基于物联网的智慧蔬菜大棚环境监控与自动调节系统研究

基于物联网的智慧蔬菜大棚环境监控与自动调节系统研究

何深、陈向阳、李康庆

郑州科技学院  

摘要：

随着物联网技术的快速发展，其在农业领域的应用日渐广泛。文章聚焦于物联网技术在智慧蔬菜大棚中的应用，旨在探讨一种蔬菜大棚环境监控与自动调节系统。该系统能够实时监控大棚内的温度、湿度、光照等环境参数，并根据蔬菜生长的需求自动调节这些参数，以优化生长条件，提高蔬菜产量与品质。通过对系统的设计、实现及效果评估，文章展示了物联网技术在现代农业中的应用潜力。

关键词：物联网、智慧农业、蔬菜大棚、环境监控、自动调节系统

引言：

物联网技术在农业领域的应用正引起广泛关注。尤其是在蔬菜大棚生产中，如何有效监控和调节环境条件对于保证蔬菜生长的质量和效率至关重要。物联网技术的引入，为实现这一目标提供了新的可能性。本研究通过构建一个基于物联网的智慧蔬菜大棚环境监控与自动调节系统，旨在提高蔬菜生产的智能化水平，增强农业生产的效率与可持续性。

一、系统设计与实现

（一）硬件架构

智慧蔬菜大棚的物联网系统，乃是由众多硬件设备构建而成，传感器、控制单元以及执行器等都包含在其中。传感器犹如系统之“慧眼”，承担监控温室内部环境的任务，诸如气温、湿度、土壤湿度、光照程度以及二氧化碳含量等因素。这些传感器具备出色的敏锐度和精确度，能够即时精确地洞察大棚内部的环境状况。中心控制器被誉为系统的核心中枢，根据预设的指令或算法，设备将依据决策对执行器进行相应操控。例如，当气温攀升至预定界限，调控部件便会引导制冷设备投入运作。执行器便是系统之内的“行动器官”，包括水泵、风扇、加热器、遮阳网等，这些因素直接影响着大棚内的生态环境，将蔬菜的生长环境调整至最佳状态，以充分发挥其生长潜力。

（二）软件架构

软件架构构成了智慧蔬菜大棚的坚实根基，涵盖数据搜集、处置及决策准则等方面。系统初始，便依序在温室之中布置诸多探子，目的在于采集四周环境之信息，这些信息将被送达核心处理器。数据在初步的整理和归类过程中，以保障其纯正和精确性。接着，运用复杂数学原理，对这批数据进行深入探究与梳理，探寻环境变迁之迹象与规律。例如，通过运用机器学习算法，我们可以预见未来一段时间的环境变化走向，并据此提前采取调整措施。决策算法构成了软件架构的核心要素，该设备根据数据解析，自动构想出最优环境调控方法。这些策略或许涉及对温度、湿度、光照等方面的调整，为确保蔬菜能在适宜的环境中茁壮成长。系统配备有一用户界面，使使用者能够实时关注大棚当前状况，对环境参数进行手动调整，或浏览过往的历史记录与走势图。用户界面友好地构建了交互设计，使得即便是非技术人员也能轻松操作和管理[1]。

二、环境监控与数据分析

（一）实时监控

智慧蔬菜大棚的生态环境得以全面监控，蔬菜茁壮成长，实时监控为其创造最优环境，这一环节至关重要。此系统依赖于一系列尖端的高精度感应器，对温度、湿度、光照强度等关键环境因素进行持续不断的实时追踪。那些传感器经过精心策划，被安置在大棚的重要区域，例如，在温室的上部、中部与底部，分别设置了温湿度传感器，以便全面掌握空气状况的各项数据；为精准测量光线强度，我们在各个方向与高度布置了光照传感器；在各类植被根际附近安置土壤湿度监测器，为精确把握土壤之湿润程度。如此周详的安排确保了大棚内部环境的全方位把握，从而为蔬菜之茁壮成长提供了稳固之数据保障。无线网络成为传输实时监测数据的桥梁，将这些数据源源不断地送至中央调控中枢。该系统得以让数据实时展示在用户眼前，使管理员得以随时了解大棚内部的细致环境变化，尚能依据历史轨迹与现状数据，对环境变迁趋势进行解析。监控系统的警报功能在维护环境安全方面至关重要。一旦察觉到任何关键数据脱离预定的正常区间，系统将通过短信、电子邮件或应用推送消息告知管理员，从而确保在第一时间内实施恰当的应对策略。这种迅速的应对措施成功地规避了环境异常对蔬菜生长可能带来的负面影响，这无疑极大地增强了管理效能及应变速度。借助这套高度智能化且自动化的监控体系，智能温室为植物繁茂提供了稳定且可调控的优越条件，因此，高品质和高产量的农作物得以确保。

（二）数据分析与决策

收集的环境参数数据在大棚管理系统中，除实时监控外，尚有其他应用，数据分析和决策制定依旧是其坚实的基础。系统内的数据分析部分依赖于尖端的数据处理技术与算法，诸如时间序列分析、模式识别等领域，对所收集的数据进行详尽的研究与探讨。这一过程有助于揭示环境变迁的规律，探寻未来环境变迁脉络，或许能揭示在特定环境下，蔬菜生长的最优方式。根据所述分析，决策模块将生成相应的调整策略。例如，据数据分析，数日持续高温可能对蔬菜生长带来负面影响，智能调控使得遮阳网与喷雾设备得以自动调整，旨在减小温室内的热量并提高空气湿度。同样如此，当预见到光线不足时，系统将调节补光灯的运用，为保证作物得到足够的光照。根据土壤湿度和植物生长阶段，系统能自行调整灌溉设备，令土壤湿度保持在适宜之境。智慧蔬菜大棚由此具备了适应环境的能力，且能预知并顺应未来之环境变迁，从而精细调整蔬菜的生长环境，以提升产量及品质至最高水平

[2]。

三、自动调节与控制系统

（一）控制策略

智慧蔬菜大棚的自动调节与控制系统关键在于其能够依据实时监控数据，自动调控大棚内环境条件。这一系统整合了尖端的感知手段与自主控制策略，达成高度自动化与智能化之管理。控制策略的基石乃是一个灵活的反馈循环，持续地对传感器所收集的实时数据进行评估与分析，用于判断是否需对温室内部环境指标进行适度调整。例如温度控制策略：当传感器在温室中揭示出温度已超出植物生长适宜区间时，自动调节机制将激活冷却装置，如激活通风设施或启动水帘以降低温度。同样，若温度未能达到适宜生长之标准，热能调控机制将得以启动，从而提升气温。湿度调节亦遵循同样之道，借助调控喷水装置或湿度调节器，以维持恰当的湿度等级。光照管理通过智能调控遮阳网或利用人造光源，以确保植物充足的光照需求得到满足。此智能调控体系不仅提升了温室栽培管理的效能，此外，通过保持最适宜的生长环境，增益农作物之产量与品质，实为关键之举。该设计方案赋予了系统高度的适应性和可调整性，使其能够满足各类蔬菜及不同生长阶段的特定需求。

（二）系统效果评估

考察智能菜棚自适应调节与操控效能，对比蔬菜在实施前后的生长环境与收获量即可。在某一具体实例中，导入该体系以发挥作用，一座中型菜园温室在调控温度、湿度及光照方面取得了显著成效。事实证明，相较于传统的人工管理方法，新型方式更具优势，该系统能够更为精确地保持最优生长环境的调控，因此，蔬菜的生长速度与整体健康状况得到了显著提升。关于产量方面的数据揭示，在引入智慧控制系统之后，相同面积的农田所产蔬菜数量约有百分之二十的提升。由于对环境因素的把握更为精准，蔬菜品质已然显著升华，涵盖更为均衡的熟程度与更高品质的味觉体验。这些优化不仅增强了市场地位，这也使得农场主获得了更为丰厚的经济效益。这一体系在优化蔬菜生长发育环境与提升产量方面表现出显著的优势。虽初始投入颇巨，然通过提升产能与优化品质，长期收益得以实现，使其成为既富有经济效益，又具有实际可行性的投资之选。随着工艺的精进和费用的削减，预料这种系统将广泛应用于农业生产领域[3]。

结束语：

通过本研究对基于物联网的智慧蔬菜大棚环境监控与自动调节系统的探讨，彰显了物联网技术在现代农业中的重要应用价值。该系统不仅优化了蔬菜的生长条件，提高了产量和品质，也为农业生产的智能化和可持续发展提供了有力的技术支持。未来，随着物联网技术的进一步发展和完善，预期其在农业领域的应用将更加广泛和深入。

参考文献

[1]卢志权,姜爽,李晓娜等.物联网的智慧温室大棚蔬菜种植技术分析[J].新农业,2022,(23):37.

[2]惠兴雁.智慧农业在蔬菜大棚中的应用探析[J].中国农机监理,2022,(07):26-28.

[3]赵丽丽.基于物联网的蔬菜大棚环境监控系统设计[D].甘肃农业大学,2013.

本文为河南省教育厅2021年大学生创新创业训练计划项目“智慧蔬菜大棚控制系统”（编号：S202112746037）、郑州科技学院2021年大学生创新创业训练计划项目“智慧蔬菜大棚控制系统”（编号：DC202137）阶段性成果