無土栽培是指不用天然土壤，使用基質(zhì)或不使用基質(zhì)，用營養(yǎng)液灌溉植物根系或用其他方式來種植植物的方法。無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、緩解耕地緊張等問題上優(yōu)勢突出，具有作物生長快、經(jīng)濟效益高，產(chǎn)品質(zhì)量好，無污染、不受地區(qū)和季節(jié)限制、便于實現(xiàn)生產(chǎn)工廠化和自動化等優(yōu)點，是設(shè)施栽培發(fā)展的高級階段和重要方向。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，無土栽培的應(yīng)用優(yōu)勢更為突出，且其可實現(xiàn)溫室大棚立體栽培，顯著提高經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。無土栽培以人工創(chuàng)造的作物根系環(huán)境取代土壤環(huán)境，不僅能滿足作物對礦物質(zhì)營養(yǎng)、水分和氧氣的需要外，還能應(yīng)用人工技術(shù)對這些環(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)用人工對溫室環(huán)境及其營養(yǎng)液進行控制、調(diào)整和檢測，效率低下，容易出現(xiàn)錯誤和偏差。如何對無土栽培環(huán)境實施全方位實時監(jiān)測、實時傳輸，根據(jù)生產(chǎn)要求及時調(diào)整環(huán)境參數(shù)，有效地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量成為目前無土栽培技術(shù)的一大難點。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，擴展性差，更由于不能大批量生產(chǎn)，導致價格較高，沒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)還沒有出現(xiàn)一個可以在穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和通用性上均衡發(fā)展，最終占據(jù)市場主導地位的管理系統(tǒng)或管理平臺。

　　本文利用先進的計算機技術(shù)對無土栽培溫室大棚的生長環(huán)境進行科學檢測、科學分析和有效控制，使其具有最為適宜的生長小環(huán)境，準確、及時掌握環(huán)境數(shù)據(jù)，科學控制草莓生長過程，達到增產(chǎn)、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟效益的目的，進而實現(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。設(shè)計的系統(tǒng)適用性好、擴展性強、穩(wěn)定性好，經(jīng)濟性和通用性都相對較高。同時，可通過遠程監(jiān)控，實時分析，實現(xiàn)遠程指導、實時動態(tài)教學和管理，實現(xiàn)智能溫室的全自動化，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

　　本研究設(shè)計的無土栽培溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)智能管理系統(tǒng)，可使生產(chǎn)或其他過程按照人們編制的工作程序自動進行監(jiān)控，當被監(jiān)控的對象運行時，無需人的直接參與。智能監(jiān)控包括自動監(jiān)測和智能控制2 個方面，即利用計算機對環(huán)境因素或生產(chǎn)過程各因素進行全天候不間斷的實時監(jiān)測，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)和控制模型進行智能判斷，根據(jù)實際需要給出實時控制方案，自動完成各設(shè)備的控制。本系統(tǒng)集傳感器、自動化監(jiān)測、自動化控制、通訊、計算等技術(shù)與專家系統(tǒng)于一體，通過預置草莓生長發(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，實現(xiàn)對草莓無土栽培溫室中溫度、濕度、光照、營養(yǎng)液濃度、pH 值、EC 值和CO2濃度等因子的自動監(jiān)測和控制。

　　1. 1 系統(tǒng)設(shè)計目標

　　本系統(tǒng)由前端部分來完成對環(huán)境監(jiān)測因子的含量監(jiān)測與匯總、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)裙ぷ鳎O(jiān)測因子包括空氣溫度、濕度、光照、營養(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)測因子由數(shù)據(jù)采集終端使用不同的方法進行測量，通過數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換后經(jīng)由GPRS 等網(wǎng)絡(luò)向在線監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺傳輸數(shù)據(jù)，由在線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、過濾、存儲、處理、統(tǒng)計分析并提供實時數(shù)據(jù)查詢等任務(wù)。當某個指標超過設(shè)定值的時候，自動開啟或者關(guān)閉指定設(shè)備。整個系統(tǒng)可安全、可靠、準確、實時、全面、快速、高效地將真實的草莓無土栽培生產(chǎn)環(huán)境信息展現(xiàn)在管理人員的面前，并實現(xiàn)智能化管理和控制。使草莓在一個充分優(yōu)化的環(huán)境中生長發(fā)育，充分提高資源利用效率，減少病蟲為害，節(jié)約養(yǎng)分、水分、能源及管理成本等，使管理精準、生產(chǎn)高效、生態(tài)安全。系統(tǒng)總體設(shè)計

　　1. 2 系統(tǒng)設(shè)計框架

　　無土栽培溫室智能管理系統(tǒng)主要包含智能監(jiān)測管理、智能控制模型和智能控制管理三部分。系統(tǒng)設(shè)計框架圖見圖2。其中智能監(jiān)測管理系統(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)存儲器構(gòu)成的在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要負責水培溫室環(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家系統(tǒng)、草莓生長發(fā)育各函數(shù)模型及其管理模型組成，主要實施對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)根據(jù)草莓生長發(fā)育與環(huán)境的關(guān)系模型進行科學分析、準確判別，實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)行機構(gòu)組成，執(zhí)行機構(gòu)由營養(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)的草莓無土栽培智能管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)857無土栽培溫室的環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計框架系統(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)行機構(gòu)的實施均采用電磁閥或電機控制。

　　1. 3 系統(tǒng)重要功能

　　1. 3. 1 溫室環(huán)境的自動監(jiān)測

　　通過在線監(jiān)測系統(tǒng)能對所有影響草莓生長發(fā)育的溫室環(huán)境實施全天候的在線自動監(jiān)測。即可自動監(jiān)測溫室內(nèi)的空氣溫度、空氣濕度、光照強度、CO2濃度、營養(yǎng)液溫度、溶解氧、pH 值、EC 值、營養(yǎng)液用量、灌溉水量等參數(shù); 同時，可以監(jiān)測溫室外的空氣溫度、空氣濕度、光照強度等參數(shù)。并且在線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸平臺可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、過濾、存儲、處理、統(tǒng)計分析并提供實時數(shù)據(jù)查詢等。不但可以使管理人員或系統(tǒng)本身根據(jù)實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)實施精準的管理，同時，還可以使領(lǐng)導、專家及其科研、教學人員實時觀察、掌握植物生長發(fā)育狀況及其與環(huán)境因子的關(guān)系，并進行相關(guān)決策、研究和教學等等。

　　1. 3. 2 溫室環(huán)境的自動控制

　　根據(jù)自動監(jiān)測各環(huán)境參數(shù)及其系統(tǒng)設(shè)計的草莓生長發(fā)育模型、專家系統(tǒng)及其管理模型等，制定和發(fā)布的指令，智能控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)溫室環(huán)境的自動控制，主要包含棚內(nèi)栽培營養(yǎng)液調(diào)節(jié)和更換，溶解氧的自動調(diào)節(jié)、pH 的自動調(diào)節(jié)、EC 值的自動調(diào)控、遮陽網(wǎng)和薄膜的卷簾、閉簾，水簾、風機的開和關(guān)，加溫、降溫、通風、排濕設(shè)施的開關(guān)、灌溉和增濕設(shè)施的開關(guān)等。所有系統(tǒng)既可以實施全自動的控制，根據(jù)需要也可以實施手動控制。自動控制可以單個溫室為基本控制單位、室內(nèi)單個控制設(shè)備為基本控制單元，利用計算機技術(shù)開發(fā)分布式控制系統(tǒng); 基于分布式控制系統(tǒng)，開發(fā)利用動力供電線路( 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)可以實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動存儲和分析管理，監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程遙測與控制指令的遠程傳輸管理，及其自動控制方案的制定與發(fā)布，包括根據(jù)營養(yǎng)液溶度、溶解氧、pH 值、EC 值等控制下限和上限進行自動的營養(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)外光照強度或時間進行水簾和風機及遮陽網(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控制方案、根據(jù)作物需要或按照時間制定的增濕控制方案等; 棚內(nèi)營養(yǎng)液積溫、空氣積溫、累計光照時間及氣溫濕度、營養(yǎng)液pH、EC 等影響水培植物生長發(fā)育的重要參數(shù)曲線圖表的繪制管理。