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物联网技术在温室环境测控中的应用进展 导读 本文针对物联网技术在温室环境测控中的应用，分别从温室物联网的概念、系统架构和系统应用3个方面对国内外温室物联网的研究进展进行了系统的分析和阐述，并提出了今后温室物联网应用的问题和发展趋势。 温室物联网概述 物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。其英文名称是：“Internetofthings（IoT）”。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有2层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相连。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。 温室物联网技术是以引领温室作物向高产出、高效益、安全优质、低碳环保方向发展为宗旨，以现代物联网技术应用为手段，通过解决与完善作物生长环境因子的传感器检测与网络化传输、作物生长过程的优化控制、作物生产过程的现代化管理、溯源数据的标准化等关键技术，构建温室生产管理物联网技术与服务体系，达到温室生产的标准化、工厂化。不仅可获得作物生长的最佳条件，提高产量和品质，同时可提高水资源、化肥等农业投入品的利用率和产出率，实现了温室的高产、高效、优质生产。 根据中国学术期刊网（CNKI）中用主题“温室”和“物联网”，IEEE、WebofScience和EngineeringVillage三大外文数据库中用主题“greenhouse”“IoT”“Internetofthings”检索结果（图1），从2010年开始，物联网技术相关文献开始出现，并且开始快速增长，表明温室物联网技术的研究得到国内外研究学者的关注。 温室物联网系统架构 结合物联网的技术体系和温室环境控制系统的特点，基于物联网的温室环境智能管理系统的基本架构如图2所示，包括感知层、传输层、应用层3层。 感知层 主要是利用智能传感、视觉图像、生物化学传感等方法感知温室作物生理生态和环境信息，包括室外气象参数、室内空气参数、土壤（基质）环境信息、水肥信息、作物生长信息以及病虫草害信息等。其中室外气象参数、室内环境参数以及土壤的温度、湿度等参数都有较为成熟的传感器进行感知，而对土壤和营养液中营养成分、作物长势和生理信息的探测虽已开展了相应的研究工作，但是目前应用于实际生产的还较少。 传输层 主要是构建现场控制、厂级监控、智能农业物联网平台三级信息传输网络体系，实现温室作物生产的远程监管，确保信息传输实时、安全、稳定；图3为利用中国学术期刊网的关键词共现网络分析结果，从结果可以发现，以无线传感器网络为核心的温室环境测控系统成为目前温室物联网的主要应用。无线传感器网络主要是采用GSM、GPRS、3G、4G移动网络通信技术，Zigbee、蓝牙（Bluetooth）、Wi-Fi等无线传感器网络方式进行温室环境信息的无线传输。 表1为不同通信方式的参数比较，其中GPRS、3G、4G网络通信技术主要适用于远距离的信息传输，Zigbee、Wi-Fi、蓝牙技术用于短距离信息传输领域，基于Zigbee无线传感器网络技术的温室环境测控系统是温室环境测控的研究热点。 应用层 主要是对感知层所获取的温室内外气候和土壤环境信息、作物生长信息进行数据管理，并利用作物环境模拟、智能控制、专家推理、智能决策、云计算、深度学习、大数据等方法对设施作物、环境、病虫害、土壤和水肥等信息进行处理，为温室作物生长和环境控制提供支持。 温室物联网系统应用 基于物联网的温室环境测控系统 物联网系统在温室环境测控系统中的主要应用是通过无线传感器网络组网采集温室内的环境信息，如空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度和CO2等，通过汇聚节点和网关进行处理，并通过移动通信网络或有线网络方式传输至服务器平台，服务器平台对所感知的信息进行存储、管理和处理，服务器端环境调控决策模型根据当前环境参数进行参数优化，并将优化结果通过网络传输至现场执行端进行温室远程调控，其结构如图4所示。 面向温室物联网的智能网关与管理系统 为了适应不同的生产和管理者在温室栽培作物、环境监测参数、控制设备参数等不同，适应异构网络的智能网关技术成为温室物联网系统的关键，如张海辉等开发了一种基于WinCE系统的可配置WSN网关体系结构（ReGA）,在完成监测数据和控制指令转发的基础上，实现现场设备可视化和监测数据综合管理；陈美镇等构建了基于Andriod的温室环境测控智能网关及其数据同步方法，其结构如图5所示，智能网关的多路串口通信接口与温室环境测控网络的汇聚节点进行连接，实现基于Zigbee、RS-485通信方式的测控网络扩展，从而构建现场级环境测控无线传感器网络；智能网关通过无线路由器生成的Wi-Fi网络或者通过3G上网卡，实现互联网接入，实现与服务端的连接。 在此基础上，李萍萍等、王纪章等根据温室环境测控的现场端、WEB服务端和手机应用端软件开发需求，构建了物联网网关与服务器的数据同步通信机制，实现了温室环境测控网络参数同步配置、网关和服务器端数据库自适应匹配，智能网关、Web客户端和手机APP客户端界面自适应生成等功能，图6为所生成的温室环境测控客户端界面。用户通过在网关或服务器端根据协议对控节点传感器节点和控制节点进行参数配置，系统通过数据同步机制、数据库匹配和界面生成功能构建整个物联网测控系统，而无需进行系统软硬件开发，从而降低了开发成本。 基于物联网的作物生长状况监测 为了更有效的实现温室作物生长的监测，基于图像和视频获取与处理的作物生长状况监测技术被应用于温室中，如杨信廷等设计了基于无线多媒体传感器网络(WMSN)的作物环境与长势远程监测系统，系统能实现多媒体数据采集、压缩、3G传输、PC显示以及环境温湿度、光照度传感器节点的ZigBee组网；Liao等开发了基于物联网的温室环境无线监测和作物长势无线视频监控系统，如图7所示，系统利用图像处理方法获取叶面积实现作物长势的评价，从而为获得作物的最佳生长环境，提高生产者的收益提供依据。 马浚诚等为满足温室叶类蔬菜病害准确识别的视频数据需求，基于传感器感知的环境信息与摄像机监控视频信息,构建了一种面向叶类蔬菜病害识别的温室监控视频采集系统，如图8所示。系统将案例检索与模糊推理方法相结合，将传感器实时采集的数据与知识库中的病害产生环境条件相匹配，以匹配结果作为视频采集的依据，实现了监控视频的智能采集。
基于模型的温室环境管控物联网系统 温室物联网系统除了实现温室环境信息的感知和控制，其核心是保证温室内的环境参数满足作物生长的需求，因此温室环境参数的优化，即感知信息的处理是温室物联网系统的关键。为了实现温室环境的智能调控，Hu等开发基于作物生长模型的温室物联网管理系统，实现温室环境优化调控，如图9所示，系统通过现场环境感知节点采集温室环境信息，利用作物生长模型进行温室环境优化控制和管理。
黎贞发等开发了基于物联网的日光温室低温灾害监测预警系统，系统包括日光温室小气候与生态环境监测网络、数据实时采集与无线传输、低温灾害监测与预警发布、远程加温控制等功能，其结构如10所示。系统对典型日光温室小气候观测数据与作物生长临界指标，利用逐步回归及神经网络建模，获得土围护和砖维护结构日光温室低温预警指标，并利用手机短信、电子显示屏、网站等多媒体发布低温预警服务，并采用远程智能控制方式实现对温室定时加温。
秦琳琳等设计并实现了一种基于物联网的温室智能监控系统，如图11所示，系统采用基于分布式CAN总线的硬件系统实现环境数据的实时采集与设备控制，利用分布图法采集系统离异数据的在线检测，基于混杂自动机模型实现温室温度系统智能控制；为保证设备控制的安全性，采用轮询法实现了现场监控子系统和远程监控子系统中设备状态的同步，并将基于Zernike矩的图像识别技术应用于双向型设备的状态检测，实现设备的自动校准。
区域设施农业物联网系统模式 根据设施农业产前、产中、产后全产业链条需求和发展中存在的问题，阎晓军等构建了北京市设施农业物联网系统模式，其总体架构设计方案如图12所示，主要分为感知层、传输层、应用层、用户层4层。感知层主要负责温室作物和环境信息、农产品流通等信息的感知；传输层主要负责感知与控制数据的传输；应用层主要负责感知数据的分析、统计，并进行及时预警、自动控制和科学决策，主要包括设施农业物联网云服务平台、两级监控中心、预警与控制决策系统。该技术模式实现了整个农产品从产地到流通的全过程质量安全和生态环境安全的智慧管控，从而保障了设施农业高产、高效、优质生产。
总结 近年来，温室物联网技术得到了迅速发展，但是在发展过程中还存在一些问题： （1）在信息感知方面，目前在气象参数监测方面基本能满足温室环境测控的需求，但是土壤和灌溉水的营养参数和作物生理和生长参数监测传感器尚处于实验室研究阶段；部分工业用传感器虽然可以满足温室环境测控需求，但是此类传感器在长期使用过程中会出现误差过大，需要定时标定。因此需要进一步开发适合温室信息感知的土壤、作物和灌溉营养液监测传感器，同时提高传感器的稳定性和使用寿命。 （2）温室环境测控系统的信息感知包含多种类型，目前对温室信息感知缺少标准。如光照参数是温室作物光合作用的参数，但是目前用于温室光照监测的传感器包括照度（单位：lx）、光辐射度（单位：W/m2）和光合有效辐射（单位：μmol/m2/s）。感知信息的不统一为后续信息的图12区域设施农业物联网总体架构[28]处理和分析决策增加了复杂性，因此需要通过制定相应的行业或国家标准，以提升温室物联网系统软硬件系统通用性。 （3）虽然现在集成电路和云计算、大数据技术的发展使得测控系统的成本有所降低，但是由于温室物联网系统的缺少专门的软硬件设备，物联网系统的高投入是温室物联网系统应用的一个瓶颈问题，还需要进一步进行面向温室物联网的软硬件设备的低成本化和实用化开发。 （4）虽然目前基于模型和智能控制的温室环境优化控制技术与物联网技术的结合已经开展了研究，但是由于温室环境监测参数较多，生产环境复杂多变，在实际生产应用中还较少，还需要进一步将智能控制、模拟模型等新技术与物联网技术融合，以实现温室环境的智慧管控。 作者：王纪章，顾容榕（江苏大学农业装备工程学院） |
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