章鐵軍，宮彬彬，劉永泉，高洪波，吳曉蕾

（1.河北農(nóng)業(yè)大學現(xiàn)代教育技術(shù)中心，保定，071001；2.河北農(nóng)業(yè)大學園藝學院；3.保定市科技局草莓所）

環(huán)境數(shù)字化信息系統(tǒng)在日光溫室蔬菜生產(chǎn)中的應用

章鐵軍1，宮彬彬2，劉永泉3，高洪波2，吳曉蕾2

（1.河北農(nóng)業(yè)大學現(xiàn)代教育技術(shù)中心，保定，071001；2.河北農(nóng)業(yè)大學園藝學院；3.保定市科技局草莓所）

2011年全國蔬菜日光溫室面積約80萬hm2，日光溫室在我國設(shè)施蔬菜中占有很重要的地位，既適合以家庭承包經(jīng)營為主的小規(guī)模生產(chǎn)，也適合企業(yè)和種植大戶的專業(yè)化生產(chǎn)。日光溫室內(nèi)蔬菜的生長發(fā)育，一方面取決于作物的遺傳特性，另一方面由溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照度和CO2濃度等環(huán)境因子決定。但是，我國現(xiàn)有日光溫室結(jié)構(gòu)不合理且骨架、立柱多，影響室內(nèi)光照和保溫效果，而且日光溫室內(nèi)環(huán)境調(diào)控能力較差，受天氣和自然環(huán)境影響較大，尚維持在靠水銀溫度計監(jiān)測環(huán)境的水平，很難做到根據(jù)蔬菜生長所需的溫度科學調(diào)控，影響蔬菜植株的生長、產(chǎn)量和品質(zhì)。因此，設(shè)施蔬菜的可持續(xù)發(fā)展要從合理的日光溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，對現(xiàn)有日光溫室結(jié)構(gòu)性能進一步研究、改進和完善，在此基礎(chǔ)上初步建立能對日光溫室的環(huán)境因子進行實時、準確監(jiān)測的系統(tǒng)，為蔬菜提供適宜的環(huán)境條件，確保日光溫室蔬菜的健康、持續(xù)、高效發(fā)展。

目前的溫室測控系統(tǒng)大多采用有線布網(wǎng)、人工測量，導致現(xiàn)場安裝困難，工作效率偏低，測量精度差，這不僅大大增加了電氣工程施工費用，也導致施肥等工作困難；此外，系統(tǒng)中的每個監(jiān)控點沒有自組織功能和自愈能力，維護工作量大，也不利于系統(tǒng)升級。因此，為了實現(xiàn)溫室農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和高效，開發(fā)和研制一種新型的溫室環(huán)境測控系統(tǒng)十分必要。用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)，具有部署方便、成本低廉等優(yōu)勢，同時可以有效實現(xiàn)環(huán)境信息的采集和傳輸，及時調(diào)整管理策略，保證作物生長處于最佳狀態(tài)，為溫室環(huán)境參數(shù)檢測提供一種新穎的、低成本的解決方案。

環(huán)境數(shù)字化信息系統(tǒng)就是要實現(xiàn)溫室作物生長環(huán)境的溫度、空氣相對濕度、土壤溫度以及光照度等環(huán)境因子的實時數(shù)據(jù)獲取，并對這些數(shù)據(jù)進行實時顯示、存儲、分析和處理，實現(xiàn)對溫室內(nèi)作物生長的各種環(huán)境參數(shù)的控制，達到現(xiàn)代化管理、精準化作業(yè)和獲取更高效益的目的。

1 環(huán)境數(shù)字化信息系統(tǒng)的組成和功能

蔬菜日光溫室環(huán)境數(shù)字化信息系統(tǒng)主要由無線網(wǎng)絡(luò)溫室環(huán)境采集控制單元、無線型室外微型氣象站、調(diào)頻編碼發(fā)射臺組件和系統(tǒng)上位機組成。

①無線網(wǎng)絡(luò)溫室環(huán)境采集控制單元連接6個環(huán)境傳感器，包括1個光照傳感器、1個濕度傳感器、4個溫度傳感器，可實現(xiàn)日光溫室內(nèi)主要環(huán)境因子（光照、溫度、濕度）的實時監(jiān)測（根據(jù)經(jīng)濟承受能力可加裝土壤水分、二氧化碳等傳感器），并實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲（4 000～24 000條數(shù)據(jù)）。

②無線型室外微型氣象站置于室外，可實現(xiàn)室外環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集，為室內(nèi)環(huán)境管理提供參考。

③無線網(wǎng)絡(luò)溫室環(huán)境采集控制單元和無線型室外微型氣象站可通過無線射頻實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的無線傳輸至系統(tǒng)上位機。

④系統(tǒng)上位機是一臺數(shù)據(jù)服務器，可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)查看與數(shù)據(jù)庫存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢、曲線分析、極值查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能；可通過Internet網(wǎng)絡(luò)連接遠程登錄系統(tǒng)上位機，實現(xiàn)管理人員對遠程溫室環(huán)境參數(shù)進行集中監(jiān)視、遠程監(jiān)控、參數(shù)設(shè)定、問題追溯等；根據(jù)溫室栽培蔬菜種類的差異，設(shè)定蔬菜所需環(huán)境參數(shù)范圍，若環(huán)境實時數(shù)據(jù)超出設(shè)定范圍，可實現(xiàn)超限報警功能。另外，系統(tǒng)上位機與短信模塊連接，可實現(xiàn)手機短信實時數(shù)據(jù)召喚，便于種植者和管理者了解溫室內(nèi)環(huán)境變化情況。

該系統(tǒng)是一個數(shù)字化的環(huán)境信息系統(tǒng)，是種植者、管理者監(jiān)測、查詢?nèi)展鉁厥噎h(huán)境數(shù)據(jù)可靠、便捷、高效的技術(shù)手段，而且根據(jù)溫室內(nèi)外環(huán)境的變化適時發(fā)出各種農(nóng)事操作提示，使溫室環(huán)境調(diào)控和相關(guān)栽培操作準確到位，同時超限報警可使不當操作和極端天氣所造成的損失降到最小，提高栽培效果，增加生產(chǎn)效益。

2 環(huán)境數(shù)字化信息系統(tǒng)的特點

2.1 實現(xiàn)日光溫室內(nèi)環(huán)境信息的準確、穩(wěn)定的采集

日光溫室內(nèi)空間緊湊，目前智能溫室內(nèi)使用的有線傳感器布線復雜，直接在日光溫室內(nèi)使用會嚴重影響日常的生產(chǎn)管理。傳統(tǒng)的無線傳感器技術(shù)通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電，數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，破損數(shù)據(jù)較多且通信距離有限。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是現(xiàn)代傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)等多項技術(shù)的綜合，它把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到溫室蔬菜生產(chǎn)中來，逐步建立以信息和軟件為中心的數(shù)字化環(huán)境管理模式，從而實現(xiàn)溫室實時環(huán)境數(shù)據(jù)的自動采集與傳輸。為了更適用于日光溫室的環(huán)境采集，針對無線傳感器技術(shù)的弊端，從技術(shù)上進行了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的改良，首先，采用直流電源代替電池，給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的能源，從而保證了較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸和較遠的通信距離，同時，免去了更換電池的繁瑣；其次，采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，即在傳輸過程中對數(shù)據(jù)進行綜合處理，避免了由于環(huán)境和能量因素，導致無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)易受干擾，傳感器節(jié)點易失效等問題，得出更為準確完整、更符合用戶需求的信息。該系統(tǒng)可以在日光溫室高溫高濕環(huán)境下良好工作，日光溫室蔬菜生產(chǎn)的環(huán)境控制可以逐漸擺脫人為經(jīng)驗判斷，使用壽命可達5～8 a，大幅度提高單位面積的勞動生產(chǎn)率和工作效率，對實現(xiàn)日光溫室蔬菜的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。

2.2 符合我國農(nóng)村日光溫室生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前，我國大部分的溫室管理者專業(yè)素質(zhì)較低、電腦知識水平缺乏，復雜的控制系統(tǒng)即使技術(shù)完善，也沒有辦法在實際生產(chǎn)中應用。因此該系統(tǒng)設(shè)計為自啟動、自加載、自運行、可斷電恢復的實時系統(tǒng)，簡單實用，系統(tǒng)不直接面對農(nóng)民，農(nóng)民也不需要面對電腦進行任何操作。通過前期的系統(tǒng)設(shè)置、報警設(shè)置，系統(tǒng)可以向農(nóng)民手機發(fā)送實時的數(shù)據(jù)，農(nóng)民通過查看手機短訊，就可以了解相關(guān)的溫室環(huán)境信息，從而進行相關(guān)的管理。該系統(tǒng)符合了我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的國情，更利用推廣。

2.3 便于管理者和科研工作者查詢與分析數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)除了能夠勝任溫室的日常生產(chǎn)管理以外，還可以為科研工作者提供便利的數(shù)據(jù)信息和數(shù)據(jù)統(tǒng)計。本系統(tǒng)可以讓工作者通過電腦的遠程登陸界面進入系統(tǒng)的控制界面，進行數(shù)據(jù)觀測、數(shù)據(jù)下載、參數(shù)修改等控制，真正實現(xiàn)足不出戶的遠程控制，避免由于時間原因無法及時采集數(shù)據(jù)的問題。同時，本系統(tǒng)還可以對采集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)合生產(chǎn)科研的需要，對積溫、積光、溫濕度的極值大小、極值范圍等科研參數(shù)進行統(tǒng)計。

3 展望

本系統(tǒng)通過匯聚節(jié)點與傳感器網(wǎng)絡(luò)進行雙向通信，實現(xiàn)了環(huán)境信息的自動采集、無線傳輸、信息的圖表顯示、查詢、統(tǒng)計分析和報警等，特別是通過遠程網(wǎng)絡(luò)傳輸和可視化顯示技術(shù)，達到系統(tǒng)易用性與功能性的統(tǒng)一，初步實現(xiàn)了日光溫室蔬菜生產(chǎn)的數(shù)字化管理。而且，隨著我國日光溫室的機械如配備卷簾機等外部執(zhí)行設(shè)備的增加，該系統(tǒng)也可通過繼電器實現(xiàn)設(shè)備自動運行與智能控制，顯著提高溫室環(huán)境的管理能力和生產(chǎn)能力，提高蔬菜栽培效果，同時短信超限報警等功能可使不當操作和極端天氣所造成的損失降到最小，對實現(xiàn)日光溫室蔬菜生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要作用。

10.3865/j.issn.1001-3547.2012.18.024

章鐵軍（1976－），男，學士，講師，從事計算機程序開發(fā)及農(nóng)業(yè)環(huán)境控制研究，電話：13463689878，E-mail：zhangtiejun@hebau.edu.cn

2012-05-28