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基于物联网的设施樱桃智能化控制技术探究褚春年 魏 礼 姚 雷 艾笑梅 陈妮萍 魏 凯西安市农机监理与推广总站,陕西 西安 7 1 0 0 6 5摘要:在设施果园引进物联网技术,通过系统平台获取连栋温室樱桃的环境信息,对照连栋温室樱桃适宜的生产条件要求,即棚内空气的温度、湿度、C O2浓度、光照强度和棚内土壤的温度、湿度、p H值、E C值等的最大值和最小值,在获取的实时数据超过对照条件的最大值或低于对照条件的最小值时,物联网将会通过系统平台或手机A P P进行信息反馈提示,实施自动灌溉、自动卷帘、自动卷膜、自动补光和自动加温等自动控制。通过运用物联网智能化控制技术,对连栋温室设施樱桃生长过程各个时期的试验测试,初步验证该项技术的可行性,建议在连栋温室水果生产中予以推广应用。关键词:物联网;设施樱桃;控制技术中图分类号:S 6 2 5.5+1 D O I:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-0 6 5 X.2 0 2 3.0 8.0 3 7基金项目:陕西省农业农村厅2 0 2 1年第二批省级农业专项资金项目“西安市设施果业智能化自动化技术试验示范项目”0 引言目前,设施果树栽培技术被广泛地运用到林果业中,在现代林果种植中意义重大。基于物联网技术的设施果树栽培技术的应用,在果树可以自由生长的情况下,给果树营造适合的生长环境,人为调整水果的成熟时间,从而有效提高水果产量和质量1。荷兰、以色列、美国等一些发达国家,已经依照种植作物的生长发育特点实现了对设施内温、光、水、气等多种环境因子的自动调控,但我国在设施樱桃栽培小气候环境自动调控研究和开发方面 还 处 于 探 索 阶 段。课 题 组 运 用 物 联 网 技术,对设施樱桃进行有针对性的智能化控制管理,通过手机A P P或智能管理平台及时调节连栋温室的卷被机、卷膜机、导流风机、水肥一体化和温室加热等系统设备,合理调节果树的生长环境,使果园生产管 理 由 经 验 式 向 精 准 化、智 能 化、自 动 化转变。1 材料与方法1.1 试验地点试验地点选取西安市东南郊白鹿原上的灞桥区绿庭现代农业园区。西安市灞桥区是全国樱桃种植区域中樱桃成熟最早的地区之一,也是全国樱桃种植优生区3。试验区连栋温室大棚宽度8 8 m,长度5 5 m,面积4 8 4 0 m2,棚内栽种是早熟甜樱桃品种:红灯和早大果。1.2 试验装备试验引进设备:户外智能气象站1套(棚外的空气温度、湿度、光照强度、风力、风向、雨量、显示屏等)、户外显示屏一套(显示棚内采集到的数据)、智能空气参数采集设备1 2套(显示棚内空气的温度、湿度、C O2浓度、光照强度等),智能土壤参数采集设备1 2套(棚内土壤的温度、湿度,p H值、E C值等),智能云控制柜1套(接收并处理采集收据,智能控制卷帘、卷膜、风机等)。1.3 试验方法(1)农机与农艺相互融合,总结李延菊等2、刘红霞等4、吴晓璇等5、吕廷良6、周艳花7的研究成果,提出连栋温室大棚设施樱桃栽培的环境要求,主要包括棚内空气的温度、湿度、C O2浓度、光照强度,棚内土壤的温度、湿度、p H值、E C值等,设定连栋温室大棚设施樱桃各个生长发育阶段适合的环境要求值范围(表1)。(2)利用物联网智能化管理平台,采集连栋温室大棚外的气象参数:空气温湿度、光照强度、C O2浓度、风力、风向、雨量等,采集连栋温室大棚内的各个参数:空气温湿度、光照强度、C O2浓度、土壤温湿度、E C值、p H值。(3)根据采集到的数据与环境要求值的范围进行对照,利用物联网智能化管理平台,通过电脑终端、手机A P P、控制箱等,控制卷膜机、内卷帘机、内遮阳保温帘电机、立帘电机、立卷膜机、环流风机以及水肥一体化系统设备,使设施内的各项环境数据保持在正常范围内。711基于物联网的设施樱桃智能化控制技术探究 褚春年 魏 礼 姚 雷等表1 连栋温室设施樱桃生长过程中适宜的生产条件设施樱桃生长阶段棚内温度()棚内湿度(%)土壤温度()土壤p H值土壤E C值(m S/c m)土壤相对湿度(%)光照强度(l x)C O2浓度(1 0-6)萌芽期1月1 6日至2月1 4日白天:1 21 6夜间:357 08 081 25.67.50.20.67 08 03 0 0 0 05 0 0 0 0-开花期2月1 5日至2月2 2日白天:1 61 8夜间:575 06 01 31 55.67.50.20.67 08 04 0 0 0 07 0 0 0 0 5 0 01 0 0 0幼果期2月2 3日至3月1 9日白天:1 82 2夜间:1 01 24 06 01 51 85.67.50.20.67 08 03 0 0 0 05 0 0 0 0 5 0 01 0 0 0着色至成熟期3月2 0日至4月2 5日白天:2 02 5夜间:1 01 53 05 01 62 05.67.50.20.66 07 03 0 0 0 05 0 0 0 0 5 0 01 0 0 0 备注:休眠期1 1月2 6日至次年1月1 5日,扣棚并加盖棉被,保持棚内空气温度在07.2,土壤温度不低于5,人工低温暗光处理,需冷量不低于1 0 0 0 h8。2 结果与分析2.1 萌芽期在连栋温室樱桃的萌芽期,测定其中3天的相同时段环境控制试验数据(表2),对照连栋温室樱桃萌芽期适宜的生长条件C K(表1),检查物联网平台反馈情况进行分析研究。通过测试看,在萌芽期棚内湿度高于7 0%8 0%的合理区间值最大值,棚内温度高于1 21 6的合理区间值最大值,土壤湿度低于7 0%8 0%的合理区间值最小值,光照强度低于3 0 0 0 05 0 0 0 0 l x的合理区间值最小值,土壤E C值低于0.20.6 m S/c m的合理区间值最小值,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,园区管理人员通过物联网系统平台,运用终端设备或手机A P P,采取相关措施进行智能化控制,使棚内各项数据 指 标 达 到 当 期 果 树 生 长 需 求 的 适 宜 环 境条件。表2 连栋温室樱桃萌芽期环境控制试验数据测定生育期试验测定时间系统反馈棚内湿度(%)棚内温度()土壤湿度(%)土壤温度()土壤E C值(m S/c m)光照强度(l x)土壤p H值C O2浓度(1 0-6)萌芽期T2 0 2 2-0 1-1 7 1 0:3 0反馈前8 8.12 3.53 7.79.80.0 8 71 9 7 5 26.86 4 12 0 2 2-0 1-1 7 1 1:1 0反馈后7 6.91 5.37 0.98.30.2 2 53 0 6 5 96.94 3 02 0 2 2-0 1-3 1 1 0:3 0反馈前9 2.32 4.85 4.91 0.80.2 0 12 1 2 5 26.96 1 72 0 2 2-0 1-3 1 1 1:1 0反馈后7 8.11 4.97 5.49.10.2 5 63 2 7 9 76.94 4 82 0 2 2-0 2-1 3 1 0:3 0反馈前8 3.41 6.56 4.01 0.90.2 1 52 3 1 0 96.88 5 02 0 2 2-0 2-1 3 1 1:1 0反馈后7 5.91 6.57 3.81 0.50.3 3 93 4 7 4 26.85 3 7C K7 08 01 21 67 08 081 20.20.63 0 0 0 05 0 0 0 0 5.67.5-2.2 开花期在连栋温室樱桃的开花期,测定其中3天的相同时段环境控制试验数据(表3),对照连栋温室樱桃开花期适宜的生长条件C K(表1),检查物联网平台反馈情况进行分析研究。通过测试看,在开花期棚内湿度高于5 0%6 0%的合理区间值最大值,棚内温度高于1 61 8的合理区间值最大值,光照强度低于4 0 0 0 07 0 0 0 0 l x的合理区间值最小值,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,园区管理人员通过物联网系统平台,运用终端设备或手机A P P,采取相关措施进行智能化控制,使棚内各项数据指标达到当期果树生长需求的适宜环境条件。811数字农业与智能农机 第8期2 0 2 3年8月表3 连栋温室樱桃开花期环境控制试验数据测定生育期 试验测定时间系统反馈棚内湿度(%)棚内温度()土壤湿度(%)土壤温度()土壤E C值(m S/c m)光照强度(l x)土壤p H值C O2浓度(1 0-6)开花期T2 0 2 2-0 2-1 5 1 0:1 0反馈前7 8.12 4.27 2.91 3.20.2 2 43 2 1 8 26.81 0 9 02 0 2 2-0 2-1 5 1 0:4 0反馈后4 2.01 7.37 3.11 3.10.3 3 34 2 7 4 66.98 1 82 0 2 2-0 2-1 9 1 0:1 0反馈前7 3.12 3.67 1.21 3.30.2 1 83 1 0 6 26.91 2 7 22 0 2 2-0 2-1 9 1 0:4 0反馈后6 0.01 7.17 1.31 3.20.3 2 84 2 4 9 46.98 7 12 0 2 2-0 2-2 1 1 0:1 0反馈前7 0.82 2.27 1.11 3.10.2 1 73 7 6 4 56.91 4 2 62 0 2 2-0 2-2 1 1 0:4 0反馈后3 0.61 6.97 0.21 3.40.2 2 34 9 6 6 16.99 1 6C K5 06 01 61 87 08 01 31 50.20.6 4 0 0 0 07 0 0 0 05.67.5 5 0 01 0 0 02.3 幼果期在连栋温室樱桃的幼果期,测定其中3天的相同时段环境控制试验数据(表4),对照连栋温室樱桃幼果期适宜的生长条件C K(表1),检查物联网平台反馈情况进行分析研究。通过测试看,在幼果期棚内湿度高于4 0%6 0%的合理区间值最大值,棚内温度高于1 82 0的合理区间值最大值,土壤E C值低于0.20.6 m S/m的合理区间值最小值,光照强度低于3 0 0 0 05 0 0 0 0 l x的合理区间值最小值,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,园区管理人员通过物联网系统平台,运用终端设备或手机A P P,采取相关措施进行智能化控制,使棚内各项数据指标达到当期果树生长需求的适宜环境条件。表4 连栋温室樱桃幼果期环境控制试验数据测定生育期试验测定时间系统反馈棚内湿度(%)棚内温度()土壤湿度(%)土壤温度()土壤E C值(m S/c m)光照强度(l x)土壤p H值C O2浓度(1 0-6)幼果期T2 0 2 2-0 3-0 2 9:4 0反馈前7 6.82 7.35 2.11 6.90.1 0 42 2 9 0 86.81 0 5 72 0 2 2-0 3-0 2 1 0:1 0反馈后5 8.62 0.67 2.71 5.30.2 2 53 0 6 5 96.98 4 12 0 2 2-0 3-0 9 9:4 0反馈前7 5.32 9.86 6.11 6.50.1 1 32 6 7 3 86.89 8 22 0 2 2-0 3-0 9 1 0:1 0反馈后5 9.22 2.17 6.21 6.30.2 3 73 8 3 7 16.77 3 42 0 2 2-0 3-1 5 9:4 0反馈前7 1.62 8.26 5.41 6.50.2 0 93 1 2 9 06.81 1 4 02 0 2 2-0 3-1 5 1 0:1 0反馈后5 5.82 0.47 4.11 6.10.3 5 03 8 7 2 86.78 7 1C K4 06 01 82 27 08 01 51 80.20.6 3 0 0 0 05 0 0 0 0 5.67.5 5 0 01 0 0 02.4 着色期至成熟期在连栋温室樱桃的着色期至成熟期,测定其中3天的相同时段环境控制试验数据(表5),对连栋温室樱桃着色期至成熟期适宜的生长条件(表1),检查物联网平台反馈情况进行分析研究。通过测试看,在着色期至成熟期内湿度高于3 0%5 0%的合理区间值最大值,棚内温度高于2 02 5的合理区 间 值 最 大 值,土 壤E C值 低 于0.20.6 m S/c m的合理区间值最小值,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,园区管理人员通过物联网系统平台,运用终端设备或手机A P P,采取相关措施进行智能化控制,使棚内各项数据指标达到当期果树生长需求的适宜环境条件。表5 连栋温室樱桃着色期至成熟期环境控制试验数据测定生育期 试验测定时间反馈情况棚内湿度(%)棚内温度()土壤湿度(%)土壤温度()土壤E C值(m S/c m)光照强度(l x)土壤p H值C O2浓度(1 0-6)着色期至成熟期T2 0 2 2-0 3-2 6 9:4 0反馈前6 5.92 7.26 2.71 7.20.1 6 13 1 6 3 86.81 1 7 32 0 2 2-0 3-2 6 1 0:1 0反馈后4 0.32 0.96 3.61 6.40.3 7 43 4 3 5 96.98 5 72 0 2 2-0 4-0 9 9:4 0反馈前6 8.62 8.36 4.11 8.50.1 7 63 3 9 6 56.91 4 6 62 0 2 2-0 4-0 9 1 0:1 0反馈后4 3.42 1.56 3.31 7.30.2 9 63 4 0 3 36.89 7 12 0 2 2-0 4-2 2 9:4 0反馈前6 8.42 9.76 2.82 0.60.1 1 23 9 4 6 06.71 3 2 92 0 2 2-0 4-2 2 1 0:1 0反馈后4 1.22 2.86 3.41 9.40.3 1 13 5 6 6 96.87 9 1C K3 05 02 02 56 07 01 62 00.20.6 3 0 0 0 05 0 0 0 05.67.55 0 01 0 0 0911基于物联网的设施樱桃智能化控制技术探究 褚春年 魏 礼 姚 雷等3 讨论3.1 模式对比分析在物联网管理平台下的智能化模式控制与传统模式控制方式,所用时间和提高效率的数据如表6所示。可以看出:智能化模式与传统模式相比,用时少、效率高。表6 日光温室智能化模式与传统人工模式控制方式对比分析表对比项目传统模式用时(s)智能化模式用时(s)提高效率(%)放平帘6 01 08 3.3收平帘6 01 08 3.3放立帘5 4 06 08 8.9收立帘5 4 06 08 8.9放膜1 8 03 08 3.3收膜1 8 03 08 3.3测棚内温湿度采集3 6 03 09 1.73.2 可靠性适用性分析 经过试验,引进的连栋温室控制通信系统、采集系统、卷膜卷帘系统、显示系统、软件系统、监控系统等设备和软件的性能可靠,所有智能设备响应时间均在1 s内(时延受网络等因素影响),所有联动事项响应时间均为5 0 0 m 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。3.3 存在问题及建议项目实施以来,物联网采集的数据与设施樱桃生长过程中适宜的生产条件进行对比,能够通过手机A P P和连栋温室控制平台,对设施樱桃进行自动卷膜、自动卷帘、导流风机、水肥一体化以及加温补光设备等环境条件智能化自动化控制,受到了农业园区群众的好评。但是,从项目实施情况看,对于农业物联网等一些知识的运用,年龄大的果农接受慢,手机或电脑平台等操作不熟练,需要多学习和训练;同时,受长期经验和习惯影响,尽管有先进系统的数据警示提醒,但果农还是喜欢按自己经验去管理。另外,软件系统功能还需要不断完善,如提示功能,比如温室大棚内温度超过农艺要求的温度时,系统会进行报警提示,但系统过于频繁的提示,给园区管理者带来一定的困扰,系统应予以改进完善。4 结语在物联网平台控制系统下,通过对连栋温室设施樱桃生长过程各个时期的试验测试、模式对比和适用性分析,可以看出:物联网系统平台对棚内湿度、棚内温度、土壤湿度、土壤温度、光照强度、土壤E C值、土壤p H值、C O2浓度等超过最大值或低于最小值时,均给予反馈提示,并启动自动控制措施,进行智能化自动化科学管理。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,对连栋温室的灌溉施肥、卷膜、卷帘、加温、补光等自动控制的智能化技术模式,在连栋温室水果生产中应予以大力推广应用。参考文献:1 于世勇.物联网技术在设施果树栽培中的应用J.农业工程技术,2 0 2 0,4 0(1 2),4 1-4 2.2 李延菊,李晶,张福兴,等.甜樱桃设施栽培环境要求及调控技术J.中国果菜,2 0 1 9,3(1):2 3-2 7.3 孙红艳,李菁,郝蕊平,等.西安市樱桃农药残留风险评估J.黑龙江农业科学,2 0 2 1(9):8 7-9 4.4 刘红霞,潘凤荣,肖敏,等.设施大樱桃生产过程中棚内气体调控技术要点J.河北果树,2 0 1 7(4):2 3-2 4.5 吴晓璇,孙俊宝,张生智,等.暖棚设施甜樱桃栽培技术J.果树资源学报,2 0 2 1,2(3):5 4-5 5.6 吕廷良.设施大樱桃优质高产栽培技术研究J.农业开发与装备,2 0 2 1(6):2 0 3-2 0 4.7 周艳花.露地大樱桃高产优质栽培技术J.世界热带农业信息,2 0 2 1(8):3 2-3 3.8 郭晓成,关俊英,王景波,等.甜樱桃设施栽培技术(上)J.西北园艺,2 0 1 2(8):2 8-3 0.作者简介:褚春年,男,1 9 7 0年生,高级工程师。研究方向为农业机械化。021数字农业与智能农机 第8期2 0 2 3年8月