基于物联网的塑料大棚保温被自动揭放对越冬叶菜生长及品质的影响

魏锋 ,  马丽娟 ,  葛静 ,  周娟 ,  张亚红

甘肃农业大学学报 ›› 2024, Vol. 59 ›› Issue (01) : 292 -303.

PDF (3710KB)
甘肃农业大学学报 ›› 2024, Vol. 59 ›› Issue (01) : 292 -303. DOI: 10.13432/j.cnki.jgsau.2024.01.033
食品科学·农业工程

基于物联网的塑料大棚保温被自动揭放对越冬叶菜生长及品质的影响

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The influence of automatically-operated insulating cover of plastic greenhouses based on the Internet of Things on growth and quality of overwintering leafy vegetables

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摘要

目的 为研究应用物联网系统调控塑料大棚保温被的自动揭放,对越冬叶菜生长及品质的影响。 方法 以每日日出日落时间为依据,针对不同气候环境,设计自动揭放保温被的环境条件阈值为处理H,园区管理员经验揭放时间为对照(CK)。两个塑料大棚内种植相同品种叶菜(小白菜、油麦菜、油菜、菠菜),对塑料大棚内叶菜的生长指标、品质及产量进行比较。 结果 基于物联网的自动控制系统能够有效监测温室内外光照强度、温度和湿度等环境信息,能进行保温被的自动揭放控制,并且该系统应用安全、方便、灵活。越冬叶菜3个生育期内,H处理比CK的平均空气温度和平均土壤温度分别高10.8%~21.3%和10.1%~23.2%,对叶菜的生长发育以及品质产量起到促进作用。 结论 物联网系统控制保温被揭放的塑料大棚具有良好的环境性能,可解决冬季叶菜缺乏问题,具有推广价值。

Abstract

Objective The study aimed to explore the effect of automatically-operated insulation cover of plastic greenhouse on the growth and quality of overwintering leafy vegetables, based on the application of Internet of Things system. Method Based on the daily sunrise and sunset time,the environmental condition threshold of automatic uncovering of insulation quilt was designed as treatment H for different climatic environments,and the uncovering time according to administrator experience as the control, i.e., CK. The same varieties of leafy vegetables(pakchoi,Leaf lettuce,rape and spinach) were planted in the two plastic greenhouses,followed by comparing the growth index,quality and yield of these leafy vegetables. Result The automatic control system based on the Internet of Things could effectively monitor environmental information such as light intensity,temperature and humidity inside and outside the greenhouse,and could automatically cover and uncover the insulation quilt. The application of the system was safe,convenient and flexible. During three growth periods of overwintering leafy vegetables, the average air temperature and soil temperature of H treatment were 10.8%~21.3% and 10.1%~23.2% higher than those of CK treatment, respectively, which promoted the growth, development and the quality and yield of leafy vegetables. Conclusion The plastic greenhouse controlled with the Internet of Things system has a good environmental performance, which may solve the problem of lacking leafy vegetables in winter and has a value of promotion.

Graphical abstract

关键词

物联网 / 塑料大棚 / 保温被自动揭放 / 生长 / 品质

Key words

Internet of Things / plastic greenhouse / insulating quilt / growth / quality

Author summay

魏锋,硕士研究生。E-mail:

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魏锋,马丽娟,葛静,周娟,张亚红. 基于物联网的塑料大棚保温被自动揭放对越冬叶菜生长及品质的影响[J]. 甘肃农业大学学报, 2024, 59(01): 292-303 DOI:10.13432/j.cnki.jgsau.2024.01.033

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近年来,设施农业迅速发展成为现代农业的重要组成部分。大跨度塑料大棚已经在全国各地的现代农业设施中广泛应用,但目前在大跨度塑料大棚信息化、智能化方面还有较大不足1。农业物联网2即一种应用无线传感网络技术,通过设计的协议,利用农业物联网系统中的温度传感器、湿度传感器和光照传感器等设备,监测环境中相对应的物理量参数,通过服务器对实时监测数据进行存储、智能化分析处理,以及对控制设备进行智能化调控3-6。进而为塑料大棚内的农作物提供一个良好、适宜的生长环境。我国北方地区秋冬季天气寒冷干燥,在没有任何防护措施的塑料大棚中,叶菜不能正常越冬生产。采用日光温室生产存在成本高,土地利用率低等缺点,选择新型大跨度塑料大棚可解决以上问题,并解决我国北方地区冬季叶菜短缺问题7-8。新型大跨度塑料大棚在棚膜外增加保温被,达到保温和抵御恶劣天气的作用,使棚内作物正常生长9-10。然而保温被的揭放是一项费时且重复性强的工作。目前新型大跨度塑料大棚安装的保温被普遍采用人工手动控制,保温被揭放时间平均为10 min,管理员步行约5 min,以园区有50 座大棚为例,共需750 min;以10名管理员为例,需要75 min,容易使作物采光时间受到影响。保温被传统的揭放方式效率低下,不利于规模化、集约化的生产11-12
基于物联网的保温被自动揭放控制系统能大幅减少耗时,解放劳动力。该系统通过程序判断环境条件自动控制,以及远程调控实现保温被自动揭放。并且在大棚顶部和外下墙安装限位器,以防止保温被过度揭放造成损失。同时,在棚内安装360°旋转摄像头,保温被自动揭放过程中,可以随时远程查看。该研究采用PC端和手机App 2种控制系统,实时监测空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度和光照强度等数据,并且对数据进行智能处理分析,与储存的生长模型比对,筛选出大棚内适宜叶菜越冬生长发育的环境条件,进行保温被自动揭放。该研究为基于物联网控制的塑料大棚保温被自动揭放管理,提供最直接的证据支撑。在实际生产中,以发挥出更优、更稳定的应用性能。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地点位于宁夏园艺产业园科研开发区基地(E 106°33′,N 38°58′)。供试蔬菜为小白菜(Brassica campestris L.)、油菜(Brassica napus L.)、油麦菜(Lactuca sativa L.)和菠菜(Spinacia oleracea L.)。试验在新型大跨度塑料大棚中进行,新型大跨度塑料大棚如图1所示,钢拱结构,用南北延长的方位,长80 m,跨度宽16 m,单栋建筑面积1 280 m2,覆盖PE复合多功能棚膜,外覆材质为双层羊毛的保温被。灌溉方式为滴灌。试验时间为2021年11月1日至2022年1月22日。

1.2 试验设计

试验共设两座塑料大棚,保温被揭放顺序均为:早晨先揭东侧保温被保证充足进光,西侧保温被保持不动,充当墙体起到保温作用;下午先放东侧保温被,充当墙体起到保温作用,西侧继续进光,保证光照时长。园区管理员按照日出日落时间经验揭放保温被为对照(CK),采用物联网系统自动控制揭放保温被的环境条件为处理H。对塑料大棚内之前试验年同时期环境条件进行处理分析,以及于2021年10月25日至10月31日开展预试验,对保温被揭放环境条件验证,结果表现良好。物联网系统核心部件为编程网关,网关一侧连接传感器、电机等设备,另一侧通过5G网卡连接手机App端,实时监测核心部件为编程网关,实时监测大棚内外部的环境,以便于控制塑料大棚保温被的揭放。H处理的实施需满足环境条件中的双因素即光照强度和温度,具体揭放方案如表1所示。

1.3 物联网系统总体设计

1.3.1 总体框架

物联网平台13能够实时监测收集塑料大棚的环境数据(包括空气温湿度、土壤温湿度、光照强度和二氧化碳浓度),可以根据需要对大棚内的环境信息进行智能化处理、分析及融合,实现对塑料大棚保温被的动揭放控制14-16。该系统主要由感知层、传输层、应用层3部分构成,如图2所示。

1) 感知层

可以实时获取前端感知信息,通过传感器和监控器对大棚内空气和土壤环境实时监测,以及对保温被的卷帘电机运行实时观测17-18。传感器测量空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、光照强度和二氧化碳浓度,均为无线传感器。监控器主要负责远程监测电机的执行状态。

2) 传输层

将感知到的数据和监测视频,采用短距离无线通信技术,实时上传至智能数据处理中心。短距离无线传感器网络19有 WiFi、无线433及ZiggBee,但ZigBee功耗高。而433MHz工作频段干净、无干扰且适用性强,因此本研究采用无线433。

3) 应用层

包括人机交互界面、PlC控制柜、手机App和执行电机。对上传的环境数据进行智能处理并存储:根据光照和温度的感知数据控制保温被;根据程序设定时间控制保温被;对多种感知信息进行综合处理,以及对视频信息的反馈存储。

1.3.2 物联网系统实现

本设计采用网状拓扑结构20-22,所有传感器节点与配备的核心网关连接,编写的程序代码提前存入核心网关之内,将采集的光照和温度数据与预设的阈值对比,最终判断保温被是否揭开/放下。比如:当出现大风天气,棚内温度骤降,传感器向网关传输实时数据,系统通过预设程序判断塑料大棚经受恶劣天气条件,需要放下保温被保持棚内温度,由此网关下达保温被放下的指令,以确保环境条件适宜,防止棚内叶菜受到损伤。整体上,此设计采用自动控制系统,通过预设程序和指令对保温被进行自动揭放控制,其流程如图3所示。

在实际生产过程中,常会遇到一些突发事件,比如极端天气或其他因素导致的突然停电等。因此整套系统需要具备可以外部介入(人工控制)控制保温被揭放的功能,以此来应对突发事件。鉴于此种需求,应用一套优先度高于自动控制系统,能够及时实现中断、打断的手机App。手机App操作支线流程如图4所示。

1.3.3 测定指标及方法

1.3.3.1 环境指标测定

空气温度测定:大棚内两个(南北方向25 m和55 m)观测点位,垂直高度1.5 m,大棚外设置一个观测点位,垂直高度1.5 m。土壤温度测定:大棚内设置两个测量点位,垂直深度15 cm,大棚外设置一个测量点位,垂直深度15 cm。光照值测定:大棚内设置两个观测点位,大棚外设置一个观测点位,与空气温度观测点位在相同高度和位置(图5)。

1.3.3.2 叶菜生长指标测定

选取3株生长相近的叶菜进行标记,每10 d测1次株高和叶面积。用卷尺测量株高,测量位置为根基部到茎顶端生长点的自然高度;用卷尺测量叶长和叶宽,分不同的生育期带入叶面积公式23进行计算,求得叶面积;用以下公式计算株高和叶面积相对生长率,Y1Y2分别代表在T1T2时期的株高和叶面积。

RGR=(lnY2-lnY1)/(T2-T1

1.3.3.3 叶菜生理指标测定

成熟期对两处理的4种叶菜进行品质指标测定。VC含量用钼蓝比色法测定;可溶性糖含量用蒽酮比色法测定;可溶性固形物含量用手持数显糖度计测定(TD-45);硝酸盐含量用水杨酸比色法测定;总酸用酸碱中和法测定24

1.3.3.4 叶菜产量的测定

各处理的叶菜产量按小区进行田间实测。记录各小区采收叶菜的质量及株数并记录采收时间,计算平均单株产量后求得单位面积产量。

1.4 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2010、SPSS 23.0软件处理,采用Origin 2021 软件作图。

2 结果与分析

2.1 对照塑料大棚保温被揭放时间统计

H处理控制保温被的揭放,依据日出日落,结合不同天气下的环境条件(光照强度和温度)来确定;CK处理是统计园区管理员按照人工传统经验揭放保温被时间。由表2可知,CK处理晴天光照时间比阴天光照时间长30~90 min。

2.2 塑料大棚保温被自动揭放对棚内环境因子的影响

2.2.1 两个试验塑料大棚内光照强度日变化和月变化比较

塑料大棚内温度的高低与光照有极大关系,特别对于白天土壤的蓄热及夜间土壤的放热有直接影响25-27。因此,分析两个塑料大棚光照强度的变化,是后续分析环境条件的前提和基础。由图6可以看出,在典型晴天(12月1日)条件下,试验大棚和对照大棚的光照强度变化趋势与室外变化趋势基本相同。在10∶00~16∶00,试验大棚光照强度平均值为12 350 lx,对照大棚光照平均值为12 003 lx,室外光照平均值为32 557 lx。试验大棚和对照大棚白天的透光率平均值分别为37.93%和36.87%。由图7可知,在叶菜的整个生育期(11月、12月、1月)内,两个试验大棚内的平均光照强度和最大光照强度,随着时间的推移呈现出下降的趋势,分析其主要原因为从初冬到深冬太阳高度角逐渐变小。经过比较发现,试验大棚和塑料大棚光照强度和透光率的平均值差距较小。由此可知,在同一天气条件下,试验大棚和对照大棚保温被的不同揭放条件对光照强度变化无影响。

2.2.2 塑料大棚保温被自动揭放对空气温度的影响

在新型大跨度塑料大棚日常生产中,越冬种植是极为重要的一个时期。小白菜、油菜、油麦菜和菠菜均为耐寒性蔬菜。根据前人研究28结果可知,叶菜最低耐受温度为-5~2 ℃。由表3可知,在叶菜3个生长阶段,试验大棚和对照大棚的平均温度均高于最低忍受温度范围,满足叶菜的生长需求。试验大棚内3个生长阶段的平均最低温度高于对照大棚0.56 ℃,平均最高温度高于对照大棚1.67 ℃,平均空气温度高于对照大棚1.13 ℃。由于棚内昼夜温差较大,对叶菜有机物的积累极为有利,所以该温度符合新型大跨度塑料大棚中叶菜越冬生产中的要求。

2.2.3 塑料大棚保温被自动揭放对土壤温度的影响

土壤温度对蔬菜根系的生长延伸和吸收水肥的能力起决定性作用。过高或过低的土壤温度都会影响到根系生长发育,减弱对水分和养分的吸收,使地上部生长受到阻碍。根据前人的研究可知29,叶菜类蔬菜根系生长适宜温度为4~24 ℃。由表4可知,试验大棚和对照大棚的平均土壤温度均处于叶菜所需温度的范围内,相比于对照大棚,试验大棚的平均土壤温度高于对照大棚。在叶菜的成熟期,由于外界温度过低,出现连续阴天(冰雪天气)导致棚内空气温度和土壤温度显著下降;但是平均温度仍然满足叶菜生长所需温度,证明采用保温被自动揭放的塑料大棚满足叶菜的越冬生产条件。

2.3 塑料大棚保温被自动揭放对叶菜生长的影响

株高相对生长率和叶面积相对生长率是反映植株生长健壮程度的重要指标。由图8可知,塑料大棚保温被自动揭放对叶菜的生长有较为显著的影响。苗期,CK对小白菜株高和叶面积相对生长率有较大影响,分别高于H处理10.73%和35.2%;CK对油麦菜叶面积相对生长率有略微影响,高于H处理4.2%。生长期,H处理下小白菜、油麦菜、油菜和菠菜的株高和叶面积相对生长率均高于CK。在H处理和CK下,油麦菜的株高和叶面积相对生长率出现降低趋势,油菜的株高相对生长率有所降低。成熟期,CK的小白菜、油麦菜、油菜和菠菜的株高和叶面积相对生长率低于H处理。

2.4 塑料大棚保温被自动揭放对叶菜品质的影响

表5可知,在不同处理下(H和CK)两塑料大棚内同品种叶菜的硝酸盐、VC、可溶性糖、可溶性固形物和总酸度之间均存在差异。塑料大棚保温被自动揭放(H处理)对小白菜、油麦菜、油菜和菠菜的硝酸盐、VC、可溶性糖和可溶性固形物均有较显著影响,相比于CK均有提高。H处理对小白菜、油麦菜和油菜的总酸度存在显著影响,其含量有所降低。与CK相比,油麦菜的VC增加最多,提高45.50%,油菜的VC增加最少,提高16.4%;小白菜可溶性糖增加41.18%,可溶性固形物增加7.46%,总酸度减小66%。H处理下不同品种叶菜的硝酸盐含量明显高于CK,究其原因为H处理塑料大棚内的空气温度和土壤温度均高于CK。

2.5 塑料大棚保温被自动揭放对叶菜产量与经济效益的影响

表6可知,塑料大棚保温被自动揭放对同品种不同处理下叶菜的平均单株质量、单位面积产量和产量影响显著。小白菜、油麦菜、油菜和菠菜4种叶菜的产量H处理均高于CK,按照产量高低排序为小白菜>油麦菜>油菜>菠菜。根据叶菜成熟期市场价格统计小白菜按照2.1元/kg,油麦菜按照3.4元/kg、油菜按照3.2元/kg、菠菜按照3.1元/kg计算经济效益。H处理下小白菜的产量可达3 077.51 kg/667m2,经济效益为6 462.78元/667m2。与CK相比,油麦菜平均单株质量H处理增加19.2%,单位面积产量H处理增加10.64%,而总产量H处理增加了41.8%,经济效益为5 150.37元/667m2。这说明H处理对叶菜的产量有较大的影响,以及H处理可以增加叶菜的产量。适当增加光照时间,有助于叶菜光合产物的积累,提高叶菜的的产量。从经济效益来看,H处理与CK间小白菜的经济效益差距最大为4 197元/m2,菠菜的差距最小为376元/667m2,所以推荐大跨度塑料大棚越冬种植最佳叶菜品种为小白菜。

2.6 塑料大棚保温被自动揭放影响的环境因子与叶菜品质的关系

图9可知,塑料大棚保温被自动揭放所影响的环境因子与叶菜品质关系密切。对叶菜成熟期的生理指标(硝酸盐、VC、可溶性糖、可溶性固形物、总酸度)和总产量与环境因子做相关分析表明:VC与最大光照强度和土壤平均温度达到显著相关水平,与土壤最高温度达到极显著相关水平;叶菜的总酸度与平均光照强度、土壤最高温度、土壤最低温度和平均空气温度达到显著相关水平。叶菜的总产量与土壤温度达到极显著相关水平,与最大光照强度达到显著相关水平。相关分析结果表明影响叶菜成熟期品质不同指标的环境因子大致相同。

3 讨论

本文设计的自动装置采用物联网系统,可以根据预设天气环境条件控制保温被揭放,若遇到突发情况手机App可直接控制保温被揭放。本研究结果与张晓丽等30研究采用自动控制方式较为相似,在实际生产中可进行推广。该装置使用灵活方便,可以根据天气环境条件随时控制保温被的揭放,对应用的人群没有特殊要求。试验以园区管理员通过日出日落时间为参考控制保温被揭放为对照,比较H处理和CK的光照强度日变化、空气温度和土壤温度,能够清楚地获知试验塑料大棚和对照试验大棚棚内环境的变化状况;通过对叶菜的生长指标、品质以及产量的比较,可以确定H处理较CK更为科学,这与前人的研究31趋于一致。综合来看,在4种叶菜中小白菜品质、产量及综合指标最好,其次为油麦菜,比较适合新型大跨度塑料大棚进行越冬生产,油菜和菠菜表现较为一般32。在生产中,保温被的揭开时间普遍参考日出时间,但通过试验可知,在保证大棚内温度稳定的情况下,依据环境条件尽早自动揭开保温被使光照进入棚内更具有科学和依据性;田佳灵等33研究表明光照对蔬菜生长有重要影响。在不同的时节,具体操作还需要根据天气预报情况,随时动态调整控制保温被揭放的预设程序指令和方案。另外,本试验对于除晴天和阴天以外的多云天气(或冰雪天气)暂时没有较为吻合方案,后续可展开详细研究。

4 结论

试验根据不同天气状况设定不同的揭放保温被环境条件(光照强度和温度),与人工经验按照日出日落时间揭放保温被相比,物联网控制的塑料大棚内的空气温度和土壤温度分别增加10.81%~21.30%,10.09%~23.20%。H处理和CK的平均空气温度和平均土壤温度均满足叶菜生长所需的温度。与CK相比,H处理影响大棚内的环境条件,可以对叶菜(小白菜、油麦菜、油菜、菠菜)的生长发育以及品质产量起到促进作用。

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基金资助

宁夏回族自治区中央引导地方科技发展专项“设施蔬菜高产优质绿色栽培关键技术集成创新与转化”(2021FRD05018)

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