4所示，网站可以通过节点编号查询历史监测数据，也可以查询某个时间段内的各个监测节点历史监测数据。网站使用Java和JSP开发完成，网站发布后可供用户查询温室监测数据。网站查询结果数据可以Excel文件格式导出，以供用户分析使用。

1.3无线数据采集节点

无线数据采集节点主要由ZigBee无线采集模块、CO2传感器、空气温湿度一体传感器、光照度传感器和光合有效辐射传感器组成。ZigBee无线采集模块可以采集12路4～20 mA的电流信号。每个无线采集模块都包括1个8位地址，用来标志该采集节点。该系统中温室无线数据采集节点采集了7个传感器数据，包括3个温湿度传感器、2个光照传感器、1个CO2传感器和1个光合有效辐射传感器，并把采集数据通过ZigBee无线链路发送出去。其中CO2传感器选用TGP-CO2型传感器，该传感器内置NDIR 红外CO2 传感器，带RS485输出，可以输出4～20 mA 的CO2浓度、空气温湿度模拟信号。ZigBee无线采集模块支持数据主动上报和查询方式上报数据。该系统中主动上报时间设置为0，采用查询方式上报数据。由于1次上报的数据包较长，故采用十六进制形式上报数据。endprint

天线无线传输距离标称2 km，试验测定无线传输在温室环境下400 m距离内可以可靠传输。无线采集节点接收到数据发送指令，将采集到的数据发送到中心节点。数据格式如下：帧头+总字节数+终端地址+端口号+功能编号+有效数据。

2监测点布置

在特菜大观园西区连栋温室内布置了9个无线监测点，监测点分布如图5所示。每个监测点可以定时采集番茄3个高度（冠层、中部、根部）的温湿度、2个高度（冠层、中部）的光照度、冠层光合有效辐射、CO2浓度（布置于番茄生长中部）等信息。传感器和支架固定于番茄种植行内，避免影响行间作业车作业。传感器固定于由水平支架和竖直支架组成的支架上，其中水平支架通过螺栓固定于竖直支架上，水平支架的高度可自由调整，以便将传感器固定于需要的高度。监测点安装如图6所示。从2016年5月6日起一直连续采集数据，每20 min保存1次数据，数据保存在SQL Server数据库中。保存的数据可导出生成Excel文件，以方便用户进行数据分析处理。试验中温室外架设气象站，主机系统软件可以采集气象数据，数据包括空气温湿度、太阳辐射、风速、风向和降水量，气象数据1 h保存1次。

3采集数据分析

试验地点位于北京市昌平区特菜大观园西区连栋温室，温室长55 m、宽50 m （南北向）、高6.7 m，采用荷兰Priva公司生产的环境调控设备进行温室环境调控。温室北墙装有湿帘，温室南墙装有多个风扇进行换风。2016年4月开始，共采集了2万余条数据。

3.1冠层温度和根部温度

从图7可以看出，10：00—14：30 冠层温度比番茄根部温度高3～5 ℃，其他时间温度差异在2 ℃左右。

3.2空气温度和空气湿度

2016年5月10日系统采集了第6号节点不同高度的空气温度和空气湿度。从图8可以看出，番茄根部的温度比冠层和中间部位的温度低，根部的湿度比冠层和中间部位的湿度大。这主要是因为番茄中间部位和根部番茄枝叶遮挡，造成温度比冠层稍低。

3.3CO2浓度

上午CO2浓度逐渐减小，这是由于太阳照射下，番茄光合作用增强，消耗温室内CO2，温室内CO2浓度减小，此时可以根据番茄长势适当进行CO2增施。夜间00：00左右由于番茄呼吸作用排放CO2，因而CO2浓度增加。

图10是9个监测点在一段时间内的CO2 浓度变化情况，各个节点的浓度变化趋势基本相同，各个位置同一时间CO2 浓度差异范围在80 μmol/mol以内。

3.4光合有效辐射和光照度

茄中间位置光照度稍低于冠层，光合有效辐射和光照度变化趋势相同，光照度和光合有效辐射在14：00左右达到最大值。

个节点分布于温室的不同位置，说明该连栋温室的采光性较均匀。图12中11：00左右光照度降低是由于此时云遮挡了太阳，光照降低。

4结论

本研究开发了连栋温室番茄生长物联网监测系统，可无线远程采集连栋温室番茄生长环境因子数据。在特菜大观园西区连栋温室内，布置了9个无线监测点，每个监测点可以定时采集番茄3个高度（冠层、中部、根部）温湿度、2个高度（冠层、中部）的光照度，冠层光合有效辐射、CO2浓度等信息。结果表明，夏天除冠层温度比番茄根部温度高2～5 ℃外，其余时间温度差异较小，温室内CO2浓度差异不大，光照度變化趋势相似。通过该系统在温室示范基地的试运行，表明该监测系统能实时可靠采集连栋温室的环境参数。

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