1.1 课题背景 我国的农业发展正处于传统农业向现代农业的转型时期,农业的研究和农 业技术的应用越来越受到重视 ,大力发展设施农业已经成为了现代农业发展最为重要的组成部分,利用大棚种植蔬菜也越来越普遍。 在设施农业还未开始发展的传统农业时期,只要到了蔬菜淡季,人们就只 能以储藏蔬菜或腌制蔬菜为主,很难吃到新鲜的蔬菜;随着我国引入设施农业 技术,蔬菜大棚种植业便迅速发展起来,2007 年全国蔬菜生产面积2250.20 公顷,总产值7278.16亿元,其中设施蔬菜面积292.19 万公顷,总产值3430.48 亿元,蔬菜生产对全国农民人均纯收入的贡献额约为 600 多元,转化城乡劳动 力1.7 亿人,其中直接从事蔬菜生产的农村劳动力达9000 多万人,在大棚进行 反季节蔬菜的栽培和大量的市场供应下,人们的传统饮食习惯得到了巨大的改 变,我国长期蔬菜短缺的局面也得到了扭转和有效的控制,更为农民增收做出 了重要贡献 大棚蔬菜的广泛种植为我国带来了巨大的经济效益和社会效益,但是却也丛生了一系列的负面效应,例如:农药农肥的过度使用导致土壤酸化;控肥控 水的不科学导致土壤盐渍化;二氧化碳积累过多却来不及排放,影响蔬菜生长, 导致收成减少。由此看来,大棚环境的监管和调控措施直接影响着大棚内的蔬 菜产出质量,而如果管理不科学不合理,不仅产出的蔬菜不能保证健康和环保, 也使土壤遭到了破坏。 近年来,为了提高生产效率,提高蔬菜质量,在大棚内进行软化栽培、促 进栽培、无土栽培的技术也逐渐普及,人们越来越需要对蔬菜大棚的环境进行 信息化、智能化的管理和调控,对大棚的自动化程度要求也越来越高,所以, 实现农业智能化、精准化是我国设施农业发展的目标和风向 1.2国内外研究现状 20 世纪下半叶,随着各国增加了在设施农业上的补贴和投入,国外的设施 农业得到了飞速发展,很快成为一种产业 。目前全球温室面积达60万公顷 荷兰拥有约10000 万公顷的玻璃温室,是世界上拥有玻璃温室最多且最先进的 国家 ,以色列的现代化温室能够根据农作物对环境的各种要求,使用计算机对温室内部环境进行自动监测和调控 。依靠成套的技术和完善的设备,许多发达国家的设施农业已经基本上实现了智能化发展,并且在生产方式和操作流 程上进行规范化管理,保证了农作物出产的质量和较为稳定的产量,向着高层 次的农业研究水平迈进。 与发达国家相比,我国的设施农业在结构上是由简单到复杂,在功能上由 。虽然我国的农业发展有着悠久的历史,到目前也形成了农业的多元化种植,但总的来说,在设施农业这个领域,我国 的基础较差、起步较晚,仍然与发达国家存在很大的差距,主要的问题体现在 我国设施农业基础研究薄弱,应用技术和设施设备不能实现配套,特别是在温 室配套品种和温室设施环境控制技术方面差距很大 ,以至于农产品的产量和质量一直处于较低的水平。 发达国家采用“高投入、高产出”的高科技路线来发展工厂化农业,而我 国由于技术基础薄弱、经济发展较为滞后等原因,使用低投入、低能耗的技术 体系,并且独创出日光温室 [10] ,温室结构十分简易,环境控制能力低,栽培管 理主要靠种植经验,根本无法满足数量化和指标化生产管理的要求,大多数对 农业种植环境参数的检测都采用人工管理,利用手持设备人工打点来获取种植 环境的信息,该方式不但需要耗费大量的人力,而且数据的获取量有限、精准 [11],更不具备实时性。因此,为了实现高效农业生产的科学化并提高农业 研究的准确性,必须大力发展农业设施与相应的农业工程,科学合理地调节大 棚内温度、湿度以及二氧化碳等的含量 [12] ,使大棚内形成有利于蔬菜生长的环 境,以促进我国的设施农业快速、健康地发展。 1.3 本课题研究的意义 在大棚蔬菜的培育过程中,存在着许多经济损失隐患,而绝大多数都源自 农作物的生长环境,包括大棚内空气、光照、土壤等。空气中的二氧化碳含量 通常在300PPM 左右,冬季取暖升温,若燃料燃烧不充分,就会产生有毒气体, 通风不及时会使二氧化碳积累过多,因此,在温室大棚内进行设施农业这种特 殊的生产方式,合理地控制二氧化碳的浓度是十分必要的 [13] 随着智能农业、精准农业的发展,智能感知芯片、移动嵌入式系统等物联网技术在获取精准的作物环境和作物信息方面的应用正逐步拓宽 [14] 。智能控制 相比人工控制的优势在于能够相对稳定的控制大棚内部的环境,对于环境要求 比较高的植物来说,更能避免由于人为因素所造成的生产损失:将智能化控制 系统应用到大棚蔬菜的培育以后,蔬菜的产量和质量比人工控制都有极大的提 高,对于档次较高的蔬菜来说,生产效率可以提高 30%以上;对于有一定规模 的种植企业来说,能够极大的降低劳动力成本,设备的投入与运行也可以完全 从节约下来的劳动力成本中核算出来,使用时间越长,光节约的劳动力成本就 是一笔巨大的利润 [15] 。所以,研究智能农业设施能在极大程度上推动我国现代 农业的发展。 本课题研究大棚智能化检测系统,通过传感器感知大棚的各项环境指标, 并进行数据分析,由终端设备对棚内的各项设施实施监控,从而有利于及时改 善大棚内部的生物生长环境。如实时监测大棚内空气温湿度、土壤温湿度和酸碱度、光照强度、二氧化碳浓度、培养液的酸碱度、导电率和温度等环境参数, 在信息管理层加上报警机制等,从而更加高效、及时的对温室灌溉、施肥、加热、降温、补光、保温、遮阳、加湿、除湿等作业进行综合控制,能够减少农 作物的病害率,使产出的蔬菜更加优质、更加环保,以提高我国大棚蔬菜种植 的经济效益和社会效益。 1.4 本课题的研究方法 本课题应用智能传感技术、Zigbee 无线网络通信、嵌入式等物联网技术, 搭建了从感知层到传输层,再到应用层的环境信息智能监测平台。本系统使用 传感设备模拟采集温度、湿度、光照强度、土壤PH 值等数据,通过Zigbee 线网络将采集到的数据发送至嵌入式web服务器,再由服务器与信息终端通信, 实现在计算机上实时查看数据。 本次设计将整个系统分为Zigbee 传感网络、嵌入式web 服务器、前端web 页面三大模块,每个模块在设计开发完成之后都先进行单独的功能测试,然后 根据通信机制进行整体的测试和联调,最后根据硬件环境在性能上进行调整和 提升。 需求分析2.1 需求概述 2.1.1 目标 完成数据的采集和传输,实现传输层与感知层和应用层之间的通信,以网 页的形式提供远程管理平台,实现实时监测功能。对于数据的获取要能够体现 准确化和精细化,以实现蔬菜大棚信息化、智能化管理,充分发挥物联网技术 在设施农业生产中的作用,使大棚内的环境适宜农作物生长,为大棚蔬菜的高 产出、高质量、高环保创造条件。 2.1.2 范围 本系统是基于物联网技术的应用,主要完成数据采集、数据收发、设备通 信三个关键功能。需要采集的数据包括光照强度、二氧化碳浓度、空气温湿度、 土壤温湿度、土壤PH 2.1.3用户特点 本次课题是针对蔬菜大棚管理的智能监测系统,目标用户为大棚环境管理 员,此类用户需要实时监测大棚环境信息,并且能够根据所监测到的信息及时 采取处理措施。所以系统需要满足管理员查看监测点的数据信息,当数据超出 正常范围时发出报警提示或者自动控制补光、排气、灌溉等措施,以帮助管理 员及时改善大棚环境。