摘要：本文通过研究分析目前我国设施农业生产中物联网应用的可行性和必要性，基于物联网技术的架构和特点，从实用角度对智慧温室的应用进行了分析，并以实际项目为背景开发实现了一套智慧温室系统，通过实例，对基于物联网技术的智慧温室系统在设施农业生产中的适用性进行了验证。
关键词：物联网；智慧农业；智慧温室；应用；实现
一 引言
在我国，随着通信技术的迅猛发展，经过连续多年在基础通信设施上的投资和建设，“物联网”这一前沿技术正日益走近我们的生活，“智慧城市”，“智慧交通”“智能家居”等，无一不是“物联网”技术落地应用的体现。在这其中，也包含着国家和政府所大力倡导的，以“智慧农业”为代表的有关国家战略的基础产业创新化发展项目，而“智慧温室”正是智慧农业的核心内容。
二 浙江省温室种植现状分析
2.1 温室种植发展迅猛，市场前景广阔
浙江省的种植业自20世纪90年代以来，结构发生大幅度调整，设施农业快速发展，2001年全省设施农业面积仅为4.65万hm2，至2016年，全省设施农业面积突破30万hm2，15年增长率达545%。在这其中，以联栋大棚、硬顶温室为代表的温室结构也呈现由低档向高档型、智能型发展趋势，相应的配套设施如微喷滴灌、视频监控、水帘风机等也日益普及。并且应用作物范围扩大到花卉、蔬果、药材、菌菇等多种经济作物上。由此产生的温室经济发展迅猛。
2.2 通信基础建设扎实，物联网应用技术成熟
随着国家信息化进程的推进，浙江省内各家通信运营商已经建设起了一套覆盖全省，由光通信传输网、移动无线网等组成的高品质信息通信网络，足以支撑各类行业信息化应用的需求。同时，由于RFID应用技术的不断提升，用以支撑温室种植所需的环境管理、气候调节等功能的服务技术手段业已成熟。
2.3 降本增效需求迫切，智能化管理落地环境优越
近几年来，由于国内外经济环境的变化导致能源价格一路走高，同时国家城市化进程的不断推进，也导致国内农业劳动力人口不断减少，使得以劳动密集型及高额能源消耗为特征的设施农业生产成本迅速提升。而智慧温室系统的自动化管理和精细化消耗所带来的降本增效优势明显，并且智能化设备、软件前期开发投资成本也不再高不可攀，已经越来越被广大种植业经营户所接受，将其应用于生产经营中的需求也越来越迫切。
三 基于物联网技术的智慧温室系统概述
3.1 物联网简介
物联网是新一代信息技术的重要组成部分，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络。通过射频识别（RFID）、红外感应、GPS系统、激光扫描等信息传感设备，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，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。涉及自动识别、网络通信、先进传感器和智能芯片等诸多技术。
3.2物联网技术在温室种植中的应用分析
在农业生产中，早期的物联网应用是将大量的传感器节点构成感知系统，传感器采集环境信息，并向各类终端设备推送告警信息。这类应用实则是一个监控系统，系统只承担着简单地收集信息——推送告警的任务，并没有实现真正“物联”和智能化操作。而基于物联网技术的智慧温室，则是利用物联网系统的温湿度传感器、水质分析传感器、光传感器、CO2传感器等设备，检测环境中的温度、相对湿度、PH值、光照强度、土壤无机盐含量、CO2浓度等物理量参数，利用应用层软件预先设定的联动程序将采集到的信息作为自动控制的参变量实现智能控制。实现各种设备联动，有效保证温室内的作物有一个良好的、适宜的生长环境。并且系统还可以自动测量获得作物生长的最佳条件，为温室精准调控提供实证依据，达到节能、减排、增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益等目的。
日前，笔者与杭州市嫁禾秀实农业科技有限公司合作，开发了一套基于物联网技术的智慧温室系统，用于蝴蝶兰的种植，应用效果良好。现介绍如下：
四 基于物联网技术的智慧温室系统的应用和实现
4.1 系统框架设计
该公司蝴蝶兰种植园区共有12联栋标准温室1套，占地面积约5000平米。温室内基本设置齐全，喷淋系统、加温系统、内外遮阳幕系统、水帘风机系统等均使用电控，且运行良好。本套智慧温室系统以此为基础进行搭建。
该智慧温室系统需要实现温室中空气、土壤、水质等环境的实时监测以及记录联动设备运行情况、人员出入情况和花卉生长状态的全天候实时监控，并可依据监测信息自动控制内部设备进行联动，实施环境调节、灌溉等生产动作以及告警、警情推送等安防动作。并且由于该园区与最近的有线宽带接入口距离较远，还需要通过附近的无线基站采用4G网络无线接入的模式实现温室群的监测与管理。
在逻辑层面上，该智慧温室系统分为三个层面：感知层、网络层和应用层。
（1）感知层，由各种传感器以及传感器网关（智能设备伺服器）构成，包括CO2传感器、土壤EC值传感器、温湿度传感器、摄像头、门禁、红外探测器、光照传感器等感知终端。主要功能是为应用层提供现场信息和控制参数，本系统中感知层采用LifeSmart的环境探测系列产品进行搭建。
（2）网络层，用以将前段感知层收集到的数据汇总后传导至后端应用层。其中设备间的联动控制主要由智能设备伺服器为网关搭建的内部传感网构成，以射频信号作为信息传输载体，汇总后的数据由伺服器经路由器上传至互联网。路由器采用CPE（LTE无线路由器），以无线连接的形式连接附件无线基站的4G网络接入互联网。如图4-1：
图4-1 网络层拓扑图
（3）应用层，对由网络层传导来的信息数据进行处理和存储，根据前端的变量参数，通过系统预设的阀值生成各种控制指令启动温室内的终端执行设备（网络插座、网络开关以及可远程控制的摄像头等），并可提供人控、时控、程控以及智能控制等多种控制方式。本系统应用软件包含控制终端、本地数据库和第三方云数据库。
这三个层次采用相应的接口和协议来进行连接和运行。下层为上层提供数据和支撑，上层对下层的数据进行处理和应用。在实际应用中，上层可以对下层数据进行调用和控制，从而帮助管理人员或智能系统进行决策，更好地对温室内的环境进行管理。如图4-2：
图4-2 系统分层结构图
4.2系统组成
整个系统主要由环境感知子系统、视频实时监控子系统、无线宽带传输网络子系统、数据控制中心、终端指令执行系统五大系统构成。
（1）环境感知子系统，包含温度、湿度、光照、CO2浓度探测、土壤及水质探测、水浸等六大模块组成，主要用于对温室内的种植环境因素进行记录和收集，为系统提供控制参数。
（2）视频实时监控子系统，包含无线网络摄像头、门禁感应、红外探测等，主要对温室内的实时动态、人员进出、设备运行等进行视频记录和告警推送。
（3）无性宽带传输网络，包含温室内由伺服器为核心的射频信号传感网及以CPE路由器为总线的无线宽带网络。
（4）数据控制中心，具备远程控制能力，可以进行数据存储、数据分析、阀值设置、感知设备参数设置，终端执行设备手动控制、智能控制等操作。支持手机和家用电脑两种平台。
（5）终端指令执行系统，主要由温室内既有设施，如喷淋系统、加温系统、内外遮阳幕系统、水帘风机系统等构成，设施通过加装网络插座、网络开关，成为可执行系统操作指令的终端设备。
4.3 系统分析
表4-1 感知设备与执行设备联动表
表4-2 执行设备联动表
本系统环境感知子系统利用了在售成熟产品，在以伺服器为网管的内部射频网络中通过统一的传输协议协调控制，并由伺服器的转换，将射频信号转化为电子信号传达至CPE路由器上传至互联网。这种传输模式主要优势在于：
（1）内外网间信息传输方式不同可以避免因网络协议、信号强弱等原因造成的网络冲突。提高了系统的可靠性。
（2）内网的射频传输方式对环境依赖程度较低，不易受物体遮挡、电磁干扰、湿度变化等因素的干扰，在环境变量较为复杂、遮挡物较多的温室中抗干扰能力强。
系统执行终端采取普通设备加装网络插座的模式，达到了低成本将普通设备升级为网络智能设备的目的，降低了智慧温室的搭建门槛，节省了项目投资。同时感应系统和执行系统间、执行系统间和执行系统间均可以实现全面的联动，进一步提高了智慧温室的智能程度。如表4-1，表4-2所示：
4.4 系统功能
本系统主要实现的功能包括：
（1）实时监测功能，通过传感设备感知环境温湿度、土壤含水量、土质水质、光照强度等数据；将数据通过移动通讯网络传输给服务管理平台，服务服管理平台对数据进行分析处理。
（2）远程控制功能，用户可通过手机或电脑登录系统，控制温室内的水阀、排风机、卷帘机的开关；也可设定好控制逻辑，系统会根据内外情况自动开启或关闭相应机电设备。
（3）查询功能，可以远程实时查询温室（大棚）内的各项环境参数、历史温湿度曲线、历史机电设备操作记录、历史照片等信息。
（4）警告功能，预先设定适合条件的上限值和下限值，当某个数据超出限值时，系统立即将警告信息推送给操作平台，提示用户及时采取措施。
（5）扩展功能，在伺服器射频信号范围内，可以在线状态任意添加感知设备及执行设备，不需要调整系统结构，也不会影响系统运行，可扩展性较强。
五 总结
随着国家对物联网行业的政策倾斜和企业的大力投入，基于物联网的智慧农业生产也正以前所未有的速度高速发展。在国家大力倡导行业创新、互联网+产业的政策导向下，智慧温室这一课题，正是一种顺应国家战略发展的新型产业思路，本文中对智慧温室的应用和实现过程充分证明了智慧温室系统在农业、园艺生产中的科学性和实用性，同时也以管窥之态证明了物联网技术对于基础产业的推动作用。
参考文献：
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[3].阮晓东．智慧农业新思维[J]．新经济导刊，2013（10）：56-63
论文作者:张晏铭
论文发表刊物:《基层建设》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/20
标签：温室论文; 系统论文; 智慧论文; 设备论文; 伺服器论文; 环境论文; 网络论文; 《基层建设》2017年第23期论文;