摘 要 智能温室大棚采用全封闭的建筑形式，可以隔绝外界环境，控制温度、湿度和光照等环境参数，从而为植物提供更加稳定、安全的生长环境。重庆市永川区蔬菜生产中的智能大棚主要是利用物联网通信技术，以无线传输为中心，灵活增设节点，远距离实时监控蔬菜生长环境。从需求、内容、实现与效果等方面，探索智能大棚在重庆市永川区农业生产中的应用。
关键词 智能大棚；农业生产；重庆市永川区
中图分类号：S625.3 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.12.048
永川区位于长江上游北岸、重庆市西部，是当地重要蔬菜种植基地之一，全年蔬菜播种面积超42.6 hm2。近年来，永川区积极探索“智能大棚+高标准绿色蔬菜”建设模式，全面打造集多种智慧农业生产技术于一体的人工智能蔬菜生产示范点，带动蔬菜生产效益提升。因此，探索智能大棚在重庆市永川区农业生产中的运用具有非常突出的现实意义。
1 智能大棚的应用需求
在永川区蔬菜生产中，智能大棚需要将监测数据（见表1）及时传输到上层，由上层专家库模拟最适宜大棚内蔬菜生长的环境，最终发出远程调控指令，变更大棚内部环境参数，为蔬菜维持最佳生长状态提供充足支持[1]。表1中的土壤电导率（Electrical Conductivity，EC）主要用于反映土壤中可溶性离子浓度，浓度过高易造成反渗透压，致使蔬菜根系水分流失，根尖干枯。
2 功能介绍
2.1 智能温控
适宜的温度是保障蔬菜健康生长的必要条件，蔬菜生育时期不同，对温度的要求也有所不同。日间，蔬菜大棚内温度一般应控制在（25±5）℃，以促使维持蔬菜光合作用的各种酶发挥最大效能，促进有机物积累；夜间，蔬菜大棚内温度应控制在（14±4）℃，抑制蔬菜的呼吸作用，减少有机物的消耗。
根据永川区农业生产类型，菜农可以提前了解蔬菜生产中对温度的要求，与标准温度值对比。根据对比值，开启正反馈调节（或负反馈调节），促使温度无限接近蔬菜生长适宜值。例如，在温度低于蔬菜生长适宜值时，借助智能大棚微控制中心，驱动电动机缩小通风口，并开启增温设备；而在温度高于蔬菜生长适宜值时，可以经大棚微控制中心驱动电动机增大通风口，开始换气降温。
2.2 自动灌溉
在专家库蔬菜生长模型内，集成实际调研环境变量与蔬菜生长的关系，以土壤湿度这一环境影响因素为自变量，以蔬菜质量或大小为因变量，建立坐标系，自动调控智能大棚内相对湿度。同时，在智能大棚监控端显示界面显示大棚空气温湿度、土壤湿度等信息，建立手动控制端口，允许菜农根据经验手动操作水泵的控制开关[2]。
根据大棚内蔬菜种植区分区灌溉需求，智能大棚内使用若干水泵。在灌溉期间，大棚内部土壤湿度传感器与空气湿度传感器可以将湿度信息实时传递至后台，经后台服务器自动分析，输出蔬菜种植区域需要补充的土壤水分，并将数据发送至智能大棚液晶监控面板、远程移动监控设备，便于菜农依据灌溉系统进行定时、定量的灌溉。
2.3 智能通风
永川区智能大棚多采用内外双层透光膜，可实现自动卷膜。卷膜电机由系统控制，可以根据系统指令带动卷膜轴转动，实现通风窗的自由开启或闭合，为蔬菜提供良好的通风环境[3]。同时，菜农可以根据所种植蔬菜种类对通风的要求，自行设置卷膜电机开启、闭合时间与位置，为蔬菜高产提供依据。
2.4 智能光照
光照是蔬菜生长的能量来源，光照时间、光照强度对蔬菜生长具有直接的影响。根据专家库内收集的蔬菜最适宜光照数据，可以利用蔬菜大棚微控制单元，向伺服电机发送指令，调整遮阳帘的开启角度，控制光照强度（见图1）。在光照强度严重不足时，开启补光灯，额外补充光照，促进蔬菜生长（见图2）。
智能大棚补光设备由补光灯、手机端2个部分组成，手机端可24 h实时收集传感器采集的大棚光照数据，并在互联网支持下监测大棚内光照环境，便于菜农准确感知棚内光照信息。同时，手机端可根据前期设定的光照程序和不同蔬菜生长所需的光照数值推送补光参考数值，菜农可以根据补光参考数值从手机端发送指令，开启补光灯。
2.5 病虫害识别
病虫害识别是永川区农业智能大棚的重要功能之一。其以图像识别为基础，借助高清摄像头定期采集蔬菜图像，并将图像实时传递给上位机，上位机提取图像中的颜色、纹理特征，生成特征向量。获得特征向量后，利用已建立的蔬菜病虫害数据库，诊断大棚内蔬菜生长过程中发生的病虫害。根据诊断结果，发送控制命令，进行针对性防治，减轻菜农的工作量。
以永川区农业生产常见蔬菜小番茄为例。1）颜色变换需要先利用高清摄像头摄取红色-绿色-蓝色（Red-Green-Blue，RGB）格式彩图（见图3），再在色调-饱和度-明度（Hue-Saturation-Value，HSV）颜色模型内，标准化RGB三通道取值，将小番茄图像转换为HSV格式，消除自然光照影响。2）将原图中像素灰度转换为新灰度值，进一步减少光照影响。3）利用均值滤波法，经上位机平滑处理图像，消除噪声，提高病虫害识别准确率。4）借助中值滤波，对图像进行增强处理，去除个别非必要信息，突出关键信息。5）在HSV颜色直方图（见图4）内，经过选择颜色空间、量化颜色空间、统计直方图、推导直方图距离、索引指出相近图像等操作，提取小番茄叶部病害图像特征与纹理特征。在颜色直方图维度较高时，为减少统计值，可提前进行图像的分层级索引。6）在机器学习算法（UPLBP算法）的支持下，识别小番茄病虫害，尤其可准确识别小番茄灰斑病、叶霉病、晚疫病等病害。
3 系统架构
3.1 整体结构
永川区应用的智能大棚系统为分层结构（见图5），最底端为检测终端，由若干无线终端设备组成，用于大棚内部环境参数的检测；中间层为控制层，由若干网关控制系统组成，负责将终端数据汇集到上层；最上层为服务层，由一个服务器和上位机组成，负责显示控制参数并发出控制指令。
3.2 硬件构成
3.2.1 检测终端
在检测终端，信号采集模块、通信模块、微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）模块、电源模块共同组成了检测硬件[4]。
信号采集模块为环境参数采集的基础，包括传感器（温度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、照度传感器、土壤EC值传感器等）和信号调理电路。传感器检测信号经信号调理电路传递给微控制单元。根据实际要求，每一个检测终端可设计的信号采集通道具有一定差异，每一路信号采集通道均可采集智能大棚内环境参数。
通信模块以远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）射频电路为支撑，负责数据采集、发送。远距离无线电收发器最大链路预算168 dB，可编程比特率为300 Kb·s-1，支持137～525 MHz，通信系统所选频段为低频433 MHz。
微控制单元是整个检测终端的中心，核心芯片可选择32位ARM（Advanced RISC Machines）微控制芯片。微控制单元支撑低功耗模式，可集成模拟传感器外围设备、通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）端口，可与无线电通信。
电源模块为直流（Direct Current，DC）24.0 V供电。同时，考虑微控制单元为3.3 V供电，运算放大器为5.0 V供电，需要额外设置1个LM2596-5电源转换芯片（24.0 V→5.0 V）和1个LD1117S33电源转换芯片（5.0 V→3.3 V）。
3.2.2 网关控制
网关控制是整个蔬菜智能大棚控制系统的核心，负责接收终端数据并与上位机进行数据交换。网关控制系统硬件由微控制单元、数字量输入（Digital Input，DI）模块、数字量输出（Digital Output，DO）模块、模拟量输入（Analogue Output，AO）模块、模拟量输出（Analogue Input，AI）模块、射频收发模块等构成。
1）微控制单元是整个控制系统的中心，可选择高性能32位低功耗芯片，中央处理器（Central ProcessingUnit，CPU）运行频率超出72 MHz，片内FLASH达到216 K，12位数模转换，支持片外独立电压。2）数字量输出模块是开关量控制工具，负责控制蔬菜智能大棚通风系统、温控系统、洒水系统、光照系统等。3）数字量输入模块是开关量信号采集工具，处于备用状态。4）模拟量输入模块是模拟量数据采集工具，处于备用状态。5）模拟量输出模块是备用工具。6）射频收发模块是终端数据信号接收与云端通信工具，可选择具有8个射频通道的SX1301，也可以选择窄带（Narrow Band，NB）射频工具[5]。其中，SX1301以LoRa调制为基础，可在-142.5 dBm范围内提供无线节点基站，并借助若干解调器支撑远程ISM（Industrial Scientific Medica）通信的智能基带处理；窄带射频以蜂窝网络为基础，可直接部署，上行带宽可以达到45 kHz，最大功率支持200 MW，在200 kHz带宽内前后具有10 kHz保护带，可实现低成本、大连接。
3.3 软件实现
3.3.1 检测终端软件
在MDK（Microcontroller Development Kit）平台内，安装开发套件单片机型号对应Pack包和ST-Link驱动，完成程序下载。在开发环境内，添加Apollo2固件包，设置初始化、AD采样、远距离无线电收发几个程序。各个程序均选择模块化编程，每一模块预留接口，独立运行[6]。
检测终端包括空中唤醒、定时发送2种模式。其中，空中唤醒是在开始后初始化系统，促使终端休眠并开启实时时钟（Real-Time Clock，RTC）定时器。1）判定是否产生定时器中断，若中断，则唤醒终端，监测信号；2）判定是否是自身数据，若是，则接收数据并开启采样，反之则返回上一层；3）发送数据，判定是否收到应答，若是，则结束，反之则重传数据。
定时发送模式下，网关主动轮询终端。1）初始化，在终端休眠状态下开启RTC定时器，判定是否到达定时时间，是则继续判定信道是否空闲，反之返回上一层；2）判定信道空闲后，开启采样，发送数据；3）判定是否收到应答，是则结束，反之则重发数据；4）判定是否收到应答，是则传输完成，反之保存数据。
3.3.2 网关控制软件
在MDK开发环境内，手动添加Cortex微控制器软件接口标准（Cortex Microcontroller Software InterfaceStandard，CMSIS）库，调用CMSIS库内相关接口函数，直观选择微控制器[7]。在安装完毕的微控制软件内，进入库管理界面，选择列表中需要安装的固件库。在库管理界面点击开启，解压安装本地离线包。安装成功后，组建系统初始化、DO模块、DI模块、AO模块、AI模块、射频接收传感器等功能，为网关通信与过程通道控制提供依据。
在主控程序规划后，第1步，以网关控制系统上电为节点，初始化时钟、通用输入输出（General-Purpose Input/Output，GPIO）口、射频收发口、串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、过程通道；第2步，射频收发入网，调用微控制网关程序；第3步，判定是否接收数据，是则调用射频收发程序，否则返回上一层；第4步，判定是否有数据接收，是则接收数据，否则直接结束；第5步，接收数据并置入数据存储标志位，发送应答后结束。
3.3.3 移动调控软件
移动调控软件是实现手机管理智能大棚的核心，也是集约化、规模化农业种植的核心。为确保移动调控软件覆盖施肥、通风、浇水、补光、打药等多项作业，可以基于全天候每分钟传感检测程序，开发手机端软件。根据软件应用需求，设置水肥管理、温湿度调节、数据管理、光照管理、病虫害防控等功能模块（见图6）。图6所示各功能模块数值实时更新，包括空气湿度、空气温度、风速、气压、紫外线及光照度等。同时，可在数值超限时发出警报，确保移动调控作业精准开展。
4 应用效果
大棚栽培对永川区农业生产环境温度影响较大。例如，在智能大棚运行过程中，菜农可以提前在终端设置温度上下限，并设置夜间保温模式，使卷帘处于闭合状态，抑制蔬菜呼吸作用，从而在一定程度上缩短蔬菜成熟期。
根据智能大棚湿度传感器数据，在湿度过高时，可自动开启通风模式，保证棚内湿度稳定。在蔬菜病虫害发生初期，后台可及时发现病虫害，自动判定病虫害类型，并由现场辅助工具提取病虫害图片中的关键信息，自动执行药物喷施、光控诱杀灯开启、性诱剂放置等作业，缩小蔬菜大棚病虫害危害范围。应用智能大棚一段时间后，永川区蔬菜生产周期显著缩短3 d，蔬菜各种病虫害发生频率显著降低，蔬菜增收增产效果明显。
5 结语
智能大棚是深度融合温室技术、大数据、物联网技术的成果，以智能大棚为核心科技推动蔬菜现代化生产，可以减少蔬菜管理压力。因此，永川区可根据蔬菜生产要求，大范围打造集智能温控、自动灌溉等功能于一体的智能大棚。
参考文献：
[1] 王红杰.智能控制温室大棚实际应用探究[J].河北农业，2023（10）：78-79.
[2] 张华涛，宿峰，张健，等.PLC智能温度控制系统在农业大棚中的应用[J].集成电路应用，2023，40（3）：318-319.
[3] 龚琴.基于物联网的温室大棚智能监控系统在农业中的应用[J].电脑与信息技术，2022，30（1）：53-56.
[4] 许婕.融合SVR和K-means聚类算法的智慧农业大棚智能灌溉研究[J].自动化与仪器仪表，2023（11）：108-112.
[5] 张敬斐，吴宝玉，付兵.杨梅大棚设施栽培提高枯枝病防治效果试验[J].中国南方果树，2023，52（6）：127-130.
[6] 古梦圆，张小冰，吕梦涵，等.基于物联网的智能大棚监测控制系统设计[J].黄河科技学院学报，2022，24（11）：79-83.
[7] 周静.基于人工智能计算机视觉技术的大棚监测系统实现[J].智慧农业导刊，2023，3（22）：5-8.
（责任编辑：张春雨）
