智能化测控平台系统在温室大棚中的应用研究

崔志强，田建平，刘 涛，李彩霞，刘龙兵，李迎鑫，王 兴

（太原科技大学 计算机科学与技术学院，山西 太原 030024）

0 引 言

中国以占世界7%的耕地养活了几乎占世界五分之一的人口，其中温室大棚做出了不可磨灭的贡献。温室大棚的主要作用是种植一些反季节蔬菜和具有高经济价值的作物。虽然使用传统的技术手段也取得了一定的成果，但是随着人口数量的增加、耕地面积的减少，逐渐难以满足人们日益增长的需求[1-5]。

传统大棚中，农作物若在早期出现问题而未被及时发现会产生十分严重的后果，因此种植人员要随时观察农作物的生长趋势，及时发现问题，准确做出决定[6-10]。但此种方式下观察、记录、测量农作物数据的效率低、误差大、劳动强度大。近年来，随着我国国民经济的快速发展，科技水平不断提高，智能技术与物联网技术也越来越成熟，智能化测控平台系统在温室大棚中的应用也日渐广泛[11-13]。相对于传统温室，智能温室大棚可以通过传感器精确识别农作物的状态并将数据上传由上位机进行处理。相对于传统温室大棚的大水漫灌，智能温室大棚可以根据土壤湿度精准、精确灌溉，大大减少了水资源的浪费，保护了环境，响应了国家节约水资源的号召，同时也更有利于农作物的生长[14-15]。搭载有智能化测控平台的大棚对农作物的生长状况能够更进一步地把控，可以大大降低害虫对农作物的危害程度，减轻务农人员的压力，逐步向半无人化和无人化发展；同时也可以实现向买家透明化展示农作物的生长环境。

1 系统总体设计

1.1 系统组成

智能化测控平台系统由上位机系统和下位机系统两大部分组成，上位机系统主要对传感器收集到的信息数据进行管理和分析处理，并对下位机系统进行调控；下位机主要是由温湿度传感器、光照传感器、气体传感器等传感器组件以及视频采集组件、LED 补光设备等组成，主要作用是将农作物的数据传送给上位机，并将对上位机传下来的控制指令进行处理。主要的控制参数如下：

（1）温湿度：不同种类的农作物对温湿度有着不同的要求，根据不同的农作物种类设置不同的参数十分关键。

（2）土壤干燥程度：土壤过干会导致农作物缺水，植株会变弱，缺乏活力，叶片和新叶会枯萎、下垂、失去光泽。严重缺水时，叶子会变绿、变黄，甚至枯萎；而湿度过大会导致土壤含氧率较低，严重时会导致植物腐烂。

（3）营养物质：氮素可促进叶面积增大；钾肥既可促进叶面积增大，又能延缓叶片老化；磷在植物生长前期能够增加叶面积，但在后期又会加快叶片的老化，对植物生长有直接影响。

1.2 系统工作流程

系统重启后上位机传送指令给下位机，检测是否有故障，若有故障则进行报警。根据系统识别模块，并以作物的种植时间作为参考判断农作物的生长状态，动态地调节所需要的光照、土壤湿度、土壤营养物质等，以便保证农作物的生长。工作流程如图1 所示。

图1 系统组成

2 系统的硬件设计

智能化测控平台系统的硬件部分主要是由温湿度传感器、光照传感器、CO2传感器等多个传感器以及换气扇、水泵等组成。总体架构如图2 所示。

图2 系统硬件架构

2.1 温度模块

温度传感器主要是采用NTC 温度传感器，它是由玻璃封装的热敏电阻。NTC 热敏电阻阻值随温室大棚环境温度的变化情况如图3 所示，环境温度高时其阻值小，温度低时阻值大。该NTC 热敏电阻具备体型小、重量轻、构造稳固、精度高、热感应速度快、稳定性好、可靠性高、耐高温等优点。

图3 NTC 热敏电阻阻值随温度变化情况

2.1.1 温度传感器阻值随温度变化情况

NTC 热敏电阻阻值随温度变化的公式如下：

式中：T为温度；Rref为25 ℃时的标称值；Tref取为25 ℃；β是热敏电阻的关键参数。

2.1.2 不同农作物种子萌发的温度范围

不同种类的农作物对温度的要求不同，根据不同的农作物种类设置不同的温度是保证农作物正常生长的关键。不同农作物种子萌发的温度范围见表1 所列。

表1 农作物种子萌发的温度范围

2.2 湿度模块

湿度模块主要是根据土壤中的湿度来确定农作物是否缺少水分，如果发现农作物缺少水分就应该及时进行智能灌溉，满足农作物对水的需求。当湿度传感器检测土壤中水分充足的时候就给灌溉系统一个停止供水的信号，从而实现灌溉系统的自动化，在不浪费水资源的情况下满足了农作物的需要。具体流程如图4、图5 所示。

图4 当前湿度读取流程

2.3 光照模块

农作物在每个生长阶段都需要不同强度的光照，以实现植物的最佳发育。以“长日照植物”为例，它们是在日照时间较长时开花的植物，需要的光照时间应超过开花的临界时间（通常是14 ～18 h）。因此，它们也被称为“短夜植物”，如菠菜、萝卜、芙蓉、小麦和生菜。另外，也有一些“短日照植物”，例如大豆、烟草、菊花、大麻、苜蓿等，它们需要的光照时间少于开花临界时间（约8 ～12 h），且需要连续的黑暗时期（约14 ～16 h）才能开花，连续的黑暗时期对于其自身的生长至关重要，因此它们也被称为“长夜植物”。不同的作物种类在不同的生长阶段所需的光照强度都各不相同。通过识别模块识别出农作物的生长状况，再经过上位机的处理和分析后传输给光照模块做进一步处理。若当前光照强度低于最佳适宜强度，则进行补光处理，反之进行遮光处理。

2.4 识别模块

识别模块是智能化测控平台系统的“眼睛”，它将由多个监控摄像头收集到的信息与数据库的信息进行对比，进而判断出农作物的生长状态，当偏差值超过阈值时进行报警。具体流程如图6、图7、图8 所示。

图6 训练神经模型

图7 获得图片进行分割

图8 获得作物当前生长状态

2.5 灌溉模块

灌溉模块主要由蓄水池、水泵等组成。当传感器检测到土壤湿度和农作物所需营养物质浓度远低于常规指标时，自动进行灌溉和施肥，实现一体化。同时当蓄水池营养物质浓度低于阈值时自动添加营养物质，如图9 所示。

图9 营养物质浓度检测流程

3 系统软件设计

本系统的软件设计考虑到既要做到对大棚内环境的精准监测，又要保证其具有易于操作的特性，能将传感器在大棚内部收集到的信息准确地展示给用户。软件部分设计有监控模块、参数设置模块、设备检查模块、生产日志模块等。监控模块是将传感器定期收集到的温室大棚中农作物的信息进行可视化展示，用户可以通过此模块清楚明了地了解到农作物的生长状况。参数设置模块分为人工设置和智能设置两种。智能设置是系统结合传感器收集到的农作物生长状况数据与云数据库中的数据进行对比，并根据不同农作物的不同生长周期进行更改。人工设置是指用户可以对设置参数进行手动更改，若是设置的参数与云数据库的记录有较大出入则会进行提示。设备检查模块是在不同节点出现问题时进行记录，并及时提示务农人员。

系统软件设计时采用快速编程方法，即软件系统开发人员通过非编码的方式进行测控软件的开发，如图10 所示。通过该方法，开发人员只须对设备的控制工艺流程进行处理，将其转化为多步，使得每一步对应一个指令，并将指令封装至按钮当中，通过点击对应的指令按钮，即可完成编程，从而使非专业编程人员也能完成编程工作，解决了务农人员不会编程的问题。

图10 软件拖拽编程

4 通信及测试

4.1 WiFi 通信

建立TCP 连接，指令为AT+CIPSTART。单路连接（+CIPMUX=0）时， AT+CIPSTART=，，。多路连接（+CIPMUX=1）时， AT+CIPSTART=，，， 。

连接成功，则返回：

如果连接已经存在，则返回：

连接失败，则返回：

4.2 测试数据

经过测试，该系统有较高的使用价值，能够使大棚内的农作物得到智能化监测，可以在一定程度上提高务农人员的工作效率。具体测试数据见表2 所列。

表2 测试数据

5 结 语

随着物联网技术、云计算技术以及新型IT 技术的发展，农业种植也将逐渐走向智能化。智能化测控平台具有可操作性强、操控简单、易上手等诸多优点。本文为解决传统温室大棚结构相对简陋、缺乏技术含量、保温能力差、生产效率低等问题，在传统温室大棚中应用了智能化测控平台。测试结果表明，此种方式为务农人员开展生产种植提供了极大的便利。