大学建立了蛋鸡健康养殖网络系统和水产养殖环境智能监控系统[6-8]。迄今，物联网技术应用在中国还处于初期阶段，尤其在设施农业方面还主要停留在监测与初步分析环节，主要包括监测设施内土壤温湿度、CO2浓度等环境状况，依据监测数据指导农事操作，而其中存在的共同问题就是虽然利用了传感器技术，但是采集到的数据主要还是一种展示或统计分析，没有与相关控制设备进行联动，没有真正意义实现科学决策和智能控制[3]。
近年来，天津市设施种植业发展迅速，节能日光温室面积已近2万hm2，随着温室的升级改造，日光温室所占比例逐步增大[9]。日光温室是目前天津市冬春蔬菜生产的最重要设施之一。由于效益高、见效快，黄瓜生产面积迅速增加，目前已约占日光温室总面积的1/3。黄瓜是需水量较大的蔬菜，因此，科学的水分管理是决定产量的关键。目前，日光温室黄瓜的栽培基本还是沿袭以往的经验做法进行灌溉，不能对水分进行科学合理的利用与管理，不仅浪费水资源，而且还会导致日光温室保护地病、虫害发生和产量下降等问题[10]。物联网技术的应用可有效解决以上的黄瓜生产难题，利用土壤水分传感器可实时监测黄瓜栽培土壤的湿度现状以及动态变化情况，为黄瓜节水高产栽培及日光温室智能化管理提供参数及控制依据，进而实现节水灌溉自动化管理。
1 系统组成
基于物联网技术的日光温室黄瓜智能灌溉控制系统由环境信息采集系统、采集控制系统、视频监控、执行单元和监控中心5个部分组成（图1）。
1.1 环境信息采集系统
环境信息采集系统负责各类传感器数据的采集控制（图2），主要土壤含水量传感器、土壤温度传感器、空气温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、光照强度传感器及安装附件组成。环境信息采集系统所采集到的环境信息通过无线方式直接与采集控制器通讯，存储并显示。
1.2 采集控制系统
采集控制系统主要由核心控制器和相应的继电器控制电路组成。采集控制器是一款具有12路继电器输出、8路模拟量输入和8路开关量输入，具有良好的扩展性能。它可作为控制终端直接连接传感器、继电器以及电磁阀，实现对现场数据的采集以及对调控设备的手动或自动控制。
功能特点：扩展RS485总线接口，可组成以控制器为中心的多级控制系统；支持远程控制和参数设置功能，包括短信、GPRS网络和无线电台三种数据转发功能，可作为二级网络的现场控制设备与中央计算机通信；控制灌溉时，可设置轮灌组，每个组可按时间或者传感器上下限启动；按时间启动具有每天、单号、双号、星期、自由5种启动方式，每个轮灌组可设置7个启动时间，并可选择定时和周期两种启动方式；按传感器启动可设置启停的上下限。
技术参数：12路继电器输出；8路电流/电压量输入；8路开关量输入；2路RS485接口；2路232接口；支持20个轮灌组。
采集控制器通过串口服务器将485协议转换为网络协议，然后再通过交换机与无线网桥连接，最终将采集端监测的环境数据通过无线传输方式传回到监控中心。
1.3 视频监控系统
视频监控系统负责采集温室生产关键环节、植物生长状态的视频信息以及日光温室内的安全，所有图像信息通过无线网桥传输，实现到主控机房的汇总、统一控制管理，并且能够实现图像信息的远程访问；系统的应用有助于管理人员及时跟踪作物的生长情况，对作物生长的关键环节进行追踪，及时发现并记录作物的各种不良反应，为作物远程病虫害诊断及环境信息采集控制系统提供有效的数据支持。
1.4 执行单元
执行单元由滴灌系统和电磁阀组成，负责接收监控中心发来的指令，通过继电器可以控制温室内电磁阀，实现远程自动化灌溉。滴灌系统包括水源、首部枢纽、输水管网（干管、支管、毛管、管件及阀门）。首部枢纽由过滤器、压力表、控制阀、流量表等组成。输水管网：由主管、支管组成，主管与支管垂直，主管多埋在地下，支管多铺设在地面。滴灌管：按照做好的畦垄铺设滴灌管，滴灌管孔距与株距相同，为30～35 cm，铺好滴灌管后，覆盖地膜。
1.5 监控中心
监控中心由服务器、操作台、视频服务器及物联网监控软件等组成。物联网监控软件，包括日光温室环境信息监测软件及视频监控软件，部署在监控中心服务器上，可以汇总、分析采集得到的上述信息，实现对某项参数预警报警值的设置，当监测到的参数值超过设定的报警值时，系统会用不同的颜色标注出来，以提醒管理人员进行相应操作，并可以通过互联网对外发布。软件采用组态软件开发，人机界面友好，操作简单，可远程对现场设备进行系统配置、功能配置，并可实时数据列表显示、实时数据曲线显示、历史数据下载、历史数据列表显示、历史数据曲线显示、历史数据分析等功能。
系统具备远程数据发布功能（需要现场网络条件），用户只需录入指定网址，通过电脑以及手机输入密码直接登录，即可了解现场实时数据，并掌握整个系统的运行情况（图3）。
2 系统功能实现
项目合作单位天津市农业资源与环境研究所，前期已经开展了多年的日光温室黄瓜不同水分处理试验研究，在节水灌溉方面积累了丰富的经验，基本摸清了日光温室黄瓜各个生长期（幼苗期、结果初期、结果盛期、结果后期）需水规律，提出了实现黄瓜高产高效的土壤水分管理对策。（1）幼苗期：这一时期不宜湿度过大，易造成幼苗徒长，当土壤含水量小于田间持水量的60%时，每667 m2灌水6 m3；（2）结果初期：随着植株的生长需水量有所增加，当土壤含水量小于田间持水量的80%时，每667 m2灌水9 m3；（3）结果盛期：这一时期是黄瓜需水量最大的时期，当土壤含水量小于田间持水量的90%时，每667 m2灌水12 m3；（4）结果后期：这一时期黄瓜需水量较结果盛期有所下降，当土壤含水量小于田间持水量的80%时，每667 m2灌水9 m3。
以上研究成果为本系统的智能灌溉控制提供参数。远程监控中心由计算机和日光温室黄瓜物联网智能灌溉控制系统软件组成。计算机接收采集控制器发送的土壤含水量信息，与智能灌溉控制系统数据库进行分析、比对，从而形成灌溉策略，然后由监控中心计算机将灌溉命令下发到采集控制器，由采集控制器直接控制电磁阀进行滴灌作业。
3 结 论
目前，该系统在天津市现代农业创新基地天津市设施农业研究所11号日光温室内安装使用，通过应用取得三方面效果。（1）提高了日光温室黄瓜精细化管理水平。自系统安装以来每天24 h不间断采集日光温室环境参数与视频信息，并实现数据安全存储与共享，通过对监测数据的查询与分析、灌溉智能控制，对温室黄瓜灌溉与施肥决策等实现精确管理，每棚每茬口节省1个种植管理人工。（2）实现了黄瓜灌溉智能控制，提高了节水灌溉精度。以前都是通过研究灌溉制度的经验浇水，做试验时采用张力计，需要科研人员每天去棚里监测，看到张力计达到（灌溉设定的阈值）一定读数后，开始灌水，精度差。例如，做3个处理：土壤含水量分别达到田间持水量70%，80%和90%时开始灌水。采用张力计，往往灌水的时间点不是准确的定位在田持的70%，而是67%或73%之类，影响试验效果，耗费科研人员的时间和精力。现在通过水分传感器可以实时掌握土壤水分状况，通过提前设定好的程序，开闭电磁阀可实现精准灌溉，经测算本系统的应用在保证黄瓜产量水平和品质不降低的情况下，较常规滴灌系统节水15%～20%。（3）省时省力。以前科研人员管理1个日光温室3个不同灌水量滴灌试验，进行1次灌溉管理，需要依次开关小旁通阀90个，灌水时需要有专人盯着水表读数，浇1次水至少需要1个科研人员3 h的时间。而应用物联网技术后，仅需几分钟就能完成灌溉控制，大大降低了劳动强度，提高了劳动生产率。
参考文献：
[1] 刘强，崔莉，陈海明.物联网关键技术与应用[J].计算机科学，2010，37（6）：1-5.
[2] 赵湘宁. 农业物联网中关键技术研究进展[J].台湾农业探索，2011（6）：103-107.
[3] 阎晓军，王维瑞，梁建平. 北京市设施农业物联网应用模式构建[J].农业工程学报，2012，28（4）：149-154.
[4] 周小波. 基于物联网技术的设施农业在线测控系统设[J].太原科技大学学报，2011，32（3）：182-185.
[5] 刘志良. 物联网技术在农业园区的应用[J]. 农机科技推广，2012（2）：48-49.
[6] 农业部市场与经济信息司.国内外农业物联网发展现状[EB/OL]. （2011-10-13）.http：///sjzz/scs/gzjb/20111013_2356045.htm.
[7] 唐珂. 国外农业物联网技术发展及对我国的启示[J].中国科学院院刊，2013（6）：700-707.
[8] 张民，陈鹏. 中国农业物联网：现状、挑战及思考[J].中国科技投资，2012（9）：38-41.
[9] 黎贞发，李春，李宁，等. 天津市日光温室低温灾害特点及防御对策[J].中国蔬菜，2013（17）：6-9.
[10] 何华，杜社妮，梁银丽，等. 土壤水分条件对温室黄瓜需水规律和水分利用的影响[J].西北植物学报，2003，23（8）：1 372-1 376.
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