农业大棚的智能化发展路径探索

邹玉婷，孙 波，许鑫豪，黄昌盛，古一弘，张 敏

（南京工程学院，江苏 南京 211167）

现阶段我国社会发展迅速，现代化水平日益提高，但农业发展水平仍处在传统农业阶段。我国利用温室大棚的起步时间较发达国家晚，农民大多是个体户生产，制造的农业大棚简陋，机械化水平低，缺乏智能化设施，调控能力差，农产品的质量和产量受到不可控因素的影响较多，例如农民经验、季节和天气因素等，作业主要靠人力，基本没有智能干预手段，并且农业企业规模大多偏小，农户和农业企业也未能形成良好合作[1]，导致农业生产耗时耗力，农民收入也因此受限。而美国、德国等发达国家已基本实现了农业种植的智能化、自动化生产，并设计了相应的智能控制系统，例如美国采用的融气候调节、农田灌溉为一体的智能温室大棚，以计算机系统控制环境，通过智能化手段提高了农业大棚的经济效益。我国从事农业生产的农民数量仍在增长，有必要对农业大棚进行智能化发展路径探索，增加农业资金投入[2]，扩大农户和农业企业的生产规模，促成两者之间的合作共赢[3]，提高大棚经济效益和农民整体收入，促进我国现代农业的发展与进步。

1 智能化对于农业发展的推动作用

1.1 提高农业大棚的机械化水平

国内大多农业大棚为钢管大棚，以农民承包或是利用自家土地为主要拥有方式，大棚机械化水平低[4]，基本没有智能手段介入，浪费人力物力，管理效率低。而将智能化设施投入农业生产，实现由成套的电气控制系统、全面的数据采集系统和调控操作系统实时调节监测大棚，自动调节光照强度、气体浓度和土壤湿度等环境因子，可以极大程度减少劳动力，减轻农民负担，提高管理效率，为农场主争取更多空暇时间进行休闲娱乐或从事其他工作增加额外收入，甚至在城市快节奏生活的上班族也能拥有自己的农场，在空闲时间种植、收割作物，不必担心在工作日无暇管理大棚。例如：寿光市东斟灌村菜农李某承包的农业大棚安装了卷帘、电机和传感器等智能化设施之后，种棚生产方式发生彻底改变，以前一天至少要在大棚里工作6 h，现在基本全是自动化控制，在外就可看顾大棚，省时省力，老菜农们以前长期在大棚里干活落下的膝关节疼、腰疼等职业病，也因智能化设施的投入得到很大程度的缓解。

1.2 增强农业大棚对环境因子的调控能力

国内大多农业大棚基本只起一定的保温作用，使用普通建设材料，如：塑料薄膜、玻璃和钢材等，这些普通建设材料的抗灾能力和温室调节功能很差，如今农民使用最多的钢管塑料大棚在冬天大棚内温度只比室外高几度。控制系统中的通信技术，例如普遍运用的485总线的有线方式在实际使用过程中存在许多问题，会使系统稳定性不高，维修较为费力。二氧化碳气体参与植物光合作用，若大棚内二氧化碳含量不足会造成植物无法健康茁壮生长，使农作物的产量和质量大打折扣，但是大多数大棚都未对气体浓度进行控制。近年来自然灾害对农产品的产量和农户人身安全也造成了不可忽视的危害，国内多数农业大棚没有对自然灾害进行有效的防护。以上所述体现了国内大棚对环境因子的调控能力不足，无法对多个环境因子进行调控，调控缺乏实时性和准确性，植物生长受限，限制了大棚生产效率，使农作物减产减收，影响农民收入。而将智能化设施投入农业生产，采用多种参数控制并增加相应调节装置，使大棚对环境因子的调控更全面，具备更好的实时性和准确度，优化农作物生长过程中的必备条件，使农作物增产增收，从而提高农场主收入。例如：在寿光市洛城街道的现代智慧农业科技园，智能化温室大棚通过优化蔬菜生长的温度、光照、湿度和气体浓度等必备条件将8 hm2的智能化温室年产量提升近3 000 t，对比以前普通的农业大棚，现在一个智能化大棚年均利润可以达到30万元。截至2021年，寿光市已建成1.6万个智能化大棚，农民每年直接增收5亿元。

1.3 丰富农业大棚种植品种的多样性

国内农业大棚主要用来种植时令蔬菜和水果，此类时令作物大多要等到市面上反季蔬菜和水果上市销售之后才会成熟，因而价格低于反季节预先上市的蔬菜水果，农民收入也往往因此受限。智能化温室大棚可以实现春季蔬菜水果提前上市、秋季蔬菜采收期延后和冬季蔬菜生产，通过错开蔬菜生产季节来实现全年的蔬菜供应。例如：鲁山县张良镇湾张村新建了一座座智慧暖棚，大棚的承包户纷纷认为暖棚用上智能化设施后，干活轻松很多，大棚收入也增加不少，除了整地的时间，大棚基本一年四季都能够种植蔬菜瓜果，四季大棚内温度适宜，冬季基本不会低于9°C，夏季基本在38°C以下，一年可以种两茬至三茬，大棚能够种植反季节蔬菜水果或是一些对环境因子要求较高的新品种，收益比原来高很多，比如农民的智能大棚内种植新品种甜瓜，再种一季蔬菜，亩产值一共可以在3.5万元以上。

2 农业大棚的智能化方案总体设计

2.1 系统结构

本文设计的智能大棚拥有数据采集、数据控制、数据显示和调节控制四大系统，将四大系统相互联系，成套的电气控制系统、全面的数据采集系统和调控操作系统实时调节监测大棚，自动调节土壤湿度、气体浓度和光线强度等，系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

2.2 系统接线

PLC外围接线图如图2所示，AI模拟量输入，I（DI）数字量输入，Q（DO）数字量输出，PLC型号S7-1200，CPU型号CPU1214C，模拟量输入信号模块SM-1231AI。

图2 系统接线图

2.3 系统建模

根据智能大棚的系统总体设计，使用CAD、CAE技术在Soliworks中建立虚拟智能化农业大棚。虚拟大棚由传感器、风机、墙灯和电机等装置构成，系统模型如图3所示。

图3 系统模型图

3 系统的装置选型

3.1 前端

3.1.1 温度传感器

主要采用LM35模块，工作电压范围为4～30 V，额定温度范围为-55～150°C，适用于远程应用。LM35传感器可以随不同的温度变化而产生不同的电压，两者之间关系为线性关系，每升高1°C，输出电压增加10 mV。

3.1.2 湿度传感器

主要采用WHTM-02模块，额定电压为DC 5 V，湿度检测范围为20%～100%rh，精度为5%rh。依据不同的线性电压输出方式，可选择0～5 V，或0～3.3 V输出等。本实例中决定采用0～3.3 V的输出，使输出电压与检测I/O口匹配。

3.1.3 光照传感器

主要采用BH1620FVC模块，其本质为环境光传感器。该模块采用小型贴片封装，内置开关功能，对输出电流可进行三级调压。该产品耐温范围为-40～85°C，波长为560 nm，输出电流最大值为7.5 mA，供应电压为2.4～5.5 V，响应时间在 45～128 μs之间，反应速度快，符合要求。

3.1.4 一氧化碳传感器

主要采用MQ-7模块，其类型为气敏材料二氧化锡（SnO）2的半导体气体传感器，检测浓度在10～500 mg/L CO，输出信号为电压的变化量，范围在2.5～4.3 V之间。在正式测温前需要对其进行加热，时长为60～90 s。在标准测试环境下预热时间不少于48 h。

3.1.5 二氧化碳传感器

主要采用MH-Z14模块，其具有响应速度快、输出方式多样化和使用寿命长等优点。在标准情况下，工作电压为 4.5～5.5 V，使用温度在 0～50°C，据其测量量程不同可分为0～2 000 mg/L或0～1%Vol。输出电压信号在0.4～2 V之间，对应气体浓度为0到满量程。

3.1.6 烟雾传感器

主要采用MQ-2烟雾检测模块，产品类型为半导体气敏元件，探测范围为300～10 000 mg/L。该产品需在预热48 h后才可达到标准测试条件，加热电压为5 V，模拟量输出为2.5～4 V电压，浓度越高电压越高。在过程中需要尽量做到防水，并且给予相对稳定的电压。

3.1.7 红外传感器

主要采用模块SGXV02系列实现非接触式温度测量。储存温度为-40～125°C，检测温度为-30～100°C，测量精度约为0.1～0.3°C，在一定距离时，能检测视野角为112°，相距5 cm的物体的温度。其输出为0～3.3 V电压，热电堆电阻在25°C的条件下在280～420 kΩ间选择。

3.2 中端控制器

采用S7-1200型号，这是一款紧凑型、模块化的PLC，可完成简单逻辑控制、高级逻辑控制、HMI和网络通信等任务[5]。CPU选择CPU1214C，连接8个信号模块与3个通信模块，便于实现端到端的串行通信。

3.3 建设材料

以新型覆盖材料聚碳酸脂板（PC板）作为建设材料，比普通的建设材料有更好的抗灾能力和温室调节能力。

4 PLC控制系统设计

对于设计的PLC运动控制系统，整体的运动思路为：控制器、驱动器、电机，由控制器驱动使电机执行，人机交互（HMI）采用的是KP300界面，控制器采用的S7-1200的PLC。人机交互面板的数据通过PROFINET以太网的方式与CPU连接。

4.1 系统控制过程

传感器采集数据通过电信号传输至PLC模块，经PLC模块转换为模拟信号传输至电脑端显示器显示，同时反馈到调控操作系统进行动作，针对不同环境因子的具体调控过程如下。

4.1.1 光照

使用光照传感器采集相应的光照信息，当大棚内部光照传感器检测到室内光照强度低于设定的最低值，输出打开灯光系统指令，对植物光合作用进行补偿。实时检测对比大棚内外光照强度，当大棚外光照强度满足设定最低值，输出关闭大棚内灯光系统指令，在外部光照减弱时再次进行启动。该补偿能提高植物的光合作用效率等。

4.1.2 湿度

使用湿度传感器分散化采集土壤湿度变化，当大棚内部湿度低于系统设定最低湿度值，输出打开喷淋系统指令，通过淋洒清水来增加土壤的湿度，并在持续喷洒3 min后自动输出关闭指令。该补偿能在部分干旱地区中一定程度上有效防止旱灾等。

4.1.3 温度

使用温度传感器采集大棚内部相应的温度变化信息，当大棚内温度低于设定的最低值，则使卷帘机放下帘子。通过释放卷帘，加强大棚的隔热性，从而可以适当提高大棚内总体温度。同时对大棚内温度进行实时监测，当大棚外温度满足设定最低值时，依靠外部条件也能保持相对恒定的温度，则输出拉起卷帘的指令。

4.1.4 气体CO2

使用二氧化碳传感器采集大棚内部气体比例信息，当大棚内部气体CO2比例高于或低于外部气体比例时，发出打开鼓风机指令，通过鼓风机换风，并在检测内外比例相近或鼓风机运转持续10 min后发出关闭鼓风机指令，可适当进行人工干预调整（比如棚内燃烧燃料等）。

4.1.5 气体CO

使用一氧化碳传感器检测相应气体，判断棚内CO浓度高于设定值时，打开CO浓度过高警报，发出启动鼓风机指令进行换风，输出打开喷淋系统指令，喷洒NH3溶液，并在检测室内气体比例低于额定范围后或鼓风机持续10 min后发出关闭鼓风机指令。该指标过高存在一定的火灾风险，也可对灾难预警有一定参考价值。

4.1.6 红外烟雾

使用红外与烟雾报警器检测相应指标，当红外温度与烟雾指标任一一个值达到预警线后，随机发出打开消防喷淋系统指令，并使火灾警报指示灯闪烁。为保证大棚整体安全，该报警指令只能手动结束警报。

4.2 控制界面设计

设计的交互界面能与输入输出端共同联系，实时监控系统的检测值，并可实现远程管理。将前端传感器反馈的温度、湿度和光照强度值显示于相应的实时显示框中，并且与设置的最低值相对应。若实时值超出所设置范围，则PLC发出对应指令，同时在显示器上相应的调节灯由绿变红。若产生CO过高或者出现火灾报警等情况，则对应指示灯变红，同时发出警报声进行提醒。最后，对后端发生动作后，界面上的显示灯由绿变红，执行结束后变绿。同时，为了能更好地对比分析数据，防止外部条件达到设定范围，足以使大棚内条件保持一定水准，而内部依旧进行补偿造成能源浪费的状况，采用内外2个传感器的检测模式形成数据对比，以此更精准地对系统进行打开与关断，防止无用补偿情况的发生。

为适应不同农作物所需的生长条件，本设计采用了2套设置模式，分别为自动模式与手动模式。自动模式即为设定不同的农作物，根据农作物生长条件的普适性，采用系统内设定的相应参数，在规定范围内进行调节，设计界面如图4所示。手动模式是为应对各个地方农作物生长环境的差异，从而允许人们进行手动参数设置，以满足生长的独特性，设计界面如图5所示。

图4 自动模式视图

图5 手动模式视图

5 数据显示系统

5.1 数据显示系统的实现

传感器采集数据通过电信号传输至PLC模块，经PLC模块转换为模拟信号传输至电脑端显示器显示，电脑端显示数据通过网络共享（Teamviewer等）显示到手机上。

5.2 数据显示系统的作用

农业大棚生产虽然有着一定的保护设施，但由于保护设施简陋，自然灾害近年来也频频发生，对产量、效益的提高和人身安全的危害极大，但是调研发现大多数大棚都未对自然灾害进行较为有效的防护，远程数据显示系统可以让农场主不在大棚附近也能时时刻刻对大棚里的情况了如指掌，万一发生紧急自然灾害，能够第一时间知晓并且付诸行动，数据显示系统的作用再加上PLC控制系统对自然灾害做出的应急措施，可大大减少大棚农作物因自然灾害产生的损失，提高农场主收入。

6 结束语

农业大棚的智能化发展路径探索，能够提高农产品产量和质量，及时有效地对大棚内多个环境因素进行调控，保证农作物健康生长，并且一定程度减少灾害带来的损失，极高的自动化程度减少人力，即使农场主平日忙于其他工作无暇顾及农场也能进行自动调控使农作物茁壮成长，上班族也能够拥有自己的大棚。智能化的农业大棚不仅可以使农场主拥有更多空闲时间，还可增加农场主的额外收入，对于提高我国农业大棚生产力和现代化水平具有重要意义。