北方日光温室分布式智能监管平台总体设计初探

张振东，张傲然

（1.辽宁农业职业技术学院，辽宁 营口 115009；2.西北农林科技大学，陕西 咸阳 712100）

传统的温室生产管理主要依赖人工经验进行浇水、放风、补光等操作，缺乏精准的数据支撑。当前，物联网、大数据、云计算等技术正逐步应用到温室生产管理中，但很多温室控制系统存在控制功能单一、结构难扩展、价格较贵、难以推广等缺陷。基于此，在设施物联网及云平台的基础上，结合CAN总线协议和组态王等技术，集成设施园艺传感器及灌溉、施肥、补光等控制设备，建设适用于北方日光温室的环境监测、设备控制、过程监控、云端分析、决策支持、异常信息预警等智能化、分布式综合管理平台[1]。该平台已在辽宁农业职业技术学院校内新型日光温室群进行实地测试使用，通过对温室内环境因素的监测，将数据传送至云端，管理者通过手机APP实时监测温室内各项气候数据和现场画面，并对其进行记录与分析。同时，在监管平台上，对温室里的各种设备进行远程开关控制，实现了智能化、数字化管理和科学生产。目前系统已运行两年，应用效果显著，对北方日光温室智能化管理系统研发和实践应用具有重要的借鉴价值和指导意义。

1 北方日光温室智能监管平台设计原理及概况

北方日光温室智能监管平台采用分布式架构[2-4]（图1），由现场输入输出模块、下位机和上位机三级结构组成。其中，输入输出模块主要负责现场数据的采集和信号调整、电气执行机构的输出信号驱动；下位机也作监控器，主要负责现场总线通信与上位机的数据交互；上位机负责系统组态配置、控制参数的设定、控制算法执行、控制结果的显示、图表分析、数据库的存入与管理和报警信息的显示与处理。在设施园艺物联网体系中，主要包括应用层、感知层、传输层三部分。应用层进行数据计算、响应、处理和深度挖掘，实现对物理设备的实时控制、精准管理和科学施策；感知层主要实现对农业生态环境和作物的生长状态感知及质量检测等；传输层主要实现将感知层所获得的信息传输到应用层。应用层首先通过数据清洗和融合、模式识别等手段形成最终数据，提供给生态环境监测系统、生长监控系统、产品质量追溯系统使用。平台主要功能包含实时环境信息查询、设备自动控制、运行状态实时监测、室内外环境实时监控、产品质量追溯、短信或微信报警、农事操作记录、数据统计与精准农业生产深度分析等系统模块。

图1 北方日光温室智能监管平台系统结构[3]

2 北方日光温室智能监管平台

2.1 生态环境监测与设备控制管控系统

基于组态王技术开发北方温室生态环境监测与设备控制系统[2-3]（图2），通过CAN总线通信网络连接控制器，对现场的传感采集设备和环境、水肥调控设备进行数据检测和动作控制。现场设置数据采集控制箱，内置数据采集模块和设备控制信号输出模块。各传感终端获得设施内的空气温湿度、光照强度和空气CO2浓度等环境因子参数，根据预设的生态因素参数范围，使用手动或自动两种方式启停设施内的执行机构，如控制内外遮阳网、湿帘、雾喷、风机、天窗、侧窗、卷帘、灌溉、CO2发生器、补光灯、热风炉等生态因素调节设备，自动调控温室内生态环境，为作物生长提供最佳环境。系统用户管理端可通过手机和计算机实现智能化远程精准管控，结合室内外环境差异，智能调控温室内部环境因素，实现不同温室、不同作物、不同生长环境的独立控制。

图2 生态环境监测与控制设备管控系统[3]

2.1.1 生态环境预警系统

生态环境控制参数的设定，主要是依据不同作物在不同物候期对最佳环境因素阈值范围的需求，在系统内调整阈值参数方案，实现精准化管理。依据阈值范围，设定自动报警的峰值，当实际环境因素数值高于设定的阈值上限或低于下限值时，系统会自动显示报警信息（如提示某项环境因素不正常、需要采取措施等），以便管理人员及时进行人工干预。

2.1.2 生态因素自动调控系统

结合室外气象站监测到的数据与温室内环境监测数值进行对照，综合考量温度、湿度、辐照度之间的耦合效应，统筹通风窗、湿帘风机、遮阳帘幕、加热泵阀等设备之间的联合动作，实施室内温湿度24 h的自动精准调控。通过控制补光灯的光照时长和补光量两种方式来对作物进行精准补光控制；通过控制气体发生器、排气新风挡板的动作，实现温室内CO2浓度的自动调控。

2.2 环境调控数据存储及产品质量溯源系统

系统将自动存储环境调控过程中的实时传感监测值、关键设备调控状态等数据，实现本地监控历史数据查询、分析、展示功能的同时，将远程汇总数据传至园区物联网综合监控平台，构建各生产园区的远程环境监控及产品溯源的环境数据基础。

产品质量溯源系统是结合一物一码技术实现产品信息流监控及备案，通过大数据分析提升管理机制。通过传感器，有效地对土壤水分、光照强度以及环境温、湿度等参数进行长期监测并存储；通过对历史监测数据的分析，为精细农业生产提供数据支持，协助开展产品质量溯源、风险排查、科研分析等，落实安全主体责任，保障农产品安全。

2.3 视频监控服务系统

按照星形网络结构部署视频数据服务中心，安装室内外高清网络摄像机和室内环境信息展示屏，通过手机APP或计算机客户端Web方式远程与现场视频监控系统连接，为授权用户提供可视化的各园区温室群内的总体概况，并对园区的作物整个生产过程（生长状况、植株营养水平、种植、采摘、包装等环节）、安全巡查、设施设备的运行状况进行24 h监控。视频监控数据可保留6个月以上，作为感应数据信息的有效补充，为管理者提供可视化的管理窗口，利于质量监管部门对产品生产过程的有效监督和及时干预，为产品溯源获取作物信息提供真实的基础资料。

2.4 现场总线网络系统

在日光温室内部署CAN总线网络及通信模块或RS485通信网络及信号模块，通过CAN通信协议实现物联网设备的总体集成。

2.5 智能采集控制箱

智能采集控制箱用来采集物联网设备数据、运行状态以及对设备进行自动控制的集成装置，主要包含设备运行状态指示、水肥灌溉调控模块、嵌入式智能控制模块、数据采集模块、设备驱动模块、网络数据通信接口、电源耦合控制模块。

2.6 环境传感器及室外气象站

传感器是智能监控系统的感官器件，能够实时感知日光温室内外的气候状况，为设备控制提供调节参数和控制命令执行数值。室外智能气象站，实时采集室外环境气象信息，主要采用适应室外环境的小型传感组件，为温室内部环境控制提供参考数值。日光温室内主要采用独立的传感器节点，方便科学分布有代表性的监测节点位置，主要有土壤温湿度传感器、土壤EC传感器、土壤EH传感器、土壤PH传感器、空气温湿度传感器、CO2浓度传感器、光照传感器、ORP传感器等。通过有线或无线网络传输方式，将数据接入智能监管平台，对温室内各类信息进行存储、分析及管理，实现传感器与温室内环境控制设施联动工作和远程控制。

2.7 温室环境调控系统

温室环境调控系统，是基于物联网、大数据信息系统技术，通过传感设备采集数据，利用以太网、4G、WIFI的网络信号传输到控制中心[5]，控制中心根据所设置的各种环境因素参数来进行比较，判断实时数据是否符合预设参数要求，一旦达到要求可自动/手动执行预设动作，通过手机APP或电脑端应用系统，进行远程查看和控制设备执行情况。

空气温度控制主要是结合自然条件通过天窗、侧窗、负压风机、湿帘、升温设备进行调控。当温度过高，达到上限阈值时，适当开启天窗、侧窗、湿帘以及负压风机，降低温度；当温度过低，达到下限阈值时，适当关闭天窗和侧窗，开启升温设备，提高温度。

空气湿度控制主要结合自然条件通过天窗、侧窗、雾喷、环流风机、负压风机、升温设备进行调控。当湿度过高，达到上限阈值时，适当开启天窗、侧窗、环流风机、负压风机和升温设备，降低湿度；当湿度过低，达到下限阈值时，适当开启高压雾喷设备，提高湿度。高压喷雾加湿系统不仅起到对日光温室加湿的效果，还可以起到一定的降温、防静电、除尘等效果。

土壤湿度控制主要通过微喷、滴灌设备进行调控。当土壤湿度过低，达到下限阈值时，适当开启微喷、滴灌设施电磁阀，提高土壤湿度。

光照强度控制主要通过内外遮阳网、补光灯进行调控。当光照强度过高，达到上限阈值时，适当开启内外遮阳网，降低光照强度；当光照强度过低，达到下限阈值时，适当开启补光灯，提高光照强度。

CO2浓度控制主要通过天窗、侧窗、负压风机、CO2发生器进行调控。当环境CO2浓度过高，达到上限阈值时，适当关闭天窗和侧窗，打开内外遮阳网，促进室内作物光合作用，降低CO2浓度；当CO2浓度过低，达到下限阈值时，适当开启天窗、侧窗和负压风机，启动CO2发生器电磁阀，提高室内CO2浓度。

2.8 实时数据监控及日志系统

通过中心控制器收集各类传感器采集到的数据，由本地环境监控服务系统将数据上传至云端服务器，再由云端服务器将数据反馈给终端用户，为用户提供远程实时数据监控服务。

日志系统主要包括系统平台运行、管理操控及农事操作等日志记录，为设备管理者和农事生产者提供不同阶段的工作日志，便于分析问题和总结经验。

3 物联网管控中心管理系统设计

3.1 手机APP平台系统

以“数字农艺”APP应用软件为例，根据各园区管理人员需求，设置分区管理权限，在手机端可实时查看日光温室现场数据、发布相关操作指令等。通过移动端5G或无线AP网络[5]，登陆物联网系统进行数据查看、设备控制等操作，为管理者提供园区实况、环境因素数据分析、产品质量预测、病虫害预警、远程协助等功能，实时掌握基地环境动态。主要功能模块有室内外生态环境信息查询、现场视频、操作日志、设备控制（通风、温度、内外遮阳、灌溉、加湿、内循环、补光、喷淋）等。

3.2 系统组态

组态设置是系统进行算法、设备配置的核心模块。按照界面组态配置步骤，进行系统、设备、板卡等配置，在完成组态配置时，必须点击相关按钮进行组态信息正确性匹配检测，只有通过检测的组态信息方视为有效，才会在上位机重启后系统运行时进行加载显示参与控制。

组态查询，只有系统管理员及以上级别的用户可以查看该模块页面。分为工程师页面和最终用户界面，工程师页面可以对区域、系统设备、IO配置等重要信息进行修改配置，最终用户界面仅能进行组态信息查询和各区域重命名的操作。

3.3 工程师设置

包括环境设置、灌溉设置、调试和WEB配置4个部分。环境设置部分，包含环境子系统的参数设置和手动控制界面；灌溉设置部分，包括灌溉设置和诊断设置，对每个灌区进行反冲洗和肥前补偿进行设置，对各个首部进行诊断；调试模块是工程师调试现场通信网络和设备的界面，也可以辅助进行系统控制模块的功能调试。

3.4 WEB配置界面

超级管理员可以对远程WEB配置和远程界面环境概貌、设备控制、视频监控权限等进行设置。

4 分布式物联网设备管控系统

在温室群园区采用分散控制、中央监控的系统结构[4]，每座温室安装物联网传感数据采集箱、动力控制电气柜，通过CAN总线网络连接到智慧温室主控平台。物联网管理系统安装在中央监控室内，通过监控管理软件和计算机控制网络，与温室智能环境设备进行网络通信与管理控制。智慧温室控制系统实时获取传感器数据，通过系统设定的控制参数与阈值进行控制动作判断，将控制指令发送给动力控制电气柜进行相关设备的启动、停止动作，以达到对温室环境精准控制，实现整个园区的环境控制及水肥一体化智能调控、中央监控与云端管理。系统具有物联网设备控制、采集模块的故障自动诊断、自动报警、模块化组态再扩展等功能，以保证管理区域的添加和控制功能的扩展需求。

5 结语

结合日光温室生产实际，分析智能管理需求，应用传感器网络、CAN总线网络、组态王、PLC可编程控制器[6]等技术，搭建北方日光温室分布式智能监管平台，通过物联网云平台联合智能温室监管系统，在手机APP端移动监视与控制管理，彻底实现通过控制生态环境因素调控作物生长品质。今后进一步开发智能种植生产管理数据库、深度挖掘智慧温室大数据，实现各温室的个性化管理，达到日光温室群的整体智慧化管控，形成覆盖全面、管控统一的智慧温室园区，全面打破园艺生产的季节限制，以节省成本、降低人力投入，满足信息化、数字化、无人化的现代化设施园艺建设需求；进一步通过物联网和云计算技术构建“智慧农业”大数据管控决策平台，有效整合资源，集农业大数据统计分析、科学研究、水利气象、灾情预警、农产品安全追溯、电子商务、植保监测、环境治理、生态循环、节能环保等功能为一体，构建成“互联网+智慧农业”数字化信息服务体系，提高农业现代化运营管理、政府决策监管和社会公众服务水平。