設施園藝物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境控制關鍵技術及裝備

前言：2016 年度高等學校科學研究優(yōu)秀成果獎(科學技術) 在同行專家通信評審的基礎上，召開了專家評審會，評出擬授獎項目和青年科學獎候選人，對青年科學獎候選人進行了現(xiàn)場考察，經(jīng)高等學?？茖W研究優(yōu)秀成果獎(科學技術 )獎勵委員會審核，教育部領導批準，授獎項目為 309 項(其中，一等獎 116項，二等獎項目 193 項)、青年科學獎 9 人。設施園藝物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境控制關鍵技術及裝備汪小旵,沈明霞,孫國祥,熊迎軍,劉龍申,李永博（南京農(nóng)業(yè)大學工學院）隨著我國設施園藝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，先進的物聯(lián)網(wǎng)管控技術與裝備也越來越多的應用到各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，但是這些從工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中移植過來的技術還不能很好地適應復雜的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，還存在測控信號不穩(wěn)定、網(wǎng)關協(xié)議不統(tǒng)一、配套裝備不適應等問題。為此，課題組在國家自然科學基金、江蘇省科技支撐計劃等項目資助下，歷經(jīng) 7 年產(chǎn)學研聯(lián)合攻關，在設施園藝物聯(lián)網(wǎng)信息感知節(jié)點與異構網(wǎng)關、信息傳輸算法、配套控制裝備等方面開展了技術創(chuàng)新、產(chǎn)品研制與集成應用，取得了如下重大突破：（1）發(fā)明了設施園藝環(huán)境信息監(jiān)測與管理系統(tǒng)，解決了設施種植環(huán)境信息采集、發(fā)布、共享，以及遠程設備的在線控制管理問題。該發(fā)明主要針對現(xiàn)代大型設施園藝種植環(huán)境信息采集節(jié)點多、信息類型多、傳輸距離遠等特點，結合嵌入式技術和 ZigBee 組網(wǎng)技術，實現(xiàn)遠程移動終端遠程查詢、輕量數(shù)據(jù)庫、視頻查看和遠程控制等功能，對 WiFi、EDGE、3G/4G 不同網(wǎng)絡制式的網(wǎng)絡實現(xiàn)了無差別支持，接入方式多樣，人機互動良好。 （2）發(fā)明了設施園藝環(huán)境監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡智能網(wǎng)關，并提出單多共存LEACH 算法及兩級預測 WSN 數(shù)據(jù)傳輸算法等多種信息傳輸算法，解決了設施園藝物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸速率慢、傳輸效率低、傳輸能耗高、數(shù)據(jù)沖突、接入方式單一等問題。智能網(wǎng)關通信采用 CDMA EVDO 技術，使用 CC1100 ZigBee 等無線射頻模塊，提高了數(shù)據(jù)處理能力，減輕了網(wǎng)絡傳輸負荷。在傳感器端和服務器端建立分段回歸方程，并引入自適應加權算法，實現(xiàn) WSN 系統(tǒng)中同構傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的服務器端融合。為了減少傳感器節(jié)點能耗，在簇頭節(jié)點與基站通信時采用單跳與多跳共存的方式，充分延長了節(jié)點和網(wǎng)絡的壽命。無線節(jié)點 無線網(wǎng)關（3）發(fā)明了基于環(huán)境信息和作物信息融合的多尺度設施園藝物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境控制系統(tǒng)，解決了環(huán)境信息、作物信息與肥水信息融合控制問題。在傳統(tǒng)設施園藝物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境控制系統(tǒng)基礎上，引入作物信息，并綜合考慮設施園藝環(huán)境信息和作物信息對設施園藝物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境控制的要求，通過多信息融合技術，建立了包含作物信息的綜合設施園藝信息融合平臺和環(huán)境智能決策控制系統(tǒng)。室內(nèi)環(huán)境采集 室外環(huán)境采集作物個體信息采集系統(tǒng)作物群體信息采集系統(tǒng) 設施溫室環(huán)境信息檢測與控制系統(tǒng)研究溫室環(huán)境信息控制器 （4）發(fā)明了設施園藝肥水一體化灌溉施肥系統(tǒng)、設施作物生長信息監(jiān)測系統(tǒng)以及觸壓擾動信號的蟲情監(jiān)測系統(tǒng)等設施園藝環(huán)境信息管控配套裝備，解決了設施園藝溫、濕、光、水、肥、氣等環(huán)境因子的智能協(xié)調(diào)管控問題以及蟲情監(jiān)測與預警問題。發(fā)明了多通道肥水一體化灌溉施肥系統(tǒng)，實現(xiàn)肥水精準高效混合；以激光視覺技術和雙目視覺技術，實現(xiàn)作物生長信息在線測量；根據(jù)觸壓擾動信號，實現(xiàn)蟲情檢測及預警，實現(xiàn)大范圍多區(qū)域超遠程病蟲害防治功能。該成果獲得國家授權發(fā)明專利 8 件，實用新型專利 11 件，軟件著作權 6 件，發(fā)表論文 108 篇，其中 SCI/EI 收錄論文 51 篇，江蘇省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站檢驗成果 3 項。該成果累積推廣應用 4856 畝，其中設施溫室 1356 畝、大田種植 3500 畝，降低設備管理勞動成本 80 %以上，實現(xiàn)增產(chǎn) 10 %以上，累計取得經(jīng)濟效益 1250萬元。