物联网技术视角下温室蔬菜智能灌溉控制系统分析*

杨 帆，李江龙，鲍义东，李云婷

（贵州航天智慧农业有限公司，贵州 贵阳 550000）

从实际情况来看，我国大部分地区温室蔬菜种植都是使用较为传统的灌溉技术，相关技术不仅会浪费大量的水，而且还会增加地病、虫害的发生概率，不利于提高蔬菜产量。基于此，笔者提出一种基于物联网技术的温室蔬菜智能灌溉控制系统，实现对蔬菜需求量的智能化控制滴灌设备实施滴灌，满足蔬菜生长需水要求的同时，提高温室生产智能化生产水平，降低温室蔬菜种植的人力需求，推动温室蔬菜生产实现信息化、现代化发展。

1 系统总体架构

基于物联网技术的温室蔬菜智能灌溉控制系统主要由环境信息采集系统、采集控制系统、远程控制中心、系统执行单元以及视频监控系统等5部分组成，具体结构如图1所示。

图1 温室蔬菜智能灌溉控制系统总体架构示意图

2 系统硬件架构及功能

2.1 环境信息采集系统

在系统中，环境信息采集系统的核心为环境数据采集器，此设备中集成了CC2530单片机、无线信号发送设备等诸多设备模块，可以满足设计中环境信息采集系统的实际使用需求。在实际设计过程中，环境信息采集系统主要功能是通过空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光照强度传感器、二氧化碳浓度传感器、土壤含水量传感器、EC传感器对温室环境进行数据采集[1]。

2.2 系统执行单元

系统执行单元主要由滴灌系统和电磁控制阀两部分组成。在实际应用过程中，系统执行单元会接收来自于采集控制系统或者远程控制中心的控制指令，在接收到控制指令后，系统执行单元将会根据控制指令中的参数要求自动控制电池控制阀进行启闭，以此来实现远程自动化滴灌效果[2]。

2.3 采集控制系统

采集控制系统主要用于环境信息采集系统和系统执行单元的相应控制，在实际控制过程中可以根据需求执行自动化控制或者手动控制，其中自动化控制为本地系统自动控制，手动控制则是由操作人员通过远程控制中心进行远程手动控制。采集控制系统的核心设备是采集控制器，在设计过程中所选用的采集控制器具有8路模拟量输入、12路继电器输出、8路开关量输入效果，并且具有良好的扩展性能，实际应用过程中可以作为控制终端直接实现对传感器设备、继电器设备以及电磁阀的自动化控制和手动控制，可以满足采集控制系统对环境信息采集系统和系统执行单元的相关控制要求。

此外，设计中所选用的采集控制器还集成有2路RS485总线接口，支持20个轮灌组，在实际设计过程中会将RS485协议转换为网络协议，再通过网络交换机与无线网桥相连，再通过无线传输的方式将环境信息采集系统所采集的环境数据以及系统执行单元的执行参数传输给远程控制中心。采集控制系统作为以采集控制器为核心的多级控制系统网络，支持包括短信、GPRS网络、无线电台等多种远程数据转发控制功能，可以用作于系统网络中二级现场控制设备与远程控制中心达成数据交流；支持远程控制中心实现远程采集控制器控制参数修改[3]。

2.4 视频监控系统

视频监控系统主要用于远程监控蔬菜的生长状态，进而收集植物各生长阶段的视频信息，确保所设置的供水量可以满足植物各生长阶段实际需水要求的同时，也能够在一定程度上提高温室的安全水平。视频监控系统的核心设备为视频监控设备，该设备在系统中将会通过无线网桥与远程控制中心直接相连，进而将所采集到的视频信息直接传递给远程控制中心，由远程控制中心进行图像汇总、识别及处理[4]。

2.5 远程控制中心

远程控制中心主要由服务器、人机交互界面、视频服务器以及物联网监控软件等共同组成。其中物联网监控软件主要分为温室环境信息监测软件、视频监控软件等，这些软件均会部署在远程控制中心的服务器上，主要功能为对环境信息采集系统、视频监控系统所收集的数据参数进行综合分析，进而根据预设参数以及系统控制要求自动形成系统控制指令，为其他系统设备下达控制指令，达成控制效果[5]。当系统自动检测出某种参数超过预设值时，系统会自动对相关参数进行标注，同时根据预设控制流程控制执行设备对超过预设值的参数进行有效控制。

3 系统软件设计架构

3.1 环境信息采集系统

采集控制系统工作流程示意图如图2所示，设计中所选用的环境数据采集器具有数据采集控制、控制指令接收功能，所以在设计过程中将会基于环境数据采集器的实际特点，促使环境数据采集器在接入到系统组网中以后时刻处于监听状态，进而时刻接收来自采集控制系统的控制指令，环境数据采集器与采集控制系统相连以后，将会对所有传感器设备进行扫描，记录各传感器的地址码，在扫描完成后将所有传感器接入到控制网络中，使用网络协议，通过固定频率对所有传感器设备进行轮询，由此来接收各传感器的实际数据信息，并通过覆盖保存的方式来实现传感器设备新上传设备的暂存[6]。

图2 采集控制系统工作流程示意图

3.2 滴灌控制软件

滴灌控制软件在运行过程中将会接收采集控制系统所发出的滴灌控制指令，相关指令包括滴灌灌溉量、灌溉时间等诸多数据参数，在实际控制过程中，滴灌控制软件会在接收采集控制系统所发出的滴灌控制指令后，控制电池控制阀启动，进而自动进行滴灌作业。在滴灌过程中，滴灌控制软件会实时查询流量，检查实际滴灌量是否能够达到预设值，在达到预设值以后，滴灌控制软件将会自动控制电磁控制阀关闭，终止滴灌作业。滴灌控制软件具体工作流程如图3所示。

图3 滴灌控制软件工作流程示意图

3.3 采集控制系统

正如上文所述，采集控制系统主要功能是负责环境信息采集系统和系统执行单元的数据存储、管理、分析及控制。为能够达成上述功能要求，采集控制系统在运行过程中会先由系统执行单元发送控制执行，此过程中具体工作流程如图4所示。环境信息采集系统中的各传感器所采集的数据和系统执行单元的滴灌执行数据均会通过无线网桥和有线线路实现与采集控制器的数据交互，在此过程中，采集控制器的数据收发均会通过串口中断来实现。因为采集控制系统在收发环境信息采集系统和系统执行单元所传递信息时可能会出现数据碰撞情况。

图4 采集控制系统对系统执行单元控制流程示意图

对此，在设计过程中将会促使环境信息采集系统和系统执行单元中的某一系统单元在发出通信以后，该系统单元将不再实现数据交互，而是会进入到睡眠状态[7]。此后，采集控制器会通过轮询的方式来查询各系统单元的工作状态。其中环境信息采集系统的控制则是通过轮询的方式扫描记录各传感器设备的地质参数，并经由环境信息采集系统接收各传感器所采集的数据信息；系统执行单元控制则需对系统执行单元的地址参数信息进行扫描记录，用于后续系统执行单元的精准控制。

3.4 数据库

系统运行过程中每天都会采集大量的数据信息，相关数据均需要数据库进行存储和管理。本设计中的数据库将会采用MySQL数据库，具体记录的数据信息包括有空气温湿度数据、土壤温湿度数据、温室光照强度、二氧化碳浓度数据等环境参数以及具体数据记录时间等[11]。此外，数据库中还记录有滴灌相关数据信息，相关信息以数据表的形式存在，具体记录内容保护滴灌量、实际滴灌水量、滴灌开始时间、滴灌结束时间等。

4 系统测试

在系统测试前，系统开发团队与某农业资源与环境研究所达成密切合作，并在研究所的支持下，基本摸清了温室条件下各类常见蔬菜的各生长阶段的需水量规律，并以此来合理制订可以促使蔬菜增产增收、降低蔬菜生长水耗的高效土壤水分管理策略。以黄瓜为例，黄瓜幼苗期、结果初期、结果盛期以及结果后期的实际滴灌规律如下所示。

1）幼苗期：此阶段土壤湿度不宜过高，否则会引发黄瓜幼苗徒长情况。在实际滴灌控制过程中，可以将系统的滴灌控制阀值设置在土壤持水量的60%左右，系统在检测到此数值以后，自动控制电磁控制阀开启滴灌作业，每亩的滴灌量应控制在6 m3左右。

2）结果初期：随着植株的持续生长，植株对于水量的需求也在快速增加。为保障植株的快速生长，此时应调整系统滴灌控制阀值，将其设置为土壤持水量的80%左右，每亩的滴灌量则控制在9 m3左右。

3）结果盛期：在结果盛期阶段，黄瓜对于水量的需求达到最大值，为保证黄瓜结果质量，应将进一步调整系统滴灌控制阀值，将其设置为土壤持水量的90%，并且每亩滴灌量设置为12 m3左右。

4）结果后期：在结果后期阶段，相对于结果盛期阶段来说黄瓜生长的需水量有所下降，所以可以适当调低系统滴灌控制阀值和每亩滴灌量，综合分析研究所提供的数据后，将滴灌控制阀值设置为土壤持水量的80%，每亩滴灌量设置为9 m3左右。

在对比分析后发现相对于常规滴灌作业来说，系统可以节约15%～20%的水量，因而节水效果更为明显优秀，可以在当前温室蔬菜种植过程中进行普及应用。

5 结论

在完成系统设计以后，结合某农业资源与环境研究所提供的蔬菜生长数据，最终对蔬菜的具体控制参数进行设置，综合研究分析以后，获取到以下几点研究结果。

1）基于物联网技术的温室蔬菜智能灌溉控制系统可以实现自动化控制和远程手动控制两种控制模式，并且在实际控制过程中操控人员还可以根据本地区实际情况对预设参数修改，促使系统控制精度进一步提升。

2）在蔬菜的不同生长阶段中，其对于水量的需求也不尽相同，所以需要根据蔬菜的生长阶段进行合理系统参数设置。以黄瓜为例，其各阶段土壤持水量和每亩滴灌量应控制在以下参数值左右：在幼苗期60%和6 m3左右；结果初期80%和9 m3左右；结果盛期90%和12 m3左右；结果后期80%和9 m3左右；

3）相对于常规滴灌作业来说，系统可以节约15%～20%的水量，因而节水效果更为明显优秀，可以在当前温室蔬菜种植过程中进行普及应用。