基于物联网的智慧农业整体解决方案.docx
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基于物联网的智慧农业整体解决方案
智慧农业整体解决方案
第一章公司简介
1.公司概况
2.公司资质
第二章智慧农业概述
1.智慧农业
所谓"智慧农业"就是充分应用现代信息技术成果，通过物联网应用技术，集成应用计算机与网络技术、互联网技术、音视频技术、3S技术、无线通信技术及专家智慧与知识，实现农业远程控制、远程监测、可视化远程诊断、灾变预警等智能管理。
智慧农业是农业生产的高级阶段，是集新兴的互联网、移动互联网、云计算和物联网技术为一体，依托部署在农业生产现场的各种传感节点（环境温湿度、土壤水分、二氧化碳、图像等）和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析、专家在线指导，为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策。
智慧农业就是将物联网技术运用到传统农业中去，运用传感器和软件通过移动平台或者电脑平台对农业生产进行控制，使传统农业更具有"智慧"。
除了精准感知、控制与决策管理外，从广泛意义上讲，智慧农业还包括农业电子商务、食品溯源防伪、农业休闲旅游、农业
信息服务等方面的内容。
2.智慧农业的特点
智慧农业是物联网技术在现代农业领域的应用，主要有远程控制功能、监测功能、实时视频监控功能和农业大数据分析功能。
（1）监控功能系统:
根据无线网络获取的植物生长环境信息，如监测土壤水分、土壤温度、空气温度、空气湿度、光照强度、植物养分含量等参数。
其它参数也可以选配，如土壤中的PH值、电导率等等。
信息收集、负责接收无线传感汇聚节点发来的数据、存储、显示和数据管理，实现所有基地测试点信息的获取、管理、动态显示和分析处理以直观的图表和曲线的方式显示给用户，并根据以上各类信息的反馈对农业园区进行自动灌溉、自动降温、自动卷模、自动进行液体肥料施肥、自动喷药等自动控制。
（2）监测功能系统:
在农业园区内实现自动信息检测与控制，通过配备无线传感节点，太阳能供电系统、信息采集和信息路由设备配备无线传感传输系统，每个基点配置无线传感节点，每个无线传感节点可监测土壤水分、土壤温度、空气温度、空气湿度、光照强度、植物养分含量等参数。
根据种植作物的需求提供各种声光报警信息和短信报警信息。
（3）实时图像与视频监控功能:
农业物联网的基本概念是实现农业上作物与环境、土壤及肥力间的物物相联的关系网络，通过多维信息与多层次处理实现农作物的最佳生长环境调理及施肥管理。
但是作为管理农业生产的人员而言，仅仅数值化的物物相联并不能完全营造作物最佳生长条件。
视频与图像监控为物与物之间的关联提供了更直观的表达方式。
比如:
哪块地缺水了，在物联网单层数据上看仅仅能看到水分数据偏低。
应该灌溉到什么程度也不能死搬硬套地仅仅根据这一个数据来作决策。
因为农业生产环境的不均匀性决定了农业信息获取上的先天性弊端，而很难从单纯的技术手段上进行突破。
视频监控的引用，直观地反映了农作物生产的实时状态，引入视频图像与图像处理，既可直观反映一些作物的生长长势，也可以侧面反映出作物生长的整体状态及营养水平。
可以从整体上给农户提供更加科学的种植决策理论依据。
3.智慧农业的作用
"智慧农业"能够显著提高农业生产经营效率。
基于精准的农业传感器进行实时监测，利用云计算、数据挖掘等技术进行多层次分析，并将分析指令与各种控制设备进行联动完成农业生产、管理。
这种智能机械代替人的农业劳作，不仅解决了农业劳动力日益紧缺的问题，而且实现了农业生产高度规模化、集约化、工厂化，提高了农业生产对自然环境风险的应对能力，使弱势的传统农业成为具有高效率的现代产业。
"智慧农业"能够彻底转变农业生产者、消费者观念和组织体系结构。
完善的农业科技和电子商务网络服务体系，使农业相关人员足不出户就能够远程学习农业知识，获取各种科技和农产品供求信息;专家系统和信息化终端成为农业生产者的大脑，指导农业生产经营，改变了单纯依靠经验进行农业生产经营的模式，彻底转变了农业生产者和消费者对传统农业落后、科技含量低的观念。
另外，智慧农业阶段，农业生产经营规模越来越大，生产效益越来越高，迫使小农生产被市场淘汰，必将催生以大规模农业协会为主体的农业组织体系。
第二章智慧农业必要性
1.智慧农业“农业物联网”的必要性
Ø“农业物联网”概述
随着“互联网+”的蓬勃发展，互联网已全面深入到政企办公、经济发展、社会服务等各个领域、层面和环节，全面改变着人们的工作、生产、生活理念，在此形势下，如何顺应信息科技发展潮流，主动运用互联网应用服务行业发展，是政企客户面临的现实选择和必然要求。
而设施农业物联网是运用物联网、云计算、移动互联网等新一代信息技术，感知农业生产环境、采集生产信息和市场信息，为农产品的生产、流通、消费、管理等全产业链提供服务。
我司充分利用物联网技术结合实际需求设计此方案，以实现农业的
智能化、信息化及自动化。
Ø总体目标
项目的建设坚持以物联网技术为导向，在物联网终端设备全覆盖情况下将会实时将环境参数传输至服务平台，为农业生产者及专家、农资提供商、协会组织、经纪人等群体提供专业的数据信息服务。
物联网终端设备的研发与推广、服务平台的应用，将会使我国的农业生产逐渐走上信息化的生产之路，从而刺激农业生产向标准化、智能化、精细化的方向发展；刺激农业服务向产业化发展。
专家也更能集中的为农业生产者提供专业的信息服务、技术服务；农资提供商也能更好的为自己企业的发展找到目标客户群体，为企业创收；协会组织、经
纪人也可以为自己找到更好的产品，与消费市场有效对接；政府能够通过农业生产散户和中小型农企的生产计划完成市场的供需调控，或者说，政府可以介入到中小型农企生产计划的制定从而调节未来市场的供需平衡。
为社会的和谐稳定起到一定的促进作用。
2.设施农业物联网应用系统的优点
1、服务于农业生产者
（1）产前：
指导农户合理制订和调整种计划，有效降低市场风险；
（2）产中：
指导农户科学种植、提高产量、避免灾害风险；降低劳动强度；
（3）产后：
指导农户合理选择销售渠道，帮助农户增收致富；
（4）综合：
根据常年温湿度统计，可指导农户种植新的高价值品种作物，提升农户收入。
（5）为规模化的农业生产提供管理手段，降低企业运行成本。
（6）推动我国农业生产的工业化进程。
2、服务于专家
（1）区域内全部的实时环境数据、历史数据和作物病虫害照片，有针对性的为农户提供科学的农事操作建议和病虫害防治指导；
（2）对在生产中出现的共性问题，专家还可通过平台发布公告，公告将短信的形式发送给农户；与农户进行交流互动，在线回答农户遇到的实际问题。
（3）实现信息化的农业技术服务，有效提高为农服务水平。
（4）历史温湿度曲线可以为科研提供数据，结合生产情况建立各类作物的最优环境控制模型，逐步形成数字化的农业技术。
3、服务于政府
设施农业物联网的广泛应用，依据每栋大棚的面积和茬口规划，通过服务平台的统计可以提供如下数据和服务：
（1）每栋大棚的全年生产计划。
（2）统计出全基地、全区域的设施农业生产计划。
（3）各级政府主管部门可以通过此系统指导农户调整茬口规划，形成合理的农产品供给结构，保障供给。
（4）科学调度物流，缩短农产品流通半径，降低流通成本，稳定农产品价格。
（5）政府相关部门可以实时查看各生产基地的历史温湿度曲线，判断环境因素可能引发的农产品质量安全隐患，为质量安全监管提供依据。
4、服务于流通环节
（1）商贩通过服务平台在最短流通半径内连接产地和批发市场，降低物流成本。
（2）为实现远期交易提供条件，推进小规模生产的订单农业的发展。
（3）为批发商和零售商提供交易平台，为实现生鲜农产品电子商务提供条件。
3.解决方案概况
本设计整体方案包含温室大棚自动控制系统、远程自动化灌溉系统、远程视频监控系统、农产品溯源体系和智慧农业管理平台。
Ø
温室大棚自动控制系统：
小型气象站可实时监测园区的温度、光照强度和风速；大棚管家可实时监测温室大棚内的空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、二氧化碳等数据，根据棚内温湿度自动调节风口大小，通过时间设定、遥控器和手机APP远程控制或自动起放棉帘，以实现温室设施自动化，使作物处于最佳生长环境。
Ø远程自动化灌溉系统：
根据建设地域的地貌环境及不同的种植作物，进行分区管理、无线远程控制、平台自动控制和精准施肥等高效的管理手段。
避免了人为因素影响，能够严格执行灌溉制度，
不仅实现定时、定量、定次的科学灌溉，而且保证了灌溉的均匀度，真正实现了远程控制、精准灌溉、精准施肥，成为精准农业重要的技术保障。
Ø远程视频监控系统：
食品安全是现在大家最为关注的问题，远程视频监控系统可实现全景监控，从而保证农产品“从田间到餐桌”的全过程尽在掌握。
Ø智慧农业管理平台：
用户也可通过登陆网页或手机APP实时查看各环境数据及设备状态，还可以对设备进行远程控制，指导管理者的农业生产。
Ø
农产品溯源系统：
通过采用计算机信息技术、RFID射频识别技术、结合追溯二维码功能进行综合构建，重点解决农产品、畜禽产品、水产品在生产种植、养殖、屠宰、销售等环节的应用，面向种植生产企业、农户、养殖户屠宰厂、农业执法的实时监管系统，形成“种、养殖-屠宰-销售”全流程的可溯源数据链，实现农产品质量管控。
第三章温室大棚自动控制系统
1.系统组成
整个系统主要设备均采用无线传输，通过空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光照强度传感器、风速传感器、二氧化碳传感器采集到环境数据，将采集到的信号传输至大棚管家控制箱，控制箱再将这些数据和棚内设备状态等数据上传至系统接收器，所有数据可在系统控制平台中显示，同时数据通过系统接收器的GSM网络发送至服务器。
用户可自行选择手动/自动来控制卷帘和风口的开合。
系统构架如下：
2.产品概述
在每个温室中安装3个无线温湿度传感器（东、西、中），并在种植区域安装土壤温湿度传感器、光照强度传感器、风速传感器、二氧化碳传感器，通过传感器实时采集棚内的空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、风速、二氧化碳浓度等数据，通过移动互联网络传输至服务管理平台，服务管理平台结合作物生长周期和棚内实时空气温湿度数据，最终通过“大棚管家”自动控制终端实现对棉帘的自动卷放、风口的自动开合，使作物始终处于系统设定的最优温湿度环境。
从而节约人力、提升管理、提升农产品品质。
此外，系统可将棚内温湿度、土壤温湿度等参数采集并上传至服务器，用户还可通过网站或手机APP等手段对各时间段参数进行查看。
3.产品功能
●实时监测功能通过（东、西、中）三个传感器可以对用户的大棚内外温度、棚内湿度实施24小时的实时监测，并在系统平台中记录相应数据，方便用户的查询使用。
●查询功能农户使用电脑登录管理平台或登录设施农业物联网网站,查看自家大棚内实时环境参数和历史环境参数；或用户下载安装手机客户端APP登录系统平台后查看当前自家棚内的环境参数。
●实时告警功能当棚内温度过高或过低时，系统会向用户发送告警短信，通知用户及时采取相应措施，避免造成损失。
●灌溉控制功能：
对于自动化要求较高的大棚，我们的系统可以根据土壤的湿度来进行灌溉的自动控制。
●茬口规划参考与供求平衡功能根据不同地域大棚种植者植作物的土壤利用情况、作物生长的地域性、设施条件及作物对温湿度的要求、作物生产时期周边市场的历史行情和作物种植的前期投资情况，进行全面的茬口规划建议，帮助用户设计出较为理想、考虑更为周到的农业生产规划。
政府根据这些数据，一方面可以指导农户调整茬口规划，避免跟风种植的情况，形成合理的农产品供给结构，既保障了品种齐全的农产品的供给，又保障了种菜农户的利益；另一方面可以科学调度物流，提高农产品流通效率，降低流通成本。
●农技专家在线指导功能如果用户有种植方面的问题（如病虫害预防及治理）可在网站上咨询相关农业专家，专家会在24小时之内完成问题的回复工作，给用户最满意、最细致的指导。
●积温计算功能根据种植的果树品种设置休眠开始时间、休眠温度的区间范围（如0°C--7.2°C）和积累时间，设置确认启动积温工具后，在达到用户所设置的累积时间时，系统会给用户发送相应的提示信息，以保证用户所种植的果树在设施条件下正常生长发育，实现高坐果率。
●大棚环境控制评价功能通过大棚环境控制评价功能服务，可判断出用户大棚内的温湿度环境是否控制在适宜作物生长的范围内，卷
（盖）帘时间的把握是否合理，并且可以与系统设置的大棚环境控制标准或其他用户进行对比，以便了解自己在控制大棚环境方面的不足，从而提高控制大棚内环境的能力，为作物生长创造良好环境。
●任务分配功能通过此平台可以灵活的把各个大棚分配给固定的管理人员，做到分工合理，责任到人。
农企管理人员可通过大棚环境控制评价来评判员工对于大棚环境综合控制的好坏，便于农企对员工进行绩效考核。
4.卷帘机自动控制设备
安装实景
实现原理：
本系统可实现手动及自动两种控制模式，无特殊情况时系统均采用自动控制方式。
该控制模式下，首先设定大棚卷帘及放帘的时间，到达该时间后，系统给予电机动作信号，电机工作，卷帘时，电机正转，棉帘卷起，完成卷帘的过程。
放帘时电动反转，卷帘放下，完成放帘的过程。
本系统采用双限位设计，配有上下限位开关各两个，确保整个系统在使用过程中更安全。
5.产品参数
无线空气温湿度传感器
测量范围：
温度：
－20℃～＋60℃
相对湿度：
20％～90％RH（0℃～＋55℃）测量精度：
温度：
±1℃相对湿度：
±5％显示分辨率：
温度：
0.5℃相对湿度：
1％
响应时间：
<=1min
与采集器的无障碍传输距离：
>300米
供电：
2节普通5号碱性电池；使用时间约为1年。
光照传感器
测量范围：
0~200000Lux精度:
≤±5%FS
分辨率:
1Lux或100Lux响应时间:
小于1秒
稳定性:
≤±2%FS
输出电压/电流：
4-20mA输出
二氧化碳传感器
量程：
0~5000ppm；精度：
≤±2%ppm；响应时间：
<30sec；
输出电压/电流：
4-20mA输出
土壤温度传感器
温度量程：
-55℃~+125℃温度精度：
±0.5℃
响应时间：
200s探针直径：
8mm
探针长度：
100mm、250mm、450mm
土壤湿度传感器
量程：
0~100%RH精度：
±3%
响应时间：
<1s探针直径：
3mm探针长度：
60mm
6.安装方案
1总体方案介绍
该系统采用先进的物联网技术，具有自组网、自愈合、云端计算等全新功能。
采用GPRS无线信号传输，具有极高的安装灵活性。
安装在客户现场的环境采集仪把采集到的各项环境参数通过移动网络传输到互联网，用户通过访问互联网或智能终端上网就能实时查看现场的环境参数等信息。
2安装流程安装
以100米长、15米宽的带保温墙体的节能型日光温室为例，结构如下图所示：
以100米的日光温室为例，安装标准要求如下：
1、电源线铺设
基站的电源布线要求：
将电源线直接伸入靠近大棚出口旁边。
大棚管家终端设备电源布线要求：
电源线距门口5米（避开大棚人行通道和风口处），固定在大棚的龙骨架上，顺下来距地面1.4米。
（注：
电源线必须要有电源插线板，安装基站和大棚管家控制设备的棚内需要多孔插线板，其电压保证在220V）
2、安装具体过程及要求
2.1基站的安装：
要求CCU设备安装在出口旁边，挂在墙上，距地面1.6米（避开风口）处；（注：
安装好CCU后，给其通电观看CCU指示灯显示是否正常。
）
2.2基站及其所属的终端设备位置分配关系，如图1所示：
图1大棚管家网络覆盖示意图
基站位于700mx700m正方形区域的中心，该区域内的所有大棚由此基站管理。
对于100mx15m大棚，共有126个大棚（大棚管家设备）归属该基站管理。
基站主机安装实景图
2.3
大棚管家控制箱的安装：
大棚管家设备的安装要求避开棚内人行过道和通风口，距离门口5米、距离地面1.6米处，详见图2所示。
图2大棚管家安装示意图-剖面图
控制箱安装实景图
2.4无线温湿度传感器的安装：
要求将大棚长四等分，宽三等分，将传感器安装在A、B、C三个等分点上，距地面1米，详见图3及图4所示。
（注：
在安装传感器前需给传感器安装电池，挂传感器时必须避开风口。
）
图3无线传感器悬挂位置图4大棚管家安装示意图-俯视图
无线温湿度传感器安装实景图
2.5基站的天线：
将基站天线的延长线伸出棚外4米高，用配带的支架垂直悬挂在棚顶上，详见图5所示。
基站及风速传感器安装实景图
图5基站、大棚管家与传感器天线安装示意图
2.6限位器安装：
上下各采用两个限位，以保证卷帘到达限位自动停止运行，确保整个系统在使用过程中更安全。
详见图6所示。
图6限位开关布置图
上限位安装实景图下限位安装实景图
2.7其他传感器的安装（如有）：
光照强度需安装在温棚上方，且根据现场及当地情况适当调整仰角；二氧化碳浓度需根据种植作物选择适当的安装位置；土壤温湿度传感器需安装在作物下方。
光照及二氧化碳浓度安装实景图
土壤温湿度传感器安装实景图
2.7风口控制系统：
首先，在后墙中间处柱子上固定好电机，在其余柱子上安装好固定支架，连接好链条、钢丝及绳索后，安装滑轮并固定风口拉绳，设备即可正常运行。
电机安装实景图
固定支架现场安装实景图
钢丝及滑轮安装过程实景图
安装完成实景图
3调试
安装结束后，使基站处于运行模式并通电，观察基站上的三个指示灯（绿灯常亮为电源指示灯；黄灯闪烁表示接收到服务器的数据；红灯闪烁表示接收到大棚管家的数据）是否正常。
基站的指示灯正常后，观察终端上的R值（即终端接收基站的信
号强度，有效范围-30--75，单位dBm，越靠近-30表示信号越强，越靠近-80表示信号强度越弱。
）是否在有效范围内，如果不在有效范围内，请调整终端设备天线的位置；同时查看大棚管家LCD屏幕上显示的棚内温湿度值、棚外温度值、风速值是否正常；检查无线传感器在终端上显示的R与T值，调试范围为-35—80，（单位dBm，越靠近-35表示信号越强，越靠近-80表示信号强度越弱）。
调试完成后，所有数值将会实时上传至服务器，供农户通过网页或手机APP查询。
整个系统便可实现手、自动及远程控制棉帘与风口，实现温棚的智能化控制。
第四章远程自动灌溉系统
1.典型设计
本典型设计以当地典型设计地块选取区域，气候条件及灌溉制度以当地近年各项技术参数为准。
可将园区划分为经济作物园区、果树园区、经济林园区、园林绿化区和大田作物区等若干个区域，针对不同的区域定制相应的灌溉施肥计划，通过远程自动控制系统进行分段、精准控制，从而达到增产、节水、节肥、节地、节省劳力及规模效益等目的。
远程自动灌溉系统不仅实现定时、定量、定次的科学灌溉，而且保证了灌溉的均匀度，真正实现了精准灌溉，成为精准农业重要的技术保障，成为农业现代化发展的主要方向。
项目园区现有水源为地下水，且园区面积较大，如采用大水漫灌的传统灌溉方式，水资源浪费现象严重，灌溉效益低下。
本项目针对当地地区的气象、水文、土壤、种植结构的具体情况，建设自动化滴灌系统。
工程项目主要建设内容包括田间节水灌溉工程、自动化控制系统两项主要内容，主要工程量包括：
建设滴灌系统xx个，共计xxxx亩（以实际测量为准），配套自动化控制系统X个。
工程建设后，可大大提高灌溉水利用效率，彻底解决由于灌溉工程供水不足、水量紧张造成的用水纠纷，可大大提高灌溉管理水平，大幅度降低灌溉用人工，通过自动化高效节水灌溉措施，推进种植结构调整，促进农业增产和企业增收。
2.自动化滴灌控制的优点
1）增大了田间输水压力，提高了灌水均匀度和水分利用率
原有滴灌系统采用人工控制球阀进行灌溉，种植户不能严格按照设计轮灌，经常人为延长轮灌时间，造成轮灌周期得不到有效控制，作物因灌水不均匀而不能达到理想的节水增产效果。
通过滴灌自动控制系统可进行集中规范管理，杜绝了人工开启阀门的随意性。
2）提高了人均管理定额，减少了滴灌系统运行成本
滴灌自动控制系统由中央监控站直接发送灌水指令，无需人工到田间开关阀门，提高了人均管理定额，减少了滴灌系统的运行成本。
3）滴灌技术的增产潜力得到充分发挥
普通膜下滴灌主要以时令、经验决定是否灌溉，需水量由管理者主观决定，往往考虑不周作物实际需水时间和需水量，从而造成灌水量或大或小，灌溉质量差等。
由于自动化滴灌的轮灌制度得到准确执行，灌溉周期、灌水量均得到了有效保障，作物产量有一定程度的提高。
总之，滴灌自动控制技术具有很多的优点，它杜绝了人为因素影响，可保证滴灌系统按照水利设计要求正常运行，能严格执行灌溉制度，保证灌溉均匀度；它提高了滴灌系统设备运转效率，方便、灵活的根据农作物不同生育期的需水规律合理分配和调整灌水量，使有限的水资源得到最合理的分配；它提高了滴灌系统电能利用率，减少维护费用，节约电费；它减轻了劳动强度，提高劳动生产率，节约人力成本，实现人所力不能及的劳动。
该技术的示范推广也为全国全面实现精准农业奠定了基础，它促
进了滴灌技术的健康持续发展，提高了劳动生产率，降低了劳动强度，提高了作物产量，增加了农业效益。
3.工程规划布置
✧水源工程
本滴灌系统的水源为机井，水质符合农田灌溉水质标准，可用于滴灌，水量可满足总的灌水量要求（系统总供水流量的确定需做水量平衡分析）。
✧首部枢纽
为便于运行管理，首部位置定于机井所在位置。
首部枢纽设备分别采用潜水电泵、“网式自清洗（120目）过滤器”、压差式施肥罐（安装在网式自清洗过滤器前面），首部装有压力表、进排气阀、闸阀、水表等设备和仪表。
✧输配水管网
根据条田宽度，本工程输配水管网采用支管轮灌的系统模式，由主干管、分干管、支管、毛管组成，主干管、分干管采用0.6MPa的PVC-U管以地埋形式铺设；支管、毛管铺设于地面，支管选用“Φ90薄壁PE管”，毛管见灌水器。
✧灌水器
本系统毛管采用内镶贴片式滴灌带，沿种植方向一管两行布置，铺设间距通常为120cm，其参数见表。
滴灌带参数表
额定工作水头h（m）
10
滴头间距Se（m）
0.3
额定流量q（L/h）
3.0
毛管布设间距SL（m）
0.9
毛管内径d（mm）
16
流态指数
0.5
4.系统工作原理
灌溉自动化系统融合最新的物联网和云计算技术，系统工作原理如下图所示。
主要包括三部分组成：
灌溉云数据中心、灌溉现场无线网络及设备、及监控中心和移动管理客户端组成。
灌溉云数据中心是由厂商提供的灌溉自动化管理系统云应用平台，实现的功能：
运行GPRS通讯数据传输软件，负责接收和发送各个监控点的监控器的采集数据、传送控制命令；运行灌溉管理软件，实施灌溉计划管理、灌溉预警管理、远程自动化控制管理等功能。
灌溉现场无线网络及设备由无线采集节点、无线阀控节点及机井智能控制站组成，机井智能控制站既是一台远程机井智能控制器，同时也是无线网关节点。
无线采集节点负责采集田间墒情、气象等信息，无线阀控节点实现阀控和状态监测等功能，同时利用自身的短距离通讯模块实现与机井智能控制站的通讯，各无线节点之间可以通过接力自组网方式与机井智能控制站通讯
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