物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在溫室環(huán)境測控中的應(yīng)用進展

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發(fā)展階段,。其英文名稱是：“Internetofthings（IoT）”,。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng),。這有2層意思：其一,，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò),；其二,，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信,，也就是物物相連,。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術(shù)與普適計算等通信感知技術(shù),，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中,，也因此被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮,。

溫室物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是以引領(lǐng)溫室作物向高產(chǎn)出,、高效益,、安全優(yōu)質(zhì),、低碳環(huán)保方向發(fā)展為宗旨，以現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用為手段,，通過解決與完善作物生長環(huán)境因子的傳感器檢測與網(wǎng)絡(luò)化傳輸,、作物生長過程的優(yōu)化控制,、作物生產(chǎn)過程的現(xiàn)代化管理、溯源數(shù)據(jù)的標準化等關(guān)鍵技術(shù),，構(gòu)建溫室生產(chǎn)管理物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與服務(wù)體系,，達到溫室生產(chǎn)的標準化、工廠化,。不僅可獲得作物生長的最佳條件,，提高產(chǎn)量和品質(zhì)，同時可提高水資源,、化肥等農(nóng)業(yè)投入品的利用率和產(chǎn)出率,，實現(xiàn)了溫室的高產(chǎn)、高效,、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn),。

根據(jù)中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)（CNKI）中用主題“溫室”和“物聯(lián)網(wǎng)”，IEEE,、WebofScience和EngineeringVillage三大外文數(shù)據(jù)庫中用主題“greenhouse”“IoT”“Internetofthings”檢索結(jié)果（圖1）,，從2010年開始，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)文獻開始出現(xiàn),，并且開始快速增長,，表明溫室物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究得到國內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注。

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)體系和溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的特點,，基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室環(huán)境智能管理系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖2所示，包括感知層,、傳輸層,、應(yīng)用層3層。

感知層

主要是利用智能傳感,、視覺圖像,、生物化學(xué)傳感等方法感知溫室作物生理生態(tài)和環(huán)境信息，包括室外氣象參數(shù),、室內(nèi)空氣參數(shù),、土壤（基質(zhì)）環(huán)境信息、水肥信息,、作物生長信息以及病蟲草害信息等,。其中室外氣象參數(shù)、室內(nèi)環(huán)境參數(shù)以及土壤的溫度、濕度等參數(shù)都有較為成熟的傳感器進行感知,，而對土壤和營養(yǎng)液中營養(yǎng)成分,、作物長勢和生理信息的探測雖已開展了相應(yīng)的研究工作，但是目前應(yīng)用于實際生產(chǎn)的還較少,。

傳輸層

主要是構(gòu)建現(xiàn)場控制,、廠級監(jiān)控、智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺三級信息傳輸網(wǎng)絡(luò)體系,，實現(xiàn)溫室作物生產(chǎn)的遠程監(jiān)管,，確保信息傳輸實時、安全,、穩(wěn)定,；圖3為利用中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果，從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心的溫室環(huán)境測控系統(tǒng)成為目前溫室物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用,。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要是采用GSM、GPRS,、3G,、4G移動網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，Zigbee,、藍牙（Bluetooth）,、Wi-Fi等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方式進行溫室環(huán)境信息的無線傳輸。

表1為不同通信方式的參數(shù)比較,，其中GPRS,、3G、4G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)主要適用于遠距離的信息傳輸,，Zigbee,、Wi-Fi、藍牙技術(shù)用于短距離信息傳輸領(lǐng)域,，基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的溫室環(huán)境測控系統(tǒng)是溫室環(huán)境測控的研究熱點,。

應(yīng)用層

主要是對感知層所獲取的溫室內(nèi)外氣候和土壤環(huán)境信息、作物生長信息進行數(shù)據(jù)管理,，并利用作物環(huán)境模擬,、智能控制、專家推理,、智能決策,、云計算、深度學(xué)習(xí),、大數(shù)據(jù)等方法對設(shè)施作物,、環(huán)境,、病蟲害、土壤和水肥等信息進行處理,，為溫室作物生長和環(huán)境控制提供支持。

 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室環(huán)境測控系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在溫室環(huán)境測控系統(tǒng)中的主要應(yīng)用是通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)采集溫室內(nèi)的環(huán)境信息,，如空氣溫度、空氣濕度,、土壤溫度,、土壤濕度和CO2等，通過匯聚節(jié)點和網(wǎng)關(guān)進行處理,，并通過移動通信網(wǎng)絡(luò)或有線網(wǎng)絡(luò)方式傳輸至服務(wù)器平臺,，服務(wù)器平臺對所感知的信息進行存儲、管理和處理,，服務(wù)器端環(huán)境調(diào)控決策模型根據(jù)當前環(huán)境參數(shù)進行參數(shù)優(yōu)化,，并將優(yōu)化結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至現(xiàn)場執(zhí)行端進行溫室遠程調(diào)控，其結(jié)構(gòu)如圖4所示,。

面向溫室物聯(lián)網(wǎng)的智能網(wǎng)關(guān)與管理系統(tǒng)

為了適應(yīng)不同的生產(chǎn)和管理者在溫室栽培作物,、環(huán)境監(jiān)測參數(shù)、控制設(shè)備參數(shù)等不同,，適應(yīng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)成為溫室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵,，如張海輝等開發(fā)了一種基于WinCE系統(tǒng)的可配置WSN網(wǎng)關(guān)體系結(jié)構(gòu)（ReGA）,在完成監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制指令轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備可視化和監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合管理,；陳美鎮(zhèn)等構(gòu)建了基于Andriod的溫室環(huán)境測控智能網(wǎng)關(guān)及其數(shù)據(jù)同步方法,，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，智能網(wǎng)關(guān)的多路串口通信接口與溫室環(huán)境測控網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點進行連接,，實現(xiàn)基于Zigbee,、RS-485通信方式的測控網(wǎng)絡(luò)擴展，從而構(gòu)建現(xiàn)場級環(huán)境測控無線傳感器網(wǎng)絡(luò),；智能網(wǎng)關(guān)通過無線路由器生成的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)或者通過3G上網(wǎng)卡,，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入，實現(xiàn)與服務(wù)端的連接,。

在此基礎(chǔ)上,，李萍萍等、王紀章等根據(jù)溫室環(huán)境測控的現(xiàn)場端,、WEB服務(wù)端和手機應(yīng)用端軟件開發(fā)需求,，構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)同步通信機制，實現(xiàn)了溫室環(huán)境測控網(wǎng)絡(luò)參數(shù)同步配置、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫自適應(yīng)匹配,，智能網(wǎng)關(guān),、Web客戶端和手機APP客戶端界面自適應(yīng)生成等功能，圖6為所生成的溫室環(huán)境測控客戶端界面,。用戶通過在網(wǎng)關(guān)或服務(wù)器端根據(jù)協(xié)議對控節(jié)點傳感器節(jié)點和控制節(jié)點進行參數(shù)配置,，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)同步機制、數(shù)據(jù)庫匹配和界面生成功能構(gòu)建整個物聯(lián)網(wǎng)測控系統(tǒng),，而無需進行系統(tǒng)軟硬件開發(fā),，從而降低了開發(fā)成本。

基于物聯(lián)網(wǎng)的作物生長狀況監(jiān)測

為了更有效的實現(xiàn)溫室作物生長的監(jiān)測,，基于圖像和視頻獲取與處理的作物生長狀況監(jiān)測技術(shù)被應(yīng)用于溫室中,，如楊信廷等設(shè)計了基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)(WMSN)的作物環(huán)境與長勢遠程監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)能實現(xiàn)多媒體數(shù)據(jù)采集,、壓縮,、3G傳輸、PC顯示以及環(huán)境溫濕度,、光照度傳感器節(jié)點的ZigBee組網(wǎng),；Liao等開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室環(huán)境無線監(jiān)測和作物長勢無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，如圖7所示,，系統(tǒng)利用圖像處理方法獲取葉面積實現(xiàn)作物長勢的評價,，從而為獲得作物的最佳生長環(huán)境，提高生產(chǎn)者的收益提供依據(jù),。

馬浚誠等為滿足溫室葉類蔬菜病害準確識別的視頻數(shù)據(jù)需求,，基于傳感器感知的環(huán)境信息與攝像機監(jiān)控視頻信息,構(gòu)建了一種面向葉類蔬菜病害識別的溫室監(jiān)控視頻采集系統(tǒng)，如圖8所示,。系統(tǒng)將案例檢索與模糊推理方法相結(jié)合,，將傳感器實時采集的數(shù)據(jù)與知識庫中的病害產(chǎn)生環(huán)境條件相匹配，以匹配結(jié)果作為視頻采集的依據(jù),，實現(xiàn)了監(jiān)控視頻的智能采集,。

基于模型的溫室環(huán)境管控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

溫室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)除了實現(xiàn)溫室環(huán)境信息的感知和控制，其核心是保證溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)滿足作物生長的需求,，因此溫室環(huán)境參數(shù)的優(yōu)化,，即感知信息的處理是溫室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵。為了實現(xiàn)溫室環(huán)境的智能調(diào)控,，Hu等開發(fā)基于作物生長模型的溫室物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng),，實現(xiàn)溫室環(huán)境優(yōu)化調(diào)控，如圖9所示,，系統(tǒng)通過現(xiàn)場環(huán)境感知節(jié)點采集溫室環(huán)境信息,，利用作物生長模型進行溫室環(huán)境優(yōu)化控制和管理,。

黎貞發(fā)等開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的日光溫室低溫災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)包括日光溫室小氣候與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),、數(shù)據(jù)實時采集與無線傳輸,、低溫災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警發(fā)布、遠程加溫控制等功能,，其結(jié)構(gòu)如10所示,。系統(tǒng)對典型日光溫室小氣候觀測數(shù)據(jù)與作物生長臨界指標，利用逐步回歸及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模,，獲得土圍護和磚維護結(jié)構(gòu)日光溫室低溫預(yù)警指標,，并利用手機短信,、電子顯示屏,、網(wǎng)站等多媒體發(fā)布低溫預(yù)警服務(wù)，并采用遠程智能控制方式實現(xiàn)對溫室定時加溫,。

秦琳琳等設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室智能監(jiān)控系統(tǒng),，如圖11所示，系統(tǒng)采用基于分布式CAN總線的硬件系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集與設(shè)備控制,，利用分布圖法采集系統(tǒng)離異數(shù)據(jù)的在線檢測,，基于混雜自動機模型實現(xiàn)溫室溫度系統(tǒng)智能控制；為保證設(shè)備控制的安全性,，采用輪詢法實現(xiàn)了現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)和遠程監(jiān)控子系統(tǒng)中設(shè)備狀態(tài)的同步,，并將基于Zernike矩的圖像識別技術(shù)應(yīng)用于雙向型設(shè)備的狀態(tài)檢測，實現(xiàn)設(shè)備的自動校準,。

區(qū)域設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模式

根據(jù)設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)前,、產(chǎn)中、產(chǎn)后全產(chǎn)業(yè)鏈條需求和發(fā)展中存在的問題,，閻曉軍等構(gòu)建了北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模式,，其總體架構(gòu)設(shè)計方案如圖12所示，主要分為感知層,、傳輸層,、應(yīng)用層、用戶層4層,。感知層主要負責溫室作物和環(huán)境信息,、農(nóng)產(chǎn)品流通等信息的感知；傳輸層主要負責感知與控制數(shù)據(jù)的傳輸,；應(yīng)用層主要負責感知數(shù)據(jù)的分析,、統(tǒng)計，并進行及時預(yù)警,、自動控制和科學(xué)決策,，主要包括設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺,、兩級監(jiān)控中心、預(yù)警與控制決策系統(tǒng),。該技術(shù)模式實現(xiàn)了整個農(nóng)產(chǎn)品從產(chǎn)地到流通的全過程質(zhì)量安全和生態(tài)環(huán)境安全的智慧管控,，從而保障了設(shè)施農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、高效,、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn),。

近年來,，溫室物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了迅速發(fā)展，但是在發(fā)展過程中還存在一些問題：

（1）在信息感知方面,，目前在氣象參數(shù)監(jiān)測方面基本能滿足溫室環(huán)境測控的需求,，但是土壤和灌溉水的營養(yǎng)參數(shù)和作物生理和生長參數(shù)監(jiān)測傳感器尚處于實驗室研究階段；部分工業(yè)用傳感器雖然可以滿足溫室環(huán)境測控需求,，但是此類傳感器在長期使用過程中會出現(xiàn)誤差過大,，需要定時標定。因此需要進一步開發(fā)適合溫室信息感知的土壤,、作物和灌溉營養(yǎng)液監(jiān)測傳感器,，同時提高傳感器的穩(wěn)定性和使用壽命。

（2）溫室環(huán)境測控系統(tǒng)的信息感知包含多種類型,，目前對溫室信息感知缺少標準,。如光照參數(shù)是溫室作物光合作用的參數(shù)，但是目前用于溫室光照監(jiān)測的傳感器包括照度（單位：lx）,、光輻射度（單位：W/m2）和光合有效輻射（單位：μmol/m2/s）,。感知信息的不統(tǒng)一為后續(xù)信息的圖12區(qū)域設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)[28]處理和分析決策增加了復(fù)雜性，因此需要通過制定相應(yīng)的行業(yè)或國家標準,，以提升溫室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)通用性,。

（3）雖然現(xiàn)在集成電路和云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展使得測控系統(tǒng)的成本有所降低,，但是由于溫室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的缺少專門的軟硬件設(shè)備,，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的高投入是溫室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用的一個瓶頸問題，還需要進一步進行面向溫室物聯(lián)網(wǎng)的軟硬件設(shè)備的低成本化和實用化開發(fā),。

（4）雖然目前基于模型和智能控制的溫室環(huán)境優(yōu)化控制技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)開展了研究,，但是由于溫室環(huán)境監(jiān)測參數(shù)較多，生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜多變,，在實際生產(chǎn)應(yīng)用中還較少,，還需要進一步將智能控制,、模擬模型等新技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合，以實現(xiàn)溫室環(huán)境的智慧管控,。