無土栽培是指不用天然土壤，使用基質或不使用基質，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、經濟效益高，產品質量好，無污染、不受地區(qū)和季節(jié)限制、便于實現(xiàn)生產工廠化和自動化等優(yōu)點，是設施栽培發(fā)展的高級階段和重要方向。在發(fā)展速度快、栽培效益高，連作障礙明顯的設施草莓栽培中，無土栽培的應用優(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營養(yǎng)、水分和氧氣的需要外，還能應用人工技術對這些環(huán)境加以控制和調整，使其在品質方面按照需求發(fā)展。然而傳統(tǒng)的應用人工對溫室環(huán)境及其營養(yǎng)液進行控制、調整和檢測，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，根據生產要求及時調整環(huán)境參數，有效地提高生產效率和產品質量成為目前無土栽培技術的一大難點。隨著農業(yè)物聯(lián)網技術的發(fā)展，以傳感技術與物聯(lián)網技術相結合的全方位田間環(huán)境監(jiān)控技術得到迅速發(fā)展。但所研制的產品功能普遍比較單一，擴展性差，更由于不能大批量生產，導致價格較高，沒有取得較好的推廣效果。設施農業(yè)物聯(lián)網技術還沒有出現(xiàn)一個可以在穩(wěn)定性、經濟性和通用性上均衡發(fā)展，最終占據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)境數據，科學控制草莓生長過程，達到增產、改善品質、調節(jié)生長周期、提高經濟效益的目的，進而實現(xiàn)農業(yè)生產集約、高產、優(yōu)質、高效、生態(tài)和安全的目標。設計的系統(tǒng)適用性好、擴展性強、穩(wěn)定性好，經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，也可以在廣大設施農業(yè)領域中起到示范作用，實現(xiàn)“智慧農業(yè)”的推廣和應用。

1 系統(tǒng)架構設計

　　本研究設計的無土栽培溫室大棚物聯(lián)網智能管理系統(tǒng)，可使生產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)境因素或生產過程各因素進行全天候不間斷的實時監(jiān)測，并根據實時數據和控制模型進行智能判斷，根據實際需要給出實時控制方案，自動完成各設備的控制。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、轉換、傳輸等工作，監(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，這些監(jiān)測因子由數據采集終端使用不同的方法進行測量，通過數據處理轉換后經由GPRS 等網絡向在線監(jiān)測數據平臺傳輸數據，由在線監(jiān)測數據傳輸平臺實現(xiàn)數據的接收、過濾、存儲、處理、統(tǒng)計分析并提供實時數據查詢等任務。當某個指標超過設定值的時候，自動開啟或者關閉指定設備。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、生產高效、生態(tài)安全。系統(tǒng)總體設計

　　1. 2 系統(tǒng)設計框架

　　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、數據接駁器、集線器、數據傳輸終端及傳輸網絡、數據存儲器構成的在線監(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)育各函數模型及其管理模型組成，主要實施對監(jiān)測到的數據根據草莓生長發(fā)育與環(huán)境的關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)行機構組成，執(zhí)行機構由營養(yǎng)液調控系統(tǒng)、水分調控系統(tǒng)、pH 調控系統(tǒng)、EC 值調控系統(tǒng)、溶解氧調控基于物聯(lián)網的草莓無土栽培智能管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)857無土栽培溫室的環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)設計框架系統(tǒng)、空氣溫度調控系統(tǒng)、空氣濕度調控系統(tǒng)、光照調控系統(tǒng)等組成，執(zhí)行機構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; 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。并且在線監(jiān)測數據傳輸平臺可以實現(xiàn)數據的接收、過濾、存儲、處理、統(tǒng)計分析并提供實時數據查詢等。不但可以使管理人員或系統(tǒng)本身根據實時數據和歷史數據實施精準的管理，同時，還可以使領導、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)境因子的關系，并進行相關決策、研究和教學等等。

　　1. 3. 2 溫室環(huán)境的自動控制

　　根據自動監(jiān)測各環(huán)境參數及其系統(tǒng)設計的草莓生長發(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，主要包含棚內栽培營養(yǎng)液調節(jié)和更換，溶解氧的自動調節(jié)、pH 的自動調節(jié)、EC 值的自動調控、遮陽網和薄膜的卷簾、閉簾，水簾、風機的開和關，加溫、降溫、通風、排濕設施的開關、灌溉和增濕設施的開關等。所有系統(tǒng)既可以實施全自動的控制，根據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、室內單個控制設備為基本控制單元，利用計算機技術開發(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) 為母線的載波數據傳輸接口電路。

　　1. 3. 3 信息管理

　　本系統(tǒng)可以實現(xiàn)監(jiān)測數據的自動存儲和分析管理，監(jiān)測數據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)液調節(jié)或更換等控制方案; 根據棚內溫度、棚內外光照強度或時間進行水簾和風機及遮陽網的卷簾和閉簾等控制方案; 根據棚內空氣濕度大小制定的排風控制方案、根據作物需要或按照時間制定的增濕控制方案等; 棚內營養(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)育的重要參數曲線圖表的繪制管理。