物联网技术在蔬菜温室大棚生产中的应用

引言

物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的又一次信息革命浪潮，被正式列为国家重点发展的战略性新兴产业之一。将物联网技术运用于农业生产领域，加快转变农业发展方式,提高农业的种植和管理效率，促使传统农业的转型升级，具有重要的意义。农业物联网技术的应用既是现代农业发展的需要，也是未来农业发展水平的一个重要标志，更是未来农业发展的方向。然而，由于物联网技术使用成本较高，普遍应用于农业生产尚有一个过程，因此，探索物联网技术在设施农业，尤其是温室大棚中的应用符合当前农业规模化、产业化、信息化的发展道路。本文拟通过对物联网技术和农业物联网应用关键技术的分析，探索物联网技术在蔬菜温室大棚的具体应用。

1物联网技术

1.1物联网的概念

物联网(TheInternetofThings)概念最早由美国Auto-ID研究中心的Ashton教授在物品编码、RFID技术和互联网的基础上于1999年提出，其实质是RFID技术和互联网的结合应用。后来，随着网络技术、通信技术、人工智能技术的发展，物联网的定义和范围已经发生了变化，不再只是指基于RFID技术为基础的物联网。2005年，国际电信联盟(ITU)在《ITU互联网报告2005:物联网》中，对物联网概念进行了扩展，认为物联网除应用RFID技术外，传感器技术、模糊识别技术、智能终端技术等将得到更加广泛的应用，人类在信息与通信世界里将获得新的沟通维度，从而形成一个“泛在”的网络环境,实现由互联网时代人与人之间的通信连接扩展到人与物、物与物之间的沟通连接。

目前，国际上通用的对物联网概念定义为，信息传感设备,如RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念［七作为中国物联网/M2M产业的先行者和倡导者之一，同方股份有限公司首席软件专家周洪波，将云计算技术和中间件技术引入物联网，提出了中国物联网的概念。即：物联网是基于云计算的SaaS营运等模式，它将无处不在的末端设备和设施，通过长距离或短距离通信网络实现互联互通(M2M)和应用大集成，提供实时在线监测、实时定位、远程控制、远程诊断、报警联动、安全防范、统计报表、决策支持等管理和服务功能，实现对任何物品的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化的TaaS服务。

由于科学技术的日新月异，物联网的内涵将不断丰富和完善，但不论物联网的定义如何表述，其实现物物相联的三个要素应包括，一是信息传感设备，二是通信与网络设备，三是智能处理设备。物联网就是这三种设备的集合，表现为智能感知、识别技术与云计算、泛在网络的融合应用。这种网络应用是现代信息技术发展到一定阶段后出现的各种技术集成和聚合性应用，包括将各种感知技术、网络技术和人工智能与自动化技术的聚合与集成应用，通过物与物的相连来实现人与物之间的智慧对话，从而创造一个智慧的世界。

1.2物联网的特征

物联网的本质特征主要体现在三个方面：①物联网的核心是互联网功能的延伸和扩展。其延伸和扩展的表现在于它不仅仅通过互联网实现人与人的信息交换，而且能够实现人与人、人与物、物与物之间的互联互通，使得互联网的功能进一步强大。如果说互联网是通过网络技术、通信技术实现人与人信息的交换，那么，物联网则是在互联网的基础上，通过信息传感技术、智能数据处理技术实现物与物的信息交换和通信，以及人与物之间的相融和互动，对人的规范性回复进行识别,做出方案性的选择。②物联网具有通信与自动识别的特征。其用户应用端延伸和扩展到了任何物品与物品之间进行信息交换和通信，即纳入物联网的“物”一定要具备自动识别与物物通信（M2M）的功能，才能实现对物体的感知。③物联网具有智能化特征。物联网利用云计算、人工智能、模式识别等各种智能技术，从传感器获得的海量信息中进行分析、加工和处理出有意义的数据，通过对物的识别、定位、跟踪、监控来实现人对物的管理。所以，物联网被视为互联网的应用拓展，应用创新是物联网发展的核心，以用户体验为核心的创新是物联网发展的灵魂。

1.3物联网的技术架构

物联网运用的技术在不断发展，但物联网的技术体系、结构基本已得到一致的认识。根据物联网的技术体系架构，可将物联网分为信息感知层、信息网络层和信息应用层等3个层次。

物联网技术架构达到的目标，包含三个方面：一是实现全面感知。即利用RFID、传感器、二维码、网关、摄像头和实时定位系统等随时随地获取物体的信息。二是实现可靠传输。通过各种通信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递到数据中心。三是实现智能处理。利用云计算技术、模糊识别技术等各种智能计算技术，对数据中心的海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。表1所列是物联网的技术架构表。

表1物联网技术架构表

农业物联网就是物联网技术在农业生产、经营、管理和服务中的具体应用。按照物联网技术架构，农业物联网仍然通过“感知一传输一应用”的途径来实现在农业的应用。“感知”就是运用各类传感器，如温度传感器、湿度传感器、光传感器、PH值传感器、CO2传感器等设备，广泛地采集大田种植、设施园艺、畜禽水产养殖和农产品物流等环境中的温度、相对湿度、PH值、光照强度、土壤养分、CO2浓度等物理量参数信息;“传输”就是建立数据传输和格式转换方法，通过局部的无线网络、互联网、移动通信网等各种通信网络交互传递，实现农业信息的有效传输；“应用”就是将获取的海量农业信息进行融合、处理，使技术人员对多个大棚的环境进行监测控制和智能管理，保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境，达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的，进而实现农业生产集约、高产、优质、高效、生态和安全的目标。

2.2农业物联网关键技术

按照物联网的技术架构，综合已有的技术研究，农业物联网关键技术主要包含农业信息感知技术、农业信息传输技术和农业信息处理技术叫表2所列是农业物联网关键技术一览表。

2.3物联网技术在农业生产中的有效应用

虽然农业物联网技术逐渐成熟，在农业发展应用中具有广阔的前景，但是，物联网技术应用成本较高，对于低利润、低效益的农业来说，显然存在市场推广困难的问题，所以,物联网技术比较普遍的还是在设施农业上应用。

设施农业具有高投入高产出，资金、技术、劳动力密集型的特点。它利用人工建造的农业专用设施，使传统农业逐步摆脱自然的束缚制约，走向现代农业的规模化、工厂化，推动农业生产的生态、环保、安全，同时通过反季节新鲜农产品上市销售，打破传统农业的季节性限制，提高农产品经济效益，满足市场多元化、多层次的消费需求。其主要的设施包括玻璃或PC板连栋温室（塑料连栋温室）、外遮阳连栋温室、塑料大棚、日光温室、小拱棚（遮阳棚）等，用于蔬菜、水果、花卉种植以及养殖业。其中，塑料大棚是我国南北方农业生产普遍采用的温室形式，塑料大棚的结构分为竹木结构、全竹结构、钢竹混合结构、钢管装配结构、钢管（焊接）结构以及水泥结构等。由于塑料大棚成本相对日光温室较低,通风透光效果好，使用年限较长，农民专业合作社及农户易于接受。

因此，在塑料大棚推广应用物联网技术，能够改变自然环境，为农作物生产提供相对可控制甚至最适宜的温度、湿度、光照、水肥等环境条件，从而在一定程度上摆脱对自然环境的依赖，进行有效的生产管理，是当前最具活力的现代新农业。

3物联网技术在蔬菜温室大棚的应用

温室大棚主要用于不适合蔬菜生长的季节，模拟蔬菜生长的自然条件，提供蔬菜适合生长的环境，而这个环境的实现不能凭感觉，需要引入物联网技术解决蔬菜生长环境的可控性，达到提高蔬菜生产效益的目的。

3.1蔬菜温室大棚控制系统构建

一个完整的蔬菜温室大棚自动控制系统包括数据采集、数据传输、数据分析和生产操作系统等部分，每个部分在蔬菜生产中具有不同的功能，这些功能组合起来完成蔬菜生产的全过程。图1所示是基于物联网技术的蔬菜温室大棚的自动化结构图。

蔬菜温室大棚物联网自动控制系统主要包括以下几个分系统：

3.1.1数据采集系统

数据采集系统由无线发射模块、太阳能电池板、支架、蓄电池等组成；现场的监测元件包括温度监测、湿度监测、CO2浓度等监测元件。数据采集系统主要负责温室大棚内部的光照、温度、湿度和土壤含水量以及视频等数据的采集和控制。

3..1.2数据传输系统

数据传输系统由数据采集传感器，包括温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器、光合有效辐射传感器、土壤温湿度传感器、CO2传感器、风向传感器等组成。传输方式：外部网络以基于IP网络技术和GPRS通信网络为基础进行传输；内部网络则采用短距离、低功率的ZigBee无线通信技术。基于ZigBee的无线传输模式中，传感器采集的数据通过ZigBee发送模块传送到中心节点上，同时，用户终端和一体化控制器间传送的控制指令也传送到中心节点上，中心节点再经过边缘网关将传感器数据、控制指令发送到上位机的业务平台。技术人员可以通过有线网络/无线网络访问上位机系统业务平台，实时监测大棚现场的传感器参数，控制大棚现场的相关设备叫

3.1.3数据分析系统

数据分析及显示部分包括电脑、软件、无线接收模块、报警系统，依据不同的环境、作物、生长期，实施不同的控制方案。

3.1.4生产操作系统

该分系统包括的灌溉控制系统可进行滴浇灌和微喷雾系统的控制，实现远程自动灌溉；土壤环境监测系统则利用土壤水分传感器、土壤湿度传感器等来实时获取土壤水分、湿度等数据，为灌溉控制系统和温湿度控制系统提供环境信息；温湿度监控系统可利用高精度传感器来采集农作物的生长环境信息，设定环境指标参数，当环境指标超出参数范围时,可自动启动风机降温系统、水暖加温系统、空气内循环系统等,以进行环境温湿度的调节间。

3.2蔬菜温室大棚控制系统的主要功能

利用物联网技术建设的蔬菜温室大棚，主要的功能就是搭建温室大棚来控制蔬菜的生长环境，使蔬菜获得最佳的生长环境，增加产量，以实现跨季节的蔬菜培育。

按照物联网技术的功能要求，蔬菜温室大棚控制系统的主要功能［8］有：

监测和告警功能。对温室大棚实时监测和告警是基于物联网的蔬菜温室大棚的基本功能。使用无线传感器可以实时采集大棚内的环境因子，包括空气温度、空气湿度、土壤水分、土壤温度、光照强度等数据信息及视频图像信息，再通过GPRS网络传输到数据中心，为数据统计分析提供依据。对不适合作物生长的环境条件自动告警。

病虫害预警功能。监测影响大棚内病虫害发生的关键因子，建立蔬菜温室大棚病虫害发生模型，利用智能算法,实现对病虫害预测预报，并进行有针对性的防治指导。

植物成熟状况预报功能。根据农作物生长积温模型预测植物各个生长期发育成熟程度、可收获程度。

远程设施控制功能。通过网站，远程控制蔬菜温室大棚的设施，可以对加热器、卷膜机、通风机、滴灌等设备远程控制，实现农业设施的远程手动或自动控制，从而改变大棚内部的蔬菜生长环境。

远程生产指导功能。根据农作物生长模型库，对蔬菜温室大棚实时环境监测数据对比分析，高于作物生长的上限或低于作物生长下限，系统自动告警。

远程生产活动跟踪功能根据现场活动监测终端的报告，跟踪蔬菜生产生产活动完成的情况。

3.3蔬菜温室大棚在蔬菜生产各个阶段的应用

按照不同蔬菜品种的生长特性和规律，农业专家或技术人员应根据该品种蔬菜生长所需的条件,如温度、湿度、光照等,制定出与之适应的蔬菜种植方案，利用物联网技术来调节控制，提高蔬菜种植的效率和加强蔬菜种植的精细管理。

在蔬菜生产过程的各个阶段，主要要抓好以下工作:

在蔬菜种植准备阶段，技术人员利用在温室大棚分布的传感器来分析实时土壤信息，以便选择合适的蔬菜品种。

在育苗培育阶段，技术人员可以用物联网的技术手段采集温度、湿度的信息，进行高效的管理，从而应对环境的变化，保证蔬菜育苗在最佳环境中生长。如通过温度控制设备，对大棚进行升温和降温的调节。

在蔬菜生长环境上，可以利用物联网实时监测蔬菜生长的环境信息、养分信息和病虫害情况。利用相关传感器准确、实时地获取土壤水分、环境温湿度、光照情况，配合控制系统调理蔬菜生长环境，改善蔬菜生长的营养状态，及时发现蔬菜的病虫害爆发时期，维持其最佳生长环境条件。

(4)在蔬菜生产管理上，技术人员可利用蔬菜大棚生产操作系统，对各大棚蔬菜浇水、施肥、加温、卷帘进行自动或手动控制，可以降低人工成本，提高蔬菜种植的效益。

(5)在蔬菜的收获阶段，技术人员也同样可以利用物联网的信息，把采集到的蔬菜生长的各种信息进行汇总，反馈到前端，从而在蔬菜种植收获阶段进行更精准的测算，为蔬菜销售提供基础信息。

4结语

农业物联网技术的应用，能够解决农业生产中一系列在广域空间分布的信息获取、高效可靠的信息传输与互联、面向不同应用需求和不同应用环境的智能决策系统集成的科学技术问题，将成为实现传统农业向现代农业转变的助推器，成为推动我国农业向“高产、优质、高效、生态、安全”发展的重要驱动力。农业物联网的应用对于改变我国农业生产成本高、效率低、生产经营模式粗放、农产品附加值较低的传统农业现状，提升农业规模化、产业化、智能化水平，推动农业现代化的进程具有重要的意义和广阔的前景。虽然物联网技术昂贵的引进费用及维护服务难以跟进等严重制约着在农业的广泛应用，但是，随着技术的进步和产业的发展，必将推动物联网技术成本的逐渐降低，以实现物联网技术在农业上的广泛应用。因此，探索物联网在农业生产的应用具有重要的现实意义。

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