室内无土栽培农作物生长环境智能监测系统

2021-07-02马冰冰雷印胜

山东农机化 2021年3期

孙兴马冰冰雷印胜

一、前言

不忘初心，砥砺前行。我国作为一个人口超过14 亿的世界人口第一大国，有着广袤的国土资源，有超过18 亿亩的可耕种农田，按照第七次人口普查资料，大陆31 个省、自治区、直辖市和现役军人中，居住在乡村的人口为50979 万人，占总人口的36.11%，农民生活水平的提高，对提升全国人民的幸福指数具有重要的战略意义。然而随着我国人口数量的不断增加和城市建设的扩张，对可耕种农田的数量要求将带来很大的压力，为有效解决这一矛盾，就需要用新的技术和方法来解决这一矛盾。第一种措施就是利用新的种植技术增加单位亩产量，另一种就是增加种植面积。因此室内无土栽培农作物就是一种有效的途径，它等同于增加了有效种植面积，并且已经在国外不同的国家取得了成功的经验。室内无土栽培农作物是一个复杂的系统工程，不仅需要创造适合农作物生长的环境，还涉及农作物生长的养分配比等构成。本文重点介绍室内无土栽培农作物生长环境智能监测技术系统的实现。

二、室内无土栽培农作物生长环境智能监测技术的现状分析

自从1946 年2 月在美国的宾夕法尼亚大学第一台正式投入运行的电子计算机问世以来，经过近75 年的发展，使数字信息技术得到了快速发展，不仅实现有线和无线的万物互联，而且人工智能和云计算技术促进了各种智能农业机械研制和生产，使用各种APP 应用程序便于操作人员可以通过移动智能终端设备实现近距离和远程操控，大大提高了劳动生产效率，现代智慧农业已经在逐步实现，为实现我国的农业农村现代化奠定了坚实的基础。

在世界经济全球化、现代信息技术互通共融的时代背景下，世界正经历百年未有之大变局，农业生产技术正在从传统的种植模式进入现代智慧农业时代，各种无人操控的智能农业机械设备正在逐步开发生产和使用，北斗卫星的成功组网为智慧农业插上了腾飞的翅膀，真正的农业农村现代化正在实现的路上。例如，通过人工智能技术可以实现无人看守农场、无土栽培种植、无人机播种和收割、无人驾驶飞机实施喷洒农药、无人驾驶飞机施肥和自动灌溉等等，不仅降低了传统种植模式的劳动强度，而且提高了劳动生产率，能释放更多的劳动力从事其它更有价值的工作，从而大幅提高了人们的生活质量和幸福指数。

自然界的农作物生长需要室外有适合的环境温度、充足的日照光合作用、进行授粉所需的自然风速、土壤环境湿度、土壤养分等等。室内无土栽培农作物生长环境虽然是在一个相对密闭的空间内，同样需要一个适合农作物生长的环境，因此就需要通过人为创造一个模拟生态环境，通过调控各种环境参数才能满足农作物的茁壮成长。室内无土栽培农作物生长环境智能监测技术系统就是利用现代信息技术，通过对室内环境温度、风速、环境湿度、日照光线和环境光强度、养分检测等的各种环境参数进行自动测量，并通过云计算的大数据进行智能控制，创造一个适合农作物生长的环境。

世界上许多农业技术发达的国家都十分重视无土栽培设施工程与环境调控技术的研究。例如国外的以色列、日本、荷兰、丹麦等国家的蔬菜无土栽培已经进入工厂化生产的高级阶段。由于以色列的无土栽培技术处于世界先进水平，成就了一大批该领域的尖端人才，为我国的农业农村现代化生产做出了表率。目前国内多家蔬菜生产基地都引进了以色列的无土栽培技术，但是由于该系统的初装成本造价偏高，难于得到大面积的推广，因此尽快研制出具有自有知识产权的室内无土栽培农作物生长环境智能监测技术系统成为必然，它将成为实现智慧农业时代到来的必经之路。

三、室内无土栽培农作物生长环境智能监测系统的实现

下面以作者研制开发的室内无土栽培农作物生长环境智能监控系统为例，简单介绍室内无土栽培农作物生长环境智能监测系统的组成，该系统整体设计结构见图1 所示。该系统具有近端和远程监控能力的无线通信功能，能访问和处理云端大数据、实现自动测量室内环境温度、风速、环境湿度、日照光光线和环境光强度、养分检测等参数，并通过利用“蓝牙”无线通信技术实现近距离多站点的数据采集。

图1 系统整体设计结构框图

（一）智能控制中心，简称中央处理器，采用16位的单片机，选用STM32F103C8T6。它是智能设备的控制中心，类同于人的大脑，具有逻辑处理和算术运算功能，还有少量的记忆和存储能力，负责最终决策的形成，负责系统的指令输出和输入，能进行少量的指令和数据存储，进行各种复杂算法和数据处理，指挥完成近端和远程通信。在中央处理器控制指挥下，各个功能模块完成各自的数据采集和控制任务。如果该部件出现故障，整个系统就会瘫痪。

（二）显示模块。是在中央处理器的控制下完成人机交互的部分，既能显示系统检测到的各种参数，也能显示输入的各种操作命令。通俗讲就是完成人和计算机之间的对话。为降低成本和减少空间位置，一般采用液晶显示。如果该部件出现故障，不会影响整个系统的其它功能操作。

（三）键盘输入模块。是在中央处理器的控制下完成控制命令或其它参数的输入，和我们日常使用的手机输入功能类同。如果该部件出现故障，不会影响整个系统的其它功能操作。

（四）环境温度实时监测模块。相当于人的皮肤，能感知冷暖。环境温度传感器在中央处理器的控制下，将采集到的数据以电平的形式传送给中央处理器，中央处理器依据实时测量温度对控制设备发出指令，完成对环境温度的调制。它是单方向操作，只能完成把检测到的温度数据信号传送给中央处理器，不能输出调控温度。如果该部件出现故障，同样不会影响整个系统的其它功能。

（五）环境光实时监测模块。相当于人的眼睛，能感受到周边环境的光线强弱。环境光传感器在中央处理器的控制下将采集到的信号传给中央处理器，中央处理器进行模数转换并处理，并依据实时测量环境光对控制设备发出指令，完成对环境光的调制。如果该部件出现故障，和前面一样不会影响整个系统的其它部分功能。

（六）测量风速处理模块。在中央处理器的控制下测量室内的风速，主要功能是完成调节风速大小的变化。通过测量风速的变化，预测对农作物生长的影响。如果室内风速过大，会影响农作物的授粉，也需要采取相应的措施，避免造成授粉不足造成减产。如果该功能部件出现故障，也不会影响整个系统的其它部分功能操作。

（七）环境湿度测量模块。农作物的生长和环境湿度有密切的联系，如果湿度过大，需要调节空气湿度，利于农作物的生长。在中央处理器的控制下环境湿度传感器将采集到的模拟信号传给中央处理器，中央处理器进行模数转换并处理，中央处理器依据实时测量环境湿度对控制设备发出指令，完成对环境湿度的调制。如果该部件出现功能障碍，对整个系统的其它部分操作没有影响。

（八）养分检测模块。该部分是系统的重要核心部分，需要分析养分(养分的酸碱度、氮、磷、钾)的变化，对农作物的茁壮生长产生关键作用。在中央处理器的控制下养分传感器将采集到的信号传给中央处理器，中央处理器将采集到的信息通过远程通信将数据传送到云端，经过云端的大数据分析，依据农作物不同生长时期对养分的需要分析当前的土壤养分是否满足要求，再把处理结果反馈回来。系统依据计算结果分别施加不同的养分。如果该部件工作不正常，同样不会影响整个系统的其它功能操作。

（九）控制系统模块。在中央处理器的控制下，完成对各个控制执行系统的操作。例如启动空调通风系统、喷水和施肥等等。

（十）系统故障自动报警系统。智能控制设备系统自动检测报警功能，一旦系统出现报警信号，一定要找出故障源，并消除故障，否则会产生不可预计的结果。如果该部件出现故障，将会影响整个系统的其它功能操作，一定要严肃对待和妥善处理。

（十一）局域通信技术。为降低布线和施工难度，对近距离的多个站点数据采集使用蓝牙无线通信技术。