基于物联网技术的温室微气候监控系统设计

孙瑞娟党晓圆杨佳义

(1.山西农业大学，山西 晋中 030800；2.重庆移通学院，重庆 401520)

引言

物联网的兴起与发展只有短短30a，但是“物物相连”的概念与关键技术的应用却已遍布各行各业。随着信息农业、精准农业、智慧农业的不断升级，物联网在农业中的应用也逐渐升温。在最近的2021(天津)中国工程农业传感器国际高峰论坛上，罗锡文院士、赵春江院士、李德毅院士等国内外知名学者就AI技术、无人机技术、物联网技术、大数据与云计算等先端科技在农业上的研究与应用发表了高水平报告，再次突出“物物相连”的物联网技术在农业发展中的重要作用。

物联网关键技术在大田农业中的作用主要表现在对土壤环境、肥料情况和作物长势的监控中，通过相应的传感器和图像成型技术传回大田及其作物的各项参数，在后台服务器中进行观测，极大地方便了观测者和研究者。但是，温室是不同于大田生产的一种人工干预较多的农业作业模式，其内部的土壤环境、微气候、作物长势等都可以人为改变或干预，从而影响最终的作物产出结果。特别是植物工厂概念提出并实施以后，温室已经成为植物工厂的最佳厂房，其微气候的变化更是直接关联产出效率和效益。

本文对温室中微气候(主要为光照强度、温度、湿度、CO2浓度)的相关参数进行研究，结合山西的地理特色进行分析，并提出相应的物联网监控系统设计方案。

1 温室微气候概述

温室诞生较为久远，纵观其发展可以分成2个大阶段。第1个阶段是从温室产生到20世纪70年代，欧洲国家拥有世界上绝大多数的温室，荷兰的玻璃温室面积更是超过100万m2；第2阶段为20世纪70年代至今，温室面积急剧增加，尤其是我国温室已占世界温室面积的50%以上，成为了世界上最大温室蔬菜产地。

温室的微气候随着温室种类、材料的发展变化也非常大。微气候中的光照强度受温室材料的透光性、季节性日照时长和强度的影响较大，人为可控性较小。温室内温度受季节和光照强度影响较大，但是可以人为覆盖保温层、增加供热来调节。微气候中的湿度随着光照强度、室内温度、植物呼吸作用、土壤含水量的变化而复杂变化。植物的气肥CO2则可以人为增加或减少。此外，还有温室中的通风量，其风速、风力变化虽然微弱，但也属于微气候的一个参数。可见，温室微气候研究涉及学科多、机理复杂，各个参数间既有耦合情况又有独立变化的可能，建立数学模型较难。

为了更好地调控温室微气候，使之实现经济利益最大化，学者们引入工程技术——物联网，进行参数的感知和观测，最大限度地将复杂问题简单化。

2 监控系统的总体设计思路

由于常规化布控温湿度和二氧化碳传感器所需节点较多，网关设置较为复杂，对温室的供电能力有一定的要求，因此本设计受张庆雷的可移动式温室监测系统启发，将温湿度、CO2浓度传感器集成在一个履带巡检机器人上，其探测端可以自由伸缩。在温室中布控少量网关，通过LoRa通信技术传输感应数据，最后传送至后台服务器。温室内的路径较为简单，巡检机器人可以根据辅助节点法规划行走路线，机身装有专用高清摄像头完成植物图像的记录，通过嵌入式系统传到后台服务器。至此，完成巡检任务。具体设计框架如图1所示。

图1 监控系统总体设计框图

巡检结束后，后台服务器通过大数据分析技术完成微气候中各项参数的分析，再输出给自动控制装置，从而实现温室微气候的自动化调节过程。设计方案如图2所示。

图2 温室自动控制系统

3 集成传感器设计

3.1 温湿度传感器的选择

对于不同的温室作物可以选择精度不同的温湿度传感器。温湿度传感器最好支持热拔插更换，方便检修和维护，也便于不同的温室采用。高端的温湿度传感器可以选择IRTT201S-46红外温度变送器(仅限于测温)，其工作温度为60℃，工作电流4～20mA，可以直接接在220V交流电源上。主要优点在于红外非接触式测温，毫秒级响应和连续测温的性能。

较为大众化的温湿度传感器为DHT11，市场价格偏低，响应速度为秒级，直流供电，测量精度为±5%，误差范围较大。对于温湿度要求不高的温室，DHT11仍为主流选择。

较新的温湿度传感器还有HTU21D，接在直流电源上使用，温度测量范围较广，特别是可以测量-40℃及以上的环境温度，适合寒冷地区的温室使用。其湿度测量范围在0～100%RH，完全可以满足设计要求。具体接线方式如图3所示。

图3 HTU21D接入电源示意图

3.2 光照度传感器的选择

光照度，亦称照度，单位符号为“Lux”(勒克斯，简称勒)。检测光照度的传感器是将照度转换成电信号的器件。市场上常见的光照度传感器为JXCT-3001-GZD，其精准度为±5%(25℃)，工作环境为0～10V/20mA，有基础版的RS485通讯模式，还有本设计采用的LoRa通讯模式，无线传输信号，搭载机器人身上使用较为方便。但是其响应时长在微风或无风环境中小于15s，不能立即得出测量值，这就要求巡检机器人行进速度较为缓慢，在辅助节点发出暂停命令后，进行光照度的测量与数据传输。

表1 光照度传感器的基本通信参数

表2 数据帧的定义

3.3 CO2浓度传感器的选择

CO2是光合作用暗反应阶段中酶促反应的主要原料，在该阶段CO2被还原为糖，因而其浓度可以决定农作物的长势、抗逆性、产量等。但对于温室中的工作人员来说，CO2含量的高低会关系到健康，这是较为矛盾的问题。如果在日常维护中使用本设计的微气候监控系统，由机器人代为工作，可以有效缓解此矛盾。

市场上的CO2传感器分为红外CO2传感器、催化CO2传感器和热传导CO2传感器，其工作机理有所不同。本设计从通讯模式统一化的角度出发，选择龙腾伟业生产的LoRa通讯的CO2传感器。其测量方法为NDIR双通道测量，测量范围0～5000PPM，精度在±5%范围内，分辨率为1PPM，可以满足测量需求。且供电方式为直流12～24V，采集频率可设定，最低为1次·min-1。

4 图像采集系统的设计

图像采集系统也可以安装在巡检机器人上，外观上可以作为其“眼睛”。主要由高清摄像机和嵌入式系统组成，并配有大容量存储器，可将作物长势拍摄为图片自动存储，以备后期研究使用。同时具备远距离图像传输供能，可供工作人员在后台实时观看。

目前数码相机的核心器件主流为CCD(Charge Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)，二者图像传感器光电转换原理相同，信号的读出过程不同。CCD的信号输出一致性非常好；CMOS的信号输出一致性较差。但是CMOS的每个像元中放大器的带宽较低，从而降低了芯片的功耗。而CMOS的放大器不一致性引发的固定噪声，使其比CDD又略显不足。

本设计为了满足采样速度和清晰度，采用带有CMOS传感器的数码相机进行图像采集。具体为锐尔威视的RER-USBFHD08S，其有130万像素和1920×1080的分辨率，支持高速拍摄，帧速可达260fps，支持多种操作系统，亦可进行二次开发。安装在巡检机器人顶部的可伸缩、二自由度的支撑架上。采集到的图像信息可暂存在高速存储卡上，也可以通过无线传输技术传回后台服务器。摄像头实物如图4所示。

后台先将图片进行降噪处理，以降低环境带来的随机噪声；再使用云点数据算法等区分杂草、病虫害、农作物以及农作物的成熟度。

图4 锐尔威视摄像头实物

5 系统的网关设计

本设计中的网关层包含2个主要部分，嵌入式系统，由单片机、STM32、LoRa通讯模块和485集线器构成，STM32为核心器件。该部分主要负责传感器模块和远程后台服务器之间的数据交流，以及自动装置的控制；巡检机器人的定位导航，作为辅助节点布在温室中。2部分网关硬件技术都较为成熟，而无线传输方式是本设计的特色所在。

本设计中采用LoRa无线传输技术。其基于扩频技术进行远距离的数据传送，本质是LPWAN通信技术中的一种。由于其传送数据距离远、功耗低、容量大、传输速度快、可以向前纠错等优点而备受物联网设计者的喜爱。LoRa主要工作频率在ISM频段，包括433MHz、868MHz、915MHz等。LoRa网络由终端设备(上述传感器中均置有LoRa模块)、网关、Server和云服务组成，其数据可实现双向传输，因而既可以作为采集网关，也可以作为命令网关，真正一机实现监视与控制2大功能。

值得注意的是，在LoRa通讯网络中，服务器是数据接收与处理的核心。因为每个节点与专用网关不实行一对一关联，一个节点传输的数据通常由多个网关收到。网关将收到的所有数据包转发到基于云计算的网络服务器上，也会造成数据的大量冗余。

图5 控制网关

6 控制系统的设计

该部分主要由网关发出命令信号，各个自动装置在接收到信号后进行工作。由于LoRa通讯传输速率较高、精准度高，自动装置完全可以在无人干预的情况下各司其职。

增湿装置分为自动控制回路和远程人工控制回路。当巡检机器人搭载的湿度传感器预警湿度过低时，通过网关和副武器的数据处理，下达自动喷雾命令，K1闭合，电机工作，泵水喷雾。也可以由后台工作人员下达命令，向温室中喷雾，此时K11闭合，实现了远程浇灌。诸如此类的还有CO2发生器、补光灯、遮光帘和通风机等装置。所有自动控制装置均需安装LoRa通讯模块和微处理器进行命令的接受与执行。

图6 自动增湿装置电控回路

7 结论

本设计以物联网技术为主干，以LoRa通讯技术为枝干，探讨了温室中微气候的构成因素，主要为温湿度、光照度、二氧化碳浓度。在此基础上增加了对温室作物的观测，将其作为微气候的影响与判别依据进行研究，分别设计选用了不同的传感模块作为数据采集的感知层，实现农业生产中“物物相连”的智慧化管理。温室微气候的监控工作，对促进智慧农业的发展，提升温室产出效益都有着十分重要的意义。