智能大棚管控一体化解决方案

1、行业现状

       随着现代农业技术的不断发展，近年来，温室种植在世界范围内被广泛应用，温室自动化设备各也随着温室种植的推广逐渐发展起来。

经过近20年的发展，我国温室种植取得了一定的成效。国内温室生产面积(包括日光温室、塑料大棚)已达到120万hm2，跃居世界第一，温室设备产品、实际应用和配套技术研究等方面发展速度较快，形成了不同档次、不同系列化的温室产品，己初步形成一定的产业规模。

当前，全国各地根据需要普遍建设了日光温室和塑料大棚为农作物创造良好的生长环境。而现有的大多数温室大棚的检测与控制都采用人工管理，存在测控精度低、劳动强度大等弊端，增加了成本浪费资源，且难达到预期效果。因此，科学合理地调节温室大棚内温度、湿度及二氧化碳的含量，促使温室大棚内形成有利于蔬菜，水果生长的环境，确保温室大棚内的蔬菜和水果早熟、优质和高效益产出。

2、相关政策

2014年，中央一号文件指出要加快推进农业现代化，建设中国特色的信息化精准农业，各个科技信息公司都响应中央指示，纷纷投身到农业现代化建设中。温室大棚种植作为农业的重要组成部分，而智能化大棚种植是现代化农业的重要标志。四川亚润科技有限公司，凭借在物联网行业的领先地位与优势，结合云南农业的优势，与云南农业大学在滇联合推进大棚种植的智能化，既实现了温室大棚的现代化栽培，又在云南温室大棚种植的精细化与现代化领域迈出了新的一步，智能大棚的一体化管控也推动了物联网技术的产业化，实现在科技与农业的双丰收。

3、方案简介

由四川亚润科技有限公司提出的智能大棚解决方案通过设计智能温室自动监控系统可以对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制，例如：空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。使用自动化监控调节温室大棚内温度、湿度与二氧化碳含量等参数，为温室大棚内的蔬菜和水果的生长创造最优良的环境，最终提高生产效率增加农业产量，获得更大的经济效益。而且在自动化生产过程中有效控制环境不仅能生产出高效益的作物，还能为工作人员提供安全、舒适的工作环境。该解决方案主要有以下特点：

l  精准的自动化水肥控制

l  明确的综合信息集中展示

l  方便快捷的远程控制

4、系统结构示意图

5、地理结构示意图

6、方案详细介绍

l  环境及土壤监测

通过环境温湿度传感器、PH值传感器、土壤温湿度传感器、CO2传感器、光照传感器将环境及土壤数据采集出来进入前端微控处理单元进行数据预处理，处理完成后前端传输单元会将数据发送至上位机。同时前端高清摄像机采集视频数据并传输至后台系统。

PH值监测点 

PH即酸碱性，是影响农作物生长的重要因素之一。

首先，各种农作物对土壤酸碱度适应能力不同。有的农作物喜酸 , 有的喜碱、有的耐酸，有的耐碱。如茶和杜鹃喜欢酸性土壤，而棉花、首价犷则抗碱能力较强，适应在中性至弱碱性土壤中生长。马铃薯在 PH 一 4 . 0一8 . 0 范围内都可以生长，而以 PH 为 5 左右生长最好。但一般农作物要在弱碱的土壤里才能生长良好，即 PH 为 6 . 0一7 . 0 为宜。过酸过碱对农作物生长都不利。如下表所示作物生长最适宜的土壤 PH 值。

其次，土壤酸碱度与农作物养分的有效性有着直接关系。土壤中有机态养分要经过微生物参与活动能使之转化为速效态养分供农作物直接吸收，而参与有机质分解的微生物大多数在接近中性的环境下生长发育。因此，土壤养分的有效性一般以接近中性反应时为最大。如土壤中的氮素，绝大部分以有机态存在，因而在 PH ~ 6一 8 的范围内有效陕最高。磷素在酸性时，由于可溶性铁、铝增加，有效磷易被固定而降低其有效性；当 PH 7 . 5一8 . 5 时，磷酸又易被钙离子所固定，使作物难以利用； PH 值 8. 5 以上时，磷素成为溶解隆磷酸钠 (Na3PO4)，但碱性过强不利。故一般以 PH 值 6. 5一7. 5 时磷的有效性最高。钾、钙、镁等植物营养元素在酸性土里，它们的盐可以溶解，呈有效态，但易随水流失，也可以从土壤胶体吸收态交换出来，受雨水淋洗，所以酸性里常感到缺乏。钙、镁离子交换出来生成钙、镁的碳酸盐而沉淀。所以钙、镁的有效性以 PH 等于 6一8 时最好。总的来说，土壤酸性越强，微生物活性下降，土壤有效养分 (氮、磷、钾、钙、镁、硫 ) 越缺乏，微酸比至中性时，有效养分较多。相反，微量元素如铁、锰、铜、锌、钴一般在酸性时可溶而有效度提高。而在石灰性土壤中，微量元素容易产生沉淀而降低其有效性，硼、铜有所不同，硼在酸性土壤时易流失，随着 PH 的提高，生成硼酸钙而降低有效度；在盐碱土壤中生成硼酸钠而提高溶解度。钼在酸性时，因土壤多活性铁、铝而生成不溶性的钼酸铁、钼酸铝而降低有效性。因此 , 对缺钼敏度的作物花椰菜、柑桔等在 PH 值提高时对生长和发育不利。此外，酸与毒害也有密切关系。酸性土里容易产生有毒物质 , 如在强酸胜 (一般 PH 5以下) 的土壤里，铝离子的浓度，对植物有毒害。据试验在培养液中，1PPm 的铝离子的浓度对作物可产生显著的毒害。在 PH < 5 时，土壤溶液中的铝浓度可超过 1PP m。同样，PH < 4.5 时，溶解性的铁和锰大大增加，铁锰浓度的提高也可危害作物。

从上述的阐述中，说明土壤的酸碱度对农作物生长的影响是通过以矿质元素吸收的影响来影响农作物生长和发育的。因此时刻掌握土壤的酸碱性对是现代化农业种植的基础，也给合理水肥灌溉提供了有力的支撑。

• 光照度监测点 

光是植物进行光合作用的能量来源。光合作用主要是依靠植物的叶绿素这一器官完成的。在较弱的光照条件下比在强光条件下生长良好的植物。但这并不是说阴性植物对光的要求是越弱越好，因为当光照过弱，达不到阴性植物的补偿点时，它也就不能得到正常地生长，所以阴性植物要求较弱的光也仅仅是相对于阳性植物而言的。阴性植物多生长在潮湿、背阴的地方或者生于密林内，如连钱草、人参、天南星、黄连等。

但是，同一种植物在不同的发育阶段对光的要求也不一样。如厚朴、杜仲等木本植物，幼苗期也需遮阴，怕强光。当参幼苗喜阴，成株则喜阳。黄连虽为阴性植物，生长不同阶段，耐阴程度都不同。幼苗期最耐阴，但栽后第四年则可除去遮阴物，在强光下生长，利于根部生长。一般情况下，植物在开花结实阶段或块茎等贮藏器官形成阶段，需要较多的养分，对光的要求也更高。了解植物对光照度的生态类型，在药用植物合理栽培、兼做套种、引种驯化等方面，都是非常重要的。

因此在作物生长的全生命周期中对环境光照度的监测也十分重要。

• 温湿度监测点 

温度对生长的影响是综合的，它既可以通过影响光合、呼吸、蒸腾等代谢过程，也可以通过影响有机物的合成和运输等代谢过程来影响植物的生长，还可以直接影响土温、气温，通过影响水肥的吸收和输导来影响植物的生长。植物只有在一定的温度范围内才能够生长。由于参与代谢活动的酶的活性在不同温度下有不同的表现，所以温度对植物生长的影响也具有最低、最适和最高温度三基点。植物只能在最低温度与最高温度范围内生长。虽然生长的最适温度，就是指生长最快的温度，但这并不是植物生长最健壮的温度。因为在最适温度下，植物体内的有机物消耗过多，植株反倒长得细长柔弱。因此在生产实践上培育健壮植株，常常要求低于最适温度的温度，这个温度称协调的最适温度。

日温较高夜温较低能促进植物营养生长的原因，主要是白天温度较高，在强光下有利于光合速率的提高，为生长提供了充分的物质;夜温降低，可减少呼吸作用对有机物的消耗。此外，较低的夜温有利于根的生长和细胞分裂素的合成，因而也提高了整株植物的生长速率。在温室或大棚栽培中，要注意改变昼夜温度，使植物在自然条件下，水分、矿质、光照、温度等因素对植物生长的影响是交叉、综合的影响。首先各环境因子之间有相互影响。例如阴雨天、光照暗淡、气温下降、土壤水分增加、土壤通气不良等反应会连锁地发生，影响植物生长。其次各环境因子作用于植物体，又与生命活动是密切相关的，它们还会相互影响。例如光照促进光合，光合会影响蒸腾，蒸腾又会影响水分的供应。它们彼此之间既有相互促进又有相互制约。在农业生产上，要注意各种环境条件对生长的个别生理活动的特殊作用，又要运用一分为二的观点，抓住主要矛盾，采取合理措施，才能适当地促进和抑制植物的生长，达到栽培的目的。

影响绝对湿度的因子很多，主要取决于水汽的来源、输送与空气保持水汽的能力等。相对湿度一方面决定于绝对湿度，另一方面决定于空气温度。在寒冷的地区和季节，空气湿度容易达到饱和,在绝对湿度或水汽压并不太高的情况下,相对湿度可能较高。在同样的绝对湿度条件下，温暖地区和季节的相对湿度往往偏低。中国大陆年平均相对湿度分布的总趋势是自东南向西北递减，山区高于平原。相对湿度的年变化，一般是内陆干燥地区冬季高于夏季;华北、东北地区春季最低，夏季高于冬季;江南各地年变化较小。

空气相对湿度或饱和差是影响植物吸水与蒸腾的重要因子之一。在相对湿度较小(饱和差较大)时，如土壤水分充足，则植物蒸腾较旺盛，植物生长较好。若较长时间空气湿度处于饱和条件下，植物生长将受抑制，导致谷物子粒的灌浆速度降低，棉花蕾铃脱落加重，棉子生命力降低和影响棉花采收质量等。相对湿度太小，会加重土壤干旱或引起大气干旱，特别在气温高而土壤水分缺乏的条件下，植物的水分平衡被破坏,水分入不敷出,会阻碍生长而造成减产。相对湿度和饱和差的高低，可制约某些植物花药开裂、花粉散落和萌发的时间，从而影响植物的授粉受精。湿度与作物病虫害的发生也有密切关系。湿度大，易导致小麦锈病等多种病害流行。对家畜来说,一般以相对湿度50～70%为宜，湿度太低易引起粘膜、皮肤、蹄甲干裂而导致病菌等感染，湿度太高，易引起病菌与寄生虫滋生。高湿与高温结合，会抑制畜体蒸发散热，易引起牲畜积热;高湿与低温结合，加大了空气的导热率，易加重牲畜失热而导致病害。

因此环境温湿度对农作物的生长有着重大的影响，实时掌握并调控大棚环境的温湿度以达到作物生长的最佳条件，可为作物的增产增收创造有利条件。

• CO2监测点 

二氧化碳除能在大气圈中产生温室效应外，还可以起很多其它作用，其中它对植物能起很直接很有效的作用。CO2是光合作用的原料之一，所谓光合作用就是绿色植物利用光能把CO2、H2O和其它矿物营养素转化成有机化合物的过程。然而许多植物，其中包括那些生活在气候适宜地区的大多数农作物，消耗掉了它们通过被称作光呼吸过程所固结的碳量的 l/ 4一 l / 2 之多，且区域温度越高，这种失碳量也越多。

一些科学家指出增加大气层中CO2的浓度必定会增加这些植物的光合作用的效率，从而使世界较温暖地区的农作物产量提高。在温室中的实脸已表明过量的CO2会起到肥料的作用。事实上，许多年来，一些种植室内农作物，如象西红柿、苦瓜和离芭的菜农在他们的温室内加入CO2产生了极好的效果。

因此对CO2的监测与控制也将是对农作物增产增效的有效方法之一。

• 高清视频监测点 
• 该监测点可将大棚内的高清视频实时传输至后台系统，管理人员可通过远端电脑、智能手机查看大棚的状况。
  • 网络传输

  通过公司自主研发的无线传感器网络节点将低带宽的传感网络数据发送至智能网关，通过高速无线微波网络传感单元将传感数据及高清视频数据传输至最近的Enternet接入点，然后通过Enternet接入云平台。

  • 后端展示及告警
  • 电子显示屏现场展示

  通过LED显示器将大棚的各类传感器信息显示在棚内以便工作人员随时了解最新的信息环境及土壤信息。

  • 控制室系统展示

  控制室中的管理系统可查看所有大棚的传感数据及视频数据。

  • 手机平台展示
  • 通过智能手机APP也可查看现场大棚的传感数据及视频数据，达到随时随地监控作物的目的。
    • 自动化控制

    1) 滴灌控制

    通过从大棚传感器获取的土壤温湿度以及PH值、环境温湿度及光照等参数进行综合评估，再结合农作物的生长特性进行滴灌的开启周期及时间控制，以便达到最佳的水肥利用率，从而让农作物生长在最佳的营养条件下。

    2) 卷膜控制 

    大棚的温度可以通过卷膜机进行影响，将卷开透明塑料膜以降低大棚的温度，关闭塑料膜增加大棚内温度使大棚内的温度保持在作物的最佳生长值内。

    3) 遮阳网控制 

    根据环境中光照传感器的数据结合作物的生长光照要求进行遮阳网的控制以达到棚内最佳光照条件。