基于物联网的日光温室番茄生产控制技术试验.pdf

引用本文格式褚春年基于物联网的日光温室番茄生产控制技术试验 J农业工程，2023，13（5）：47-51 DOI：10.19998/ki.2095-1795.2023.05.009CHU ChunnianExperiment on tomato production control technology in solar greenhouses based on internet of thingsJAgricultural Engineering，2023，13（5）：47-51基于物联网的日光温室番茄生产控制技术试验褚春年（西安市农机监理与推广总站，陕西 西安 710065）摘要：在设施农业领域引进了物联网技术，通过物联网平台采集获取日光温室番茄在不同生长阶段的环境信息。对照日光温室番茄适宜的生产条件要求，通过物联网系统平台和手机 APP 进行信息反馈提示，实现了自动灌溉、自动卷帘、自动卷膜等自动控制，有针对性地实施精细化、智能化、自动化科学管理，改变了传统的日光温室管理模式，提高了劳动生产率，促进了设施蔬菜产业发展。关键词：日光温室；控制技术；设施农业；番茄；物联网中图分类号：S126文献标识码：A文章编号：2095-1795（2023）05-0047-05DOI：10.19998/ki.2095-1795.2023.05.009Experiment on Tomato Production Control Technology in Solar GreenhousesBased on Internet of ThingsCHU Chunnian（Xian Agricultural Machinery Supervision and Promotion Station，Xian Shaanxi 710065，China）Abstract：Internet of things technology has been introduced in the field of facility agriculture，and environmental information of solargreenhouse tomatoes at different growth stages has been collected through the internet of things platformBy comparing suitable produc-tion conditions for tomatoes in solar greenhouses and providing information feedback through internet of things system platform and mo-bile apps，automatic irrigation，automatic rolling curtains，automatic film rolling and other automatic controls have beenachievedTargeted implementation of refined，intelligent，and automated scientific management has changed traditional managementmode of solar greenhouses，improved labor productivity，and promoted development of facility vegetable industryKeywords：sunlight greenhouse，control technology，facility agriculture，tomato，internet of things 0引言设施农业是区别于传统农业的新型农业生产方式。设施农业的本质是人工构建可控的环境，保证农业生产按照预设程序进行，从而获得理想的产量和效果1。在设施农业生产中，要加快物联网、大数据、人工智能和区块链等现代信息技术在农业领域的应用2。智能化、精准化、信息化是设施农业发展方向，通过在设施农业中安装传感器，实现农作物生产环境、生长状况等信息的智能感知、可视化管理、智能预警及智能分析，能够在远程实时查看大棚内农作物生长的温度、湿度、光照等数据，及时对各个生产环节实施自动控制3。设施种植结合智能化管理应用模式，智能化手段及可视化的界面能更有效地辅助标准化生产的实施，极大地提升精细化水平和生产效率，也使种植园区的生产决策更具科学性4。本项目引进物联网系统平台，应用于日光温室番茄生产中，每个温室大棚采集多个位置的温度、湿度及光照强度等环境参数，通过采集到的环境因子，智能控制温室大棚内的升降温、增降湿和补遮光等系统，物联网系统平台通过在日光温室番茄各生长阶段数据采集分析，对日光温室设备进行自动控制，实现蔬菜生产从人工经验式转为精准化、智能化，加快环境智能调控、水肥一体化，信息监测和自动控制等技术装备的融合应用，减少用工数量、降低生产成本，提升设施装备智能化水平，实现温室大棚集约化、网络化 收稿日期：2022-10-06修回日期：2023-01-29作者简介：褚春年，高级工程师，主要从事农业机械化研究E-mail：第 13 卷 第 5 期农业工程Vol.13No.52023 年 5 月AGRICULTURAL ENGINEERINGMay 2023远程管理，充分发挥物联网技术在设施农业生产中的作用5-7。1材料与方法 1.1试验地点西安市临潼区万邦现代农业园区 5 个日光温室，面积 4 200 m2，种植秋冬季设施番茄，番茄品种为普罗旺斯，密度 3.75 万株/hm2，行距 65 cm、株距 40 cm，膜下滴灌栽培。1.2控制设备试验园区物联网信息平台系统由深圳市奥越信科技有限公司研发生产。奥越信农业智能控制设备日光温室番茄物联网管理系统分为 4 个层次，分别为感知层、传输层、数据存储层和应用层，试验项目共涉及7 个系统，如表 1 所示8。项目实施中，主要在 5 个日光温室引进了物联网控制通信系统、采集系统、卷膜卷帘系统、显示系统、水肥系统、软件系统和监控系统等，温室内有温度传感器（空气、土壤）、湿度传感器（空气、土壤）、光照传感器等，并外接电机、电磁阀、卷膜机、卷帘机、水肥一体机和高清摄像头等设备。通过终端平台的网关控制器，可以外接多路设备，以实现实时控制大棚内环境的效果，可远程获取温室大棚的空气温湿度、土壤水分温度、二氧化碳浓度、光照强度及视频图像，通过数据模型分析，可以自动控制温室卷帘机、卷膜机、水肥一体化和加温补光等设备；同时，还可以通过手机 APP、计算机等信息终端向管理者推送实时监测信息、报警信息，实现现场环境的信息化、智能化远程管理。该技术主要应用于农作物生产全过程的智能监测控制，摒弃传统的生产方式，实现农作物生长全程信息化，自动采集、传输与控制，并在专家知识库辅助下，实现农业生产的全过程智能化控制、科学化管理9。物联网系统平台智能控制运行引用深圳市奥越信科技有限公司网站产品指引栏目中“日光温室智能控制系统图”，如图 1 所示。1.3试验方法试验于 2020 年 11 月 20 日2021 年 3 月 31 日进行，主要测试物联网平台采集数据，与王勇等10研究的日光温室番茄适宜生长条件，并结合当地实践的数据作为控制条件的区间值（表 2，作为 CK 处理）进行比较分析及系统反馈，从而验证系统平台的报警提示功能，以及系统控制的信息反馈和自动控制情况，从而更好地将智能化、自动化服务于设施农业生产中。表 1日光温室番茄物联网平台系统及设备Tab.1 Solar greenhouse tomato internet of things platform system and equipment序号设备名称规格参数数量/套1控制通信系统5 台 NK-100C：数据采集与设备控制，包含配电柜；可对现场进行本地或远程控制操作；每套智能设备控制 2 路 380 V、2 路 24 V，采集 8 个传感器1 台 ND-R-H4：宽带有线连接，远程访问现场控制设备；可远程对智能控制维护与升级12采集系统2 个 S-HG-TH-M4：电压 DC24 V，温度测量范围4080 C、精度0.2 C，湿度测量范围 0100%RH、精度3%RH，光照度测量范围 020 万 Lux、精度7%（25 C），信号 RS485，防护等级 IP652 个 OYES-S-AE-PH-M4：电压 DC24 V，pH 值测量范围 49、精度0.5，工作温度 065 C，工作湿度 0100%RH，探头长度 19.5 cm，防护等级 IP65。2 个 OYES-S-SM-WT-WT-EC-M4：电压 1224 V，温度分辩率 0.1 C、精度0.5 C，水分分辨率 0.1%、精度3%RH，电导率分辨率 10 s/cm、精度3%，信号 RS485，防护等级 IP67，80 m 四芯信号线53卷膜卷帘系统1 台卷膜电机：电压 24 V，功率 120 W，有正反转；共需要 2 路控制2 个卷被电机限位器54显示系统LED-S126-6-M4：ModbusTCP，单红 LED 点阵屏室内 P3.75 英寸：1 300 像素400 像素，用来显示室内外传感器数值（可滚动显示），可显示 57 个环境要素，如空气温度、空气湿度、光照度、土壤温度和土壤湿度55水肥系统智能灌溉施肥机 1 台 SF03-M4：由施肥泵、施肥通道和流量调整系统组成；3 个文丘里施肥通道，2 路调EC1 路调酸；立式离心增压泵，流量 8 m；10 英寸铝合金液晶触摸屏+高端工业级 PLC 输出控制；管道系统采用三厘品牌带有 EC/pH 检测，通过 PID 运算，精准 EC 值和 pH 值调整；支持手机 APP 或电脑 PC 端远程控制；施肥机连接件 1 套，肥料桶 3 个，离心过滤器、连接件及到温室大棚主管道 1 套16软件系统Client-Web 温室物联网云平台：将温室环境数据、温室影像、长期存储的每间隔 1 h 保存环境数值、温室历史数据曲线、数据报表及浇灌施肥作业记录制作成一个云平台网站，授权的人员可以远程操作控制现场电机设备Client-BDP 大数据云平台：当地气象预报、环境实时监测数据、环境数据历史曲线图及电机运行状态等Client-App 智能手机客户端 APP 软件：远程查询环境数据、查询影像、查询作物照片、查询浇灌、施肥和手机控制温室设备动作17监控系统摄像头 5 个、8 路录像机 1 台、21.5 英寸显示器 1 台、8 口交换机 1 台及 8poe 交换机 2 台1 48 农业工程信息与电气化 2结果与分析 2.1幼苗生长期在日光温室番茄的幼苗生长期，测定其中 3 d 相同时段的环境控制试验数据（表 3），对照日光温室番茄在幼苗生长期适宜的生长条件区间值（表 2），分析物联网平台反馈情况。通过测试，物联网平台把采集到的数据与合理区间值进行比较，发出反馈和提示信息，并实施自动控制。在幼苗生长期，棚内湿度高于区间值的最大值 50%时，系统平台自动开启卷膜机，降低棚内湿度；棚内温度低于区间值的最小值 20 C 时，系统平台自动控制棚内增温设备，及时进行升温；土壤湿度低于区间值的最小值 60%时，系统平台自动启动水肥一体化系统予以灌溉；光照强度低于区间值的最小值 2 万 Lux 时，系统平台在自动开启卷帘设备增强透光性的情况下，启动补光设备，予以补光。2.2开花坐果期在日光温室番茄的开花坐果期，测定其中 3 d 相同时段的环境控制试验数据（表 4），对照日光温室番茄开花坐果期适宜的生长条件区间值（表 2），分析物联网平台反馈情况。通过测试，物联网平台把采集到的数据与合理区间值进行比较，发出反馈和提示信息，图 1物联网系统平台智能控制运行示意Fig.1 Schematic diagram of intelligent control operation of internet of things system platform 表 2日光温室番茄适宜生长条件Tab.2 Suitable growth conditions of tomato in solar greenhouse生育期棚内湿度/%棚内温度/C土壤湿度/%土壤温度/C光照强度/万 Lux土壤 pH 值土壤 EC 值/（mscm1）幼苗生长期455020256075152223671.0开花坐果期607025287080182223671.5结果期607025288090202235671.52.0注：所列数据为日光温室番茄生产阶段白天时段的适宜条件，作为试验的 CK 处理。褚春年：基于物联网的日光温室番茄生产控制技术试验 49 并实施自动控制。在开花坐果期，棚内温度低于区间值的最小值 25 C 时，系统平台自动控制棚内增温设备，及时进行升温；土壤湿度低于区间值的最小值 70%时，系统平台自动启动水肥一体化系统予以灌溉；光照强度低于区间值的最小值 2 万 Lux 时，系统平台在自动开启卷帘设备增强透光性的情况下，启动补光设备，予以补光。2.3结果期在日光温室番茄的结果期，测定其中 3 d 相同时段的环境控制试验数据（表 5），对照日光温室番茄结果期适宜的生长条件区间值（表 2），分析物联网平台反馈情况。通过测试，物联网平台把采集到的数据与合理区间值进行比较，发出反馈和提示信息，并实施自动控制。在结果期，棚内湿度高于区间值的最大值70%时，系统平台自动开启卷膜机，降低棚内湿度；土壤湿度低于区间值的最小值 80%时，系统平台自动启动水肥一体化系统予以灌溉；光照强度低于区间值的最小值 3 万 Lux 时，系统平台在自动开启卷帘设备增强透光性的情况下，自动启动补光设备，予以补光。3讨论在试验中，针对日光温室番茄生长的各个时期，物联网系统平台能根据实际的反馈情况，实施对日光温室的水肥一体化、卷帘、卷膜等自动控制。试验测试智能化模式控制与传统人工模式控制方式节约时间和提高效率的数据对比情况。由表 6 可知，物联网系统平台的智能化模式控制明显优于传统人工模式。经过试验，引进的日光温室控制通信系统、采集系统、卷膜系统、卷帘系统、显示系统、水肥系统、软件系统和监控系统等设备的性能可靠，所有智能设备响应时间均在 1 s 内，所有联动事项响应时间均为0.5 s 内，在设施园区试验示范中受到农民群众的认可，适用性较好。表 3日光温室番茄幼苗生长期环境控制试验数据Tab.3 Environmental control test data of tomato seedlings in solar greenhouse during growth period处理测定时间系统反馈棚内湿度/%棚内温度/C 土壤湿度/%土壤温度/C 土壤 EC 值/（mscm1）光照强度/Lux土壤 pH 值试验2020-11-20T14:10反馈前75.616.453.119.50.95313 7646.52020-11-20T14:30反馈后46.824.967.318.80.96726 3756.52020-12-01T14:10反馈前75.515.647.220.71.01222 0716.72020-12-01T14:30反馈后42.723.766.618.21.10621 3676.72020-12-16T14:10反馈前79.814.758.217.50.89215 9166.62020-12-16T14:30反馈后50.621.469.616.30.80424 0786.6CK45502025607515221.020 00030 00067 表 4日光温室番茄开花坐果期环境控制试验数据Tab.4 Environmental control test data of tomato in sunlight greenhouse during flowering and fruit setting period处理测定时间系统反馈棚内湿度/%棚内温度/C土壤湿度/%土壤温度/C土壤 EC 值/（mscm1）光照强度/Lux土壤pH 值试验2021-01-15T13:50反馈前72.721.759.721.61.15313 4876.72021-01-15T14:20反馈后64.127.970.320.41.51722 3756.72020-01-20T13:50反馈前80.518.161.520.31.22412 0716.82020-01-20T14:20反馈后62.425.773.819.11.52621 3676.82020-01-25T13:50反馈前82.916.258.721.21.12918 9166.62020-01-25T14:20反馈后63.425.479.319.81.50425 2986.6CK60702528708018221.520 00030 00067 表 5日光温室番茄结果期环境控制试验数据Tab.5 Environmental control test data of tomato in solar greenhouse during fruit bearing period处理测定时间系统反馈棚内湿度/%棚内温度/C 土壤湿度/%土壤温度/C 土壤 EC 值/（mscm1）光照强度/Lux土壤 pH 值试验2021-02-01T13:40反馈前74.421.358.521.81.24228 8416.82021-02-01T14:10反馈后67.926.583.420.11.50444 7036.82021-03-01T13:40反馈前75.620.652.322.21.33029 4056.92021-03-01T14:10反馈后63.127.881.221.31.69149 0586.92021-03-31T13:40反馈前73.122.160.123.51.43627 1276.72021-03-31T14:10反馈后69.825.480.320.81.84544 3796.7CK60702528809020221.52.030 00050 00067 50 农业工程信息与电气化 4结束语农业物联网技术在设施蔬菜生产上的应用，实质上是对现代农业发展进程的全新探索与实践。在物联网平台控制系统情况下，对日光温室番茄生长各个时期进行试验测试、模式对比和适用性分析。结果表明，物联网系统平台实时采集日光温室番茄的棚内湿度、棚内温度、土壤湿度、土壤温度、光照强度、土壤 EC值和土壤 pH 值等数据，当采集到的数据超过日光温室番茄的适宜生长条件合理区间的最大值或低于最小值时，物联网系统平台均给予反馈提示，并启动自动控制措施，自动控制温室卷帘机、卷膜机、水肥一体化和加温补光等设备，进行智能化、自动化科学管理，从而使设施农业生产逐渐走向信息化、智能化、科学化，快速转化劳动生产率，提高农民效益。因此，应用物联网平台控制系统，依据系统的数据采集和反馈提示，对日光温室的灌溉施肥、卷膜、卷帘等自动控制的智能化技术模式，在日光温室蔬菜生产中应予以大力推广应用。参考文献 曹亮，孙聪，史志明，等基于物联网的农业设施群环境监控系统J农机化研究，2019，41（11）：225-228CAO Liang，SUN Cong，SHI Zhiming，et alAgricultural facilitiesgroup environmental monitoring system based on internet of thingsJJournal of Agricultural Mechanization Research，2019，41（11）：225-2281 刘青，李兰兰，张德树，等基于物联网技术的智慧农业大棚监测系统研究J安徽科技学院学报，2021，35（4）：19-25LIU Qing，LI Lanlan，ZHANG Deshu，et alIntelligent agricultural2greenhouse monitoring system based on internet of things technologyJJournal of Anhui Science and Technology University，2021，35（4）：19-25 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management system for facility vegetable based on in-ternet of thingsJJournal of Henan Agricultural Sciences，2015，44（2）：156-1608 梁文彬浅谈物联网在设施蔬菜生产上的应用J中国农业信息，2016（19）：6-79 王勇，段玉聪，姜懿芮，等设施蔬菜生产大数据挖掘及应用J中国瓜菜，2017，30（1）：42-45，4910 表 6日光温室智能化模式与传统人工模式控制方式对比Tab.6 Comparison of intelligent mode and traditional manual mode of solar greenhouse对比项目传统人工模式用时/h智能化模式用时/h智能化模式与传统人工模式效率提高/%智能化模式优势放帘（5 个棚）0.670.4237.35 个棚可以同时动作，自动停止收帘（5 个棚）0.670.4237.35 个棚可以同时动作，自动停止放膜（5 个棚）0.170.0382.45 个棚可以同时动作，自动停止收膜（5 个棚）0.170.0382.45 个棚可以同时动作，自动停止灌溉施肥（5 个棚）2.001.0050.05 个棚可以同时动作，自动停止 褚春年：基于物联网的日光温室番茄生产控制技术试验 51