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基于物聯(lián)網(wǎng)的草莓無(wú)土栽培智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究論文
無(wú)土栽培是指不用天然土壤，使用基質(zhì)或不使用基質(zhì)，用營(yíng)養(yǎng)液灌溉植物根系或用其他方式來(lái)種植植物的方法。無(wú)土栽培能夠避免水分大量滲透和流失，克服土壤連作障礙，在節(jié)約用水、緩解耕地緊張等問(wèn)題上優(yōu)勢(shì)突出，具有作物生長(zhǎng)快、經(jīng)濟(jì)效益高，產(chǎn)品質(zhì)量好，無(wú)污染、不受地區(qū)和季節(jié)限制、便于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工廠化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是設(shè)施栽培發(fā)展的高級(jí)階段和重要方向。在發(fā)展速度快、栽培效益高，連作障礙明顯的設(shè)施草莓栽培中，無(wú)土栽培的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更為突出，且其可實(shí)現(xiàn)溫室大棚立體栽培，顯著提高經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。無(wú)土栽培以人工創(chuàng)造的作物根系環(huán)境取代土壤環(huán)境，不僅能滿足作物對(duì)礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)、水分和氧氣的需要外，還能應(yīng)用人工技術(shù)對(duì)這些環(huán)境加以控制和調(diào)整，使其在品質(zhì)方面按照需求發(fā)展。然而傳統(tǒng)的應(yīng)用人工對(duì)溫室環(huán)境及其營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行控制、調(diào)整和檢測(cè)，效率低下，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤和偏差。如何對(duì)無(wú)土栽培環(huán)境實(shí)施全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)傳輸，根據(jù)生產(chǎn)要求及時(shí)調(diào)整環(huán)境參數(shù)，有效地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量成為目前無(wú)土栽培技術(shù)的一大難點(diǎn)。隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，以傳感技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的全方位田間環(huán)境監(jiān)控技術(shù)得到迅速發(fā)展。但所研制的產(chǎn)品功能普遍比較單一，擴(kuò)展性差，更由于不能大批量生產(chǎn)，導(dǎo)致價(jià)格較高，沒(méi)有取得較好的推廣效果。設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還沒(méi)有出現(xiàn)一個(gè)可以在穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和通用性上均衡發(fā)展，最終占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位的管理系統(tǒng)或管理平臺(tái)。
本文利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)無(wú)土栽培溫室大棚的生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行科學(xué)檢測(cè)、科學(xué)分析和有效控制，使其具有最為適宜的生長(zhǎng)小環(huán)境，準(zhǔn)確、及時(shí)掌握環(huán)境數(shù)據(jù)，科學(xué)控制草莓生長(zhǎng)過(guò)程，達(dá)到增產(chǎn)、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長(zhǎng)周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)和安全的目標(biāo)。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)適用性好、擴(kuò)展性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，經(jīng)濟(jì)性和通用性都相對(duì)較高。同時(shí)，可通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)時(shí)分析，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指導(dǎo)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)教學(xué)和管理，實(shí)現(xiàn)智能溫室的全自動(dòng)化，也可以在廣大設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中起到示范作用，實(shí)現(xiàn)“智慧農(nóng)業(yè)”的推廣和應(yīng)用。
1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
本研究設(shè)計(jì)的無(wú)土栽培溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)智能管理系統(tǒng)，可使生產(chǎn)或其他過(guò)程按照人們編制的工作程序自動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)被監(jiān)控的對(duì)象運(yùn)行時(shí)，無(wú)需人的直接參與。智能監(jiān)控包括自動(dòng)監(jiān)測(cè)和智能控制2 個(gè)方面，即利用計(jì)算機(jī)對(duì)環(huán)境因素或生產(chǎn)過(guò)程各因素進(jìn)行全天候不間斷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和控制模型進(jìn)行智能判斷，根據(jù)實(shí)際需要給出實(shí)時(shí)控制方案，自動(dòng)完成各設(shè)備的控制。本系統(tǒng)集傳感器、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化控制、通訊、計(jì)算等技術(shù)與專(zhuān)家系統(tǒng)于一體，通過(guò)預(yù)置草莓生長(zhǎng)發(fā)育所需的適宜環(huán)境參數(shù)和控制模型，搭建溫室智能化軟硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)草莓無(wú)土栽培溫室中溫度、濕度、光照、營(yíng)養(yǎng)液濃度、pH 值、EC 值和CO2濃度等因子的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制。
1. 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)
本系統(tǒng)由前端部分來(lái)完成對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)因子的含量監(jiān)測(cè)與匯總、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)裙ぷ�，監(jiān)測(cè)因子包括空氣溫度、濕度、光照、營(yíng)養(yǎng)液溫度、pH 值、EC值、溶解氧、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)，這些監(jiān)測(cè)因子由數(shù)據(jù)采集終端使用不同的方法進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換后經(jīng)由GPRS 等網(wǎng)絡(luò)向在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平臺(tái)傳輸數(shù)據(jù)，由在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、過(guò)濾、存儲(chǔ)、處理、統(tǒng)計(jì)分析并提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢(xún)等任務(wù)。當(dāng)某個(gè)指標(biāo)超過(guò)設(shè)定值的時(shí)候，自動(dòng)開(kāi)啟或者關(guān)閉指定設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)可安全、可靠、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、全面、快速、高效地將真實(shí)的草莓無(wú)土栽培生產(chǎn)環(huán)境信息展現(xiàn)在管理人員的面前，并實(shí)現(xiàn)智能化管理和控制。使草莓在一個(gè)充分優(yōu)化的環(huán)境中生長(zhǎng)發(fā)育，充分提高資源利用效率，減少病蟲(chóng)為害，節(jié)約養(yǎng)分、水分、能源及管理成本等，使管理精準(zhǔn)、生產(chǎn)高效、生態(tài)安全。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1. 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架
無(wú)土栽培溫室智能管理系統(tǒng)主要包含智能監(jiān)測(cè)管理、智能控制模型和智能控制管理三部分。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖見(jiàn)圖2。其中智能監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)接駁器、集線器、數(shù)據(jù)傳輸終端及傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器構(gòu)成的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)水培溫室環(huán)境因子的采集、處理和管理等。智能控制模型主要由草莓栽培專(zhuān)家系統(tǒng)、草莓生長(zhǎng)發(fā)育各函數(shù)模型及其管理模型組成，主要實(shí)施對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)根據(jù)草莓生長(zhǎng)發(fā)育與環(huán)境的關(guān)系模型進(jìn)行科學(xué)分析、準(zhǔn)確判別，實(shí)施控制方案的制定和發(fā)布。智能控制管理系統(tǒng)由控制策略程序和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由營(yíng)養(yǎng)液調(diào)控系統(tǒng)、水分調(diào)控系統(tǒng)、pH 調(diào)控系統(tǒng)、EC 值調(diào)控系統(tǒng)、溶解氧調(diào)控基于物聯(lián)網(wǎng)的草莓無(wú)土栽培智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)857無(wú)土栽培溫室的環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架系統(tǒng)、空氣溫度調(diào)控系統(tǒng)、空氣濕度調(diào)控系統(tǒng)、光照調(diào)控系統(tǒng)等組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)施均采用電磁閥或電機(jī)控制。
1. 3 系統(tǒng)重要功能
1. 3. 1 溫室環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測(cè)
通過(guò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能對(duì)所有影響草莓生長(zhǎng)發(fā)育的溫室環(huán)境實(shí)施全天候的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)。即可自動(dòng)監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)的空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、營(yíng)養(yǎng)液溫度、溶解氧、pH 值、EC 值、營(yíng)養(yǎng)液用量、灌溉水量等參數(shù); 同時(shí)，可以監(jiān)測(cè)溫室外的空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度等參數(shù)。并且在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、過(guò)濾、存儲(chǔ)、處理、統(tǒng)計(jì)分析并提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢(xún)等。不但可以使管理人員或系統(tǒng)本身根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)實(shí)施精準(zhǔn)的管理，同時(shí)，還可以使領(lǐng)導(dǎo)、專(zhuān)家及其科研、教學(xué)人員實(shí)時(shí)觀察、掌握植物生長(zhǎng)發(fā)育狀況及其與環(huán)境因子的關(guān)系，并進(jìn)行相關(guān)決策、研究和教學(xué)等等。
1. 3. 2 溫室環(huán)境的自動(dòng)控制
根據(jù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)各環(huán)境參數(shù)及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的草莓生長(zhǎng)發(fā)育模型、專(zhuān)家系統(tǒng)及其管理模型等，制定和發(fā)布的指令，智能控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的自動(dòng)控制，主要包含棚內(nèi)栽培營(yíng)養(yǎng)液調(diào)節(jié)和更換，溶解氧的自動(dòng)調(diào)節(jié)、pH 的自動(dòng)調(diào)節(jié)、EC 值的自動(dòng)調(diào)控、遮陽(yáng)網(wǎng)和薄膜的卷簾、閉簾，水簾、風(fēng)機(jī)的開(kāi)和關(guān)，加溫、降溫、通風(fēng)、排濕設(shè)施的開(kāi)關(guān)、灌溉和增濕設(shè)施的開(kāi)關(guān)等。所有系統(tǒng)既可以實(shí)施全自動(dòng)的控制，根據(jù)需要也可以實(shí)施手動(dòng)控制。自動(dòng)控制可以單個(gè)溫室為基本控制單位、室內(nèi)單個(gè)控制設(shè)備為基本控制單元，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)分布式控制系統(tǒng); 基于分布式控制系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)利用動(dòng)力供電線路( 交流220 V) 為母線的載波數(shù)據(jù)傳輸接口電路。
1. 3. 3 信息管理
本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)和分析管理，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程遙測(cè)與控制指令的遠(yuǎn)程傳輸管理，及其自動(dòng)控制方案的制定與發(fā)布，包括根據(jù)營(yíng)養(yǎng)液溶度、溶解氧、pH 值、EC 值等控制下限和上限進(jìn)行自動(dòng)的營(yíng)養(yǎng)液調(diào)節(jié)或更換等控制方案; 根據(jù)棚內(nèi)溫度、棚內(nèi)外光照強(qiáng)度或時(shí)間進(jìn)行水簾和風(fēng)機(jī)及遮陽(yáng)網(wǎng)的卷簾和閉簾等控制方案; 根據(jù)棚內(nèi)空氣濕度大小制定的排風(fēng)控制方案、根據(jù)作物需要或按照時(shí)間制定的增濕控制方案等; 棚內(nèi)營(yíng)養(yǎng)液積溫、空氣積溫、累計(jì)光照時(shí)間及氣溫濕度、營(yíng)養(yǎng)液pH、EC 等影響水培植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要參數(shù)曲線圖表的繪制管理。
2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
2. 1 智能感知
無(wú)土栽培溫室環(huán)境因子的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)智能化控制的前提和基礎(chǔ)。由于無(wú)土栽培植物生長(zhǎng)受諸多自然條件的影響，如環(huán)境溫度、濕度和光照及其營(yíng)養(yǎng)液溫度、濃度、pH、EC 等，信息采集量很大，所以本系統(tǒng)根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)采集量大、精度高的特點(diǎn)，可以為用戶提供詳細(xì)準(zhǔn)確的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境的信息參數(shù)，且成本低，可減小人為活動(dòng)對(duì)環(huán)境的不利影響等優(yōu)點(diǎn)[5]，選擇了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)施溫室草莓無(wú)土栽培的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是通過(guò)新一代物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠以最快、最穩(wěn)定的方式采集、傳輸監(jiān)測(cè)的溫室環(huán)境實(shí)時(shí)參數(shù)，為項(xiàng)目系統(tǒng)集成用戶提供最佳的方案。溫室在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖溫室環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為三部分: 數(shù)據(jù)駁系統(tǒng)、遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)、后臺(tái)存儲(chǔ)系。
2. 1. 1 數(shù)據(jù)接駁器系列
數(shù)據(jù)接駁器實(shí)現(xiàn)了任意傳感器的數(shù)據(jù)接入功能，內(nèi)置低功耗高速ARM 處理核心，可完成目標(biāo)數(shù)據(jù)采集，通道校準(zhǔn)、存儲(chǔ)，設(shè)備診斷，設(shè)備休眠等功能，任意傳感器輸出信號(hào)均可通過(guò)數(shù)據(jù)接駁器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS-RTU 協(xié)議輸出，簡(jiǎn)化用戶后端系統(tǒng)接入，并可與現(xiàn)有DCS、組態(tài)軟件進(jìn)行無(wú)縫連接，同時(shí)也集成了常用傳感器供用戶快速部署。
2. 1. 2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸終端系列
遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸終端能夠滿足大多數(shù)環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸需求，全系列終端均支持ZA 系列數(shù)據(jù)接駁器，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸終端可利用WiFi 網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)( RJ45 有線) 、GSM/GPRS /3G ( 手機(jī)網(wǎng)絡(luò)) 、Zigbee 無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)、北斗一代進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。終端支持遠(yuǎn)程巡檢，自動(dòng)采集，低功耗控制，遠(yuǎn)程配置，遠(yuǎn)程預(yù)警，GPS /北斗定位等功能; 大大增強(qiáng)了終端的適用范圍，真正意義上實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)中的“物物相聯(lián)”目標(biāo)。
傳輸終端配有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)軟件( ZA DataCenter Service) ，支持MySQL /MS SQL /Oracle 數(shù)據(jù)庫(kù)，最大可支持1 萬(wàn)個(gè)終端同時(shí)在線傳輸，同時(shí)支持插件式傳感器解析模塊，可方便系統(tǒng)擴(kuò)展。通過(guò)不同傳感器可以采集各類(lèi)環(huán)境參數(shù)及其需要控制的技術(shù)參數(shù)。傳輸終端可接駁系列化智能數(shù)字傳感器，單個(gè)傳輸終端可同時(shí)接入5 到10 路傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的自動(dòng)識(shí)別。它具有超低功耗，自動(dòng)關(guān)斷負(fù)載電源，RTC 定時(shí)喚醒等的特性。終端節(jié)點(diǎn)支持太陽(yáng)能、風(fēng)光互補(bǔ)等多種供電模式，最大程度適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境; 所有傳輸終端均采用專(zhuān)利低功耗技術(shù)，以GPRS 傳輸終端為例，在使用4 個(gè)智能傳感器的情況下，使用普通太陽(yáng)能能源系統(tǒng)( 約2 W) ，4 000 mA 蓄電池可連續(xù)工作2 年( 采集頻率按5 min·次- 1計(jì)) 。
2. 1. 3 后臺(tái)存儲(chǔ)系統(tǒng)
ZA-DATA-CENTER 后臺(tái)存儲(chǔ)系統(tǒng)是為ZA 系列傳輸終端設(shè)計(jì)的后臺(tái)存儲(chǔ)服務(wù)軟件，服務(wù)軟件可將前端遠(yuǎn)程任意傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、定時(shí)的采集、并通過(guò)ODBC 泛用接口進(jìn)行穩(wěn)定存儲(chǔ)，同時(shí)還負(fù)責(zé)檢測(cè)終端及傳感器設(shè)備狀態(tài)、電池電量、定位數(shù)據(jù)等信息，用戶可通過(guò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)時(shí)表及歷史表進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問(wèn)及統(tǒng)計(jì)，也可通過(guò)服務(wù)器所提供的WebService 數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口直接訪問(wèn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)。ZA-DATA-CENTER 采用數(shù)據(jù)解析插件技術(shù)，用戶可根據(jù)前端應(yīng)用不同、傳感器的不同，添加自定義解析插件，輕松實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展和特殊應(yīng)用需求，同時(shí)還可以通過(guò)插件接口API 開(kāi)發(fā)自定義的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口。服務(wù)器采用內(nèi)存池及并發(fā)連接處理技術(shù)，可同時(shí)處理大量、高頻的數(shù)據(jù)請(qǐng)求及存儲(chǔ)請(qǐng)求，非常適用于大規(guī)模終端部署及監(jiān)測(cè)，增強(qiáng)了項(xiàng)目集成軟件的穩(wěn)定性。
2. 2 智能分析
智能分析即將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)通過(guò)云計(jì)算平臺(tái)對(duì)環(huán)境情況進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)合植物的生長(zhǎng)發(fā)育各函數(shù)模型及其管理模型，精確判斷其對(duì)環(huán)境參數(shù)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響，及時(shí)做出對(duì)環(huán)境參數(shù)調(diào)控的指令。本系統(tǒng)借助于現(xiàn)代信息模擬技術(shù)和歷史栽培經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)建立了草莓生長(zhǎng)發(fā)育模型，開(kāi)發(fā)了草莓專(zhuān)家管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用ZA-DATA-CENTER 后臺(tái)存儲(chǔ)系統(tǒng)，將采集到的傳感器數(shù)據(jù)，在后臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、處理和存儲(chǔ); 并能通過(guò)GSM/GPRS、3G 網(wǎng)絡(luò)快速將數(shù)據(jù)信息同步發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過(guò)云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行精確的計(jì)算分析，與預(yù)置的草莓生長(zhǎng)發(fā)育環(huán)境信息和生長(zhǎng)發(fā)育模型、控制管理模型開(kāi)展信息分析與研究，并與設(shè)定的預(yù)警值進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)理想的環(huán)境指標(biāo)對(duì)栽培現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行精確調(diào)控，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、智能的環(huán)境監(jiān)控。
2. 3 智能控制
智能控制模型是智能管理系統(tǒng)的“大腦”，主要由專(zhuān)家系統(tǒng)、草莓生長(zhǎng)發(fā)育各函數(shù)模型及其管理模型組成; 主要實(shí)施對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)根據(jù)草莓生長(zhǎng)發(fā)育與環(huán)境得到關(guān)系模型進(jìn)行科學(xué)分析、準(zhǔn)確判別，實(shí)施控制方案的制定和發(fā)布。如在草莓果實(shí)成熟期當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)得基質(zhì)相對(duì)含水量低于65% 時(shí)，數(shù)據(jù)上傳至智能控制模型，控制管理模型經(jīng)分析決策，發(fā)出指令給控制系統(tǒng)使電磁閥開(kāi)啟實(shí)行灌溉，當(dāng)實(shí)時(shí)測(cè)得基質(zhì)相對(duì)含水量達(dá)到75%，智能控制模型即發(fā)出指令給控制系統(tǒng)使電磁閥關(guān)閉，停止灌溉。
2. 3. 1 分布式大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用普遍存在“存儲(chǔ)使用難”，在海量的傳感器數(shù)據(jù)信息下，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與交換存在技術(shù)難度，由于草莓無(wú)土栽培需傳感器部署密度大、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、要求后端存儲(chǔ)系統(tǒng)具有高實(shí)時(shí)性及響應(yīng)能力，一味地增加硬件來(lái)提升性能可以解決問(wèn)題，從根本上解決不了規(guī)�；�、產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題，另外在上層應(yīng)用時(shí)也會(huì)遇到標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、軟件模塊耦合過(guò)多等問(wèn)題，這些問(wèn)題都阻礙著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。ZA DataCenter 較好地解決了該難題，它是基于現(xiàn)代“云計(jì)算”技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與解析的系統(tǒng)應(yīng)用軟件，系統(tǒng)前端采用負(fù)載均衡單元進(jìn)行分布式調(diào)度存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)處理能力可達(dá)10 萬(wàn)次·s - 1，能夠處理海量的數(shù)據(jù)，兼容不同數(shù)據(jù)交換協(xié)議，支持災(zāi)難性的數(shù)據(jù)恢復(fù); 同時(shí)，軟件具有良好的跨平臺(tái)能力，能夠支持Windows，Linux，Unix，F(xiàn)reeBSD 等主流操作系統(tǒng)。
2. 3. 2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)
ZA DataCenter 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、分析及處理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采用MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)，主要由傳感器歷史數(shù)據(jù)表、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表和信息表三張數(shù)據(jù)表構(gòu)成。其中傳感器歷史數(shù)據(jù)表主要用于長(zhǎng)期存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，用于上層應(yīng)用中的圖表顯示、歷史查詢(xún)、分類(lèi)查詢(xún)等目的; 傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表主要用于上層應(yīng)用中定時(shí)刷新、實(shí)時(shí)顯示等。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)和圖表分析技術(shù)，可對(duì)溫室各環(huán)境動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析并用曲線等直觀方式進(jìn)行顯示，使管理系統(tǒng)或管理者及專(zhuān)家能及時(shí)準(zhǔn)確的分析和判斷，做出正確快捷的決策和處理。并通過(guò)開(kāi)發(fā)出的可高度擴(kuò)展的繼電器控制模塊等用戶可以自定義某個(gè)參數(shù)達(dá)到或超過(guò)一定指標(biāo)是否需要開(kāi)啟或關(guān)閉某個(gè)設(shè)備，如灌溉系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)、水簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)、內(nèi)外遮陽(yáng)系統(tǒng)及營(yíng)養(yǎng)液調(diào)節(jié)系統(tǒng)等，達(dá)到智能化控制。該控制系統(tǒng)不僅可以按參數(shù)值設(shè)置，還可以按時(shí)間間隔或定時(shí)設(shè)置，例如某個(gè)時(shí)間段開(kāi)啟或關(guān)閉某個(gè)設(shè)備。同時(shí)，可以通過(guò)預(yù)警值分析進(jìn)行報(bào)警，當(dāng)溫室內(nèi)各參數(shù)出現(xiàn)異常，達(dá)到設(shè)定報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)能通過(guò)手機(jī)短信、控制界面、系統(tǒng)廣播等進(jìn)行聲音、圖像等報(bào)警，提醒管理者盡快處理。通過(guò)遠(yuǎn)程管理軟件平臺(tái)和視頻系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控�？蓪⒏鞣N感知設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)、處理和挖掘，通過(guò)監(jiān)控軟件的智能決策，形成有效指令，直接指導(dǎo)控制執(zhí)行系統(tǒng)或管理人員開(kāi)啟或關(guān)閉設(shè)備調(diào)節(jié)設(shè)施內(nèi)的小氣候環(huán)境，為草莓生長(zhǎng)提供優(yōu)良的生長(zhǎng)環(huán)境。同時(shí)也可以利用該系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)或科研數(shù)據(jù)的觀測(cè)、采集，為相關(guān)項(xiàng)目提供便捷的視頻、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和分析研究等。
3 示范應(yīng)用
本研究針對(duì)草莓無(wú)土栽培精細(xì)化管理要求，自主開(kāi)發(fā)了溫度、濕度、光照、培養(yǎng)液溫度、pH 值、EC 值、溶解氧、CO2濃度等多環(huán)境因素在線檢測(cè)與灌溉、施肥、通風(fēng)、光照等多控制系統(tǒng)融合的集聯(lián)型控制系統(tǒng)，通過(guò)多環(huán)境因素的融合分析，自適應(yīng)地驅(qū)動(dòng)不同的控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了草莓無(wú)土栽培溫室環(huán)境的自動(dòng)控制，并首先在杭州余杭農(nóng)業(yè)科技園區(qū)和蕭山生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)示范園區(qū)開(kāi)展試驗(yàn)應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果: 系統(tǒng)為草莓培育提供了最優(yōu)環(huán)境，節(jié)約了成本和資源，提高了品質(zhì)和產(chǎn)量，減少了病蟲(chóng)為害，提高了生產(chǎn)效率和生態(tài)安全。，栽培方式為基質(zhì)栽培，對(duì)照為人工控制，人工控制處理的效果較為明顯。
【基于物聯(lián)網(wǎng)的草莓無(wú)土栽培智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究論文】相關(guān)文章：
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