物联网智慧农业大棚监控系统建设方案设计.docx

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物联网智慧农业大棚监控系统建设方案设计

物联网智慧农业大棚监控系统

建设方案

基于物联网的智慧农业灌溉系统简介

该联栋温室的方案设计是依据西北地区的气候特点及自然条件，以及委托方建设温室的用途，参照农业部推行的“温室设计标准”而制定。

对该温室的设计我们从“科学、适用、耐久、经济以及美观”的原则出发，做到既满足使用方的要求、又不设计过剩功能，合理解决功能配置与建设成本的关系。

对温室的屋架，鉴于新疆伊犁地域的特殊性，建议全部采用热镀锌钢管标准卡具组合结构；智能农业系统依据具体需求设计思路如下：

传感器数据采集模块，数据处理模块，无线数据传输模块，数据库管理信息系统，电气中心控制系统以及灌溉系统（渗灌滴灌喷灌），该系统的整体运行过程是,传感器将采集到的数据，（风速、风向、大气压、降雨量、空气温湿度、土壤温湿度、土壤PH、光照、二氧化碳、大气含氧量等）借助于数据传输模块传送到数据处理中心，再通过无线传输系统传送到数据库信息管理系统，经过数据备份，再由后台上层系统发出指令，驱动电磁阀，对西红柿、黄瓜、茄子等蔬菜进行补充水分和营养品。

从而形成了手自一体化的自动的闭环控制系统，形成建立在农业现场操作基础上的、基于物联网的智慧农业生态环境保护灌溉系统。

本系统最大的特点：

充分考虑农业实际操作环境，充分考虑传统作业流程中现场人员的操作习惯，允许手动操作与自动化并存于同一系统，既保留了传统作业方式，又前瞻性的运用了最先进的新一代信息化技术实现智能农业系统，使得现代化技术实现方案有了软着陆，更使得现场人员有了由手动逐渐转化学习农业现代化的过程，逐渐完善和改变传统作业向信息化、标准化、数字化、精准化的智能农业转变。

所谓生态农业，是指在保护、改善农业生态环境的前提下，遵循生态学、生态经济学的规律，运用系统工程方法和现代科学技术，集约化经营的农业发展模式。

生态农业最早于1924年在欧洲兴起，20世纪三四十年代在瑞士、英国、美国等国家得到发展。

同时，生态农业以其具有综合、高效、多样、持续等特征，在一些发达国家得到广泛发展，并且也有很多这方面的成功案例。

因此，高效生态农业是一种综合效益好、深受国内外欢迎、可持续发展的新型现代农业发展模式。

所以，建设建设生态农业，走可持续发展的道路，已成为世界各国农业发展的共同选择。

系统背景

物联网是通过信息传感设备，按约定的协议实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络，其主要特征是通过射频识别、传感器等方式获取物理世界的各种信息，结合互联网、移动通信网等技术进行信息的传输与交互，采用智能计算技术对信息进行分析处理，从而提高对真实环境的感知能力，实现智能化的决策和控制。

物联网技术和产业的发展将引发新一轮信息技术革命和产业革命，是信息化产业未来竞争的制高点和产业升级的核心驱动力。

传统农业面临的问题：

我国人口占世界总人口的22%，耕地面积只占世界耕地面积的7%。

随着经济的飞速发展,人民生活水平不断提高，资源短缺、环境恶化与人口剧增的矛盾却越来越突出。

特别是我国加入世贸组织后,国外价格低廉的优质农副产品源源不断地流入我国,这对我国的农产品市场构成极大威胁。

因此,如何提高我国农产品的质量和生产效率,如何对大面积土地的规模化耕种实施信息技术指导下科学的精确管理,是一个既前沿又当务之急的科研课题。

而现实情况是，粗放的管理与滥用化肥，其低效益与环境污染令人惊叹。

传统农业生产的物质技术手段落后，主要是依靠人力、畜力和各种手工工具以及一些简单机械。

在现实中主要存在的问题是：

（1）农业科技含量、装备水平相对滞后， 

（2）农业生产存在污染和浪费，据农业、水利部门测算，我国每年农业所消耗化肥、农药和水资源量都在飞速增长，数据惊人，农业的污染问题困扰着不少乡村，不少农民群众饮水安全受到影响。

（3）农业产出少、农民收入低

 （4）农产品的品种少 

依靠和使用着这些落后的生产工具和生产技术维持着简单再生产，农业生产率低下，农业的产量增长缓慢，农业得不到很好的发展，这从而又反过来阻碍了农业技术的进步以及生产工具的创新。

于是，传统农业的自身发展陷入恶性循环之中。

传统农业在向现代农业发展过程中面临着确保农产品总量、调整农业产业结构、改善农产品品质和质量、生产效益低下、资源严重不足且利用率低、环境污染等问题而不能适应农业持续发展的需要。

因此,关于智慧农业技术的研究，显得非常必要与重要。

与传统农业相比，智慧农业主要有以下特点：

1、合理施用化肥，降低生产成本，减少环境污染 

智慧农业采用因土、因作物、因时全面平衡施肥，彻底扭转传统农业中因经验施肥而造成的三多三少（化肥多，有机肥少；N肥多，P、K肥少；三要素肥多，微量元素少），N、P、K比例失调的状况，因此有明显的经济和环境效益。

2、减少和节约水资源 

目前传统农业因大水漫灌和沟渠渗漏对灌溉水的利用率只有40%左右，智慧农业可由作物动态监控技术定时定量供给水分，可通过滴灌微灌等一系列新型灌溉技术，使水的消耗量减少到最低程度，并能获取尽可能高的产量。

3、节本增效，省工省时，优质高产

智慧农业采用精准播种，精准收获技术，使农业低耗、优质、高效成为现实。

在一般情况下，精准播种比传统播种增产18%～30%，省工2～3个小时。

4、使农作物的物质营养得到合理利用，保证了农产品的产量和质量。

智慧农业通过采用先进的现代化高新技术，对农作物的生产过程进行动态监测和控制，并根据其结果采用相应的措施。

系统简介

物联网智慧农业大棚监控系统是面向农业大棚集约、高产、高效、生态、安全的发展需求，基于智能传感、无线传感网、通信、大规模数据处理与智能控制等物联网技术开发的，集土壤及环境参数在线采集、智能组网、无线传输、数据处理、预警信息发布、决策支持、远程与自动控制等功能于一体的农业大棚物联网系统。

 种植户可以通过手机、PDA、计算机等信息终端，实时掌握种植环境信息，及时获取异常报警信息及环境预警信息，并可以根据环境监测结果，实时调整控制设备，实现农业大棚的科学种植与管理，最终实现节能降耗、绿色环保、增产增收的目标。

系统设计方案

物联网智慧农业大棚监控系统包含四个子系统:

◆农业信息采集系统

◆远程设备控制系统

◆数据存储系统

◆自动化控制预警系统（专家系统）

如下图所示:

一、农业信息采集系统

1.系统功能

农业信息采集系统是用于采集农业大棚所需要的监测信息（空气温湿度、光照度等），经数据接驳器进行数据变送后由Zigbee/GPRS网络将采集所得的实时数据传输至数据存储系统供专家系统远程设备控制系统使用。

系统结构示意图如下（核心设备图片均与实物一致）：

2.系统硬件及性能

1）超低功耗数据传输终端

传输终端是专业用于野外环境监测、智慧农业、大气及气象监测的数据传输设备，全系列终端均支持ZA系列数据接驳器。

本项目中传输终端选用可小区域组网，并使用RJ45或GPRS方式进行数据远传的JN5148数据传输终端和WRG多功能传输网关。

远程数据传输终端可扩展为以太网（RJ45有线）、GSM/GPRS/3G（手机网络）、Zigbee无线自组织网络，GPS定位功能等多种通信方式，真正实现了”物物相联“的目标；全系列终端均采用专利低功耗技术，以GPRS传输终端为例，在使用4只智能传感器的情况下，使用普通太阳能能源系统（20W），4000mA锂电池可连续工作2年（采集频率按5min/次）。

WSN传输终端外观WSN全功能传输终端内部结构

WRG网关外观WRG网关内部结构

WGG超低功耗无线传输终端WGG超低功耗无线传输终端

传输终端具备以下功能：

1.可接驳全系列智能数字传感器，单个传输终端可同时接入5到10路传感器；

2.传感器自动识别；

3.超低功耗，自动关断负载电源，RTC定时唤醒；

4.通过GSM/GPRS网络快速将数据信息同步发送到数据服务器；

WSN传输终端参数：

品名

WSN无线通信基站

备注

型号

ZA-WSN-V1100

供电/充电

12VDC/太阳能（9V-12V）

备用电源

4000mAH可充电锂电池

电源管理

支持负载关断/充放电管理

工作温度

-40℃~85℃

防护等级

IP64，铸铝外壳

WSN组网规模

100+（全路由节点/对等组网节点）

注意：

该产品需要与网关（ZA-WRG-V1100）联合使用，不可单独使用

WSN多跳/中继

最大支持20+中继点

WSN无线频率

2.4GHz

自搜索信道0~14，

支持自协商信道

WSN传输距离

可视化距离220m

WSN丢包率

可视化距离小于220m时，小于0.01%

RS485接口

4个

可通过选配件集线器进行扩展级联

支持传感器

支持ZA全系列智能数字传感器

传感器子地址范围1~254可配置

MODBUS协议

MODBUS-RTU/ZA智能数字传感器

参数配置

-

采集频率

1s~18446744073709551616s

出厂时配置

反向控制

支持ZA系列智能继电器控制模块

协议开放

不支持

配件

2.4G折头天线

WRG网关参数：

品名

WSN组网多功能传输网关

备注

型号

ZA-WRG-V1100

供电/充电

12VDC/2路

备用电源

4000mAH可充电锂电池

电源管理

充放电管理

工作温度

-40℃~85℃

防护等级

IP21，铝外壳

WSN组网规模

100+（协调器/网关）

WSN无线频率

2.4GHz

自搜索信道0~14，

支持自协商信道

WSN多跳/中继

最大支持20+中继点

WSN传输距离

可视化距离220m

WSN丢包率

可视化距离小于220m时，小于0.01%

RS485接口

1个，高速光耦全隔离

可通过集线器进行扩展级联

GPRS传输

GSM/GPRS传输

移动/联通GSM网络制式

以太网接口

10/100MB自适应

注意：

选择使用以太网时，GPRS功能将被禁用。

参数配置

Web方式配置

使用配置开关进行配置模式

协议开放

开放基于TCP连接的二进制流协议

注意：

在不使用ZA-DATA-CENTER存储平台时，用户需要根据协议自行开发接入及解析、存储服务

配件

2.4G折头天线/GSM天线

WGG传输终端参数：

品名

WGG无线通信网关

备注

型号

ZA-WGG-V1000

供电/充电

12VDC/1路

备用电源

4000mAH可充电锂电池

电源管理

充放电管理

工作温度

-40℃~85℃

防护等级

IP21，铝外壳

RS485接口

1个，高速光耦全隔离

可通过集线器进行扩展级联

GPRS传输

GSM/GPRS传输

移动/联通GSM网络制式

参数配置

串口命令配置

使用配置开关进行配置模式

协议开放

开放基于TCP连接的二进制流协议

注意：

在不使用ZA-DATA-CENTER存储平台时，用户需要根据协议自行开发接入及解析、存储服务

配件

GSM天线

2）智能数字传感器

空气温湿度传感器

型号

ZA-SHT-A101-485/232

探头

水合物探头

反应时间

1秒内完成90%读数

温度范围

-20°Cto+50°C

量程范围

-40~150℃,0~100%RH

分辨率

温度：

0.5℃，湿度：

3%RH

输出接口

全数字输出（浮点），接口RS-485

传输协议

ModbusRTU

功能码

支持030406

自定义定地址

支持1~254地址范围

自定义波特率

支持115200,57600,38400,28800,19200,14400,9600,4800,2400,1200

校准

命令方式校准

自动识别

特征码查询识别

工作电压

5V±0.2VDC

预热时间

≤1s

系统功耗

≤80mW

ESD人体静电防护

支持

防护等级

IP54

光照度传感器

型号

ZA-LIGHT-A101-485/232

探头

硅光电池

反应时间

1秒内完成90%读数

温度范围

-20°Cto+50°C

量程范围

0~65535Lux

分辨率

1Lux

输出接口

全数字输出（浮点），接口RS-485

传输协议

ModbusRTU

功能码

支持030406

自定义定地址

支持1~254地址范围

自定义波特率

支持115200,57600,38400,28800,19200,14400,9600,4800,2400,1200

校准

命令方式校准

温度补偿

自动补偿

补偿器件

PT100/PT1000铂电阻

自动识别

特征码查询识别

工作电压

5V±0.2VDC

预热时间

≤1s

系统功耗

≤80mW

ESD人体静电防护

支持

防护等级

IP54

土壤温湿度传感器

型号

ZA-SOSHT-A101

探头

电波探针

反应时间

1秒内完成90%读数

温度范围

-20°Cto+50°C

量程范围

-40~150℃,0~100%RH

分辨率

温度：

0.5℃，湿度：

3%RH

输出接口

全数字输出（浮点），接口RS-485

传输协议

ModbusRTU

功能码

支持030406

自定义定地址

支持1~254地址范围

自定义波特率

支持115200,57600,38400,28800,19200,14400,9600,4800,2400,1200

自动识别

特征码查询识别

工作电压

5V±0.2VDC

预热时间

≤1s

系统功耗

≤650mW

ESD人体静电防护

支持

防护等级

IP54

二氧化碳传感器

型号

ZA-CO2-A101

探头

NDIR

反应时间

1秒内完成90%读数

温度范围

0°Cto+50°C

量程范围

0ppm~2000ppm

分辨率

3%

输出接口

全数字输出（浮点），接口RS-485

传输协议

ModbusRTU

功能码

支持030406

自定义定地址

支持1~254地址范围

自定义波特率

支持115200,57600,38400,28800,19200,14400,9600,4800,2400,1200

校准

命令方式校准

自动识别

特征码查询识别

工作电压

5V±0.2VDC

预热时间

≤1s

系统功耗

静态功耗≤100mW，最大功耗≤800mW

ESD人体静电防护

支持

防护等级

IP54

智能数字风速传感器

型号

ZA-WS-A101

探头

三风杯

反应时间

1秒内完成90%读数

温度范围

-20°Cto+50°C

量程范围

0~70m/s

分辨率

0.3m/s

输出接口

全数字输出（浮点），接口RS-485

传输协议

ModbusRTU

功能码

支持030406

自定义定地址

支持1~254地址范围

自定义波特率

支持115200,57600,38400,28800,19200,14400,9600,4800,2400,1200

自动识别

特征码查询识别

工作电压

5V±0.2VDC

预热时间

≤1s

系统功耗

≤190mW

ESD人体静电防护

支持

防护等级

IP54

智能数字风向传感器

型号

ZA-WP-A101

探头

低惯性风标/电位器

反应时间

1秒内完成90%读数

温度范围

-20°Cto+50°C

量程范围

0~360°

分辨率

3°

输出接口

全数字输出（浮点），接口RS-485

传输协议

ModbusRTU

功能码

支持030406

自定义定地址

支持1~254地址范围

自定义波特率

支持115200,57600,38400,28800,19200,14400,9600,4800,2400,1200

自动识别

特征码查询识别

工作电压

5V±0.2VDC

预热时间

≤1s

系统功耗

≤120mW

ESD人体静电防护

支持

防护等级

IP54

智能数字气压传感器

型号

ZA-AP-A101

探头

气压计

反应时间

1秒内完成90%读数

温度范围

-20°Cto+85°C

量程范围

50～110Kpa

分辨率

15位

输出接口

全数字输出（浮点），接口RS-485

传输协议

ModbusRTU

功能码

支持030406

自定义定地址

支持1~254地址范围

自定义波特率

支持115200,57600,38400,28800,19200,14400,9600,4800,2400,1200

自动识别

特征码查询识别

工作电压

5V±0.2VDC

预热时间

≤1s

系统功耗

≤200mW

ESD人体静电防护

支持

防护等级

IP54

智能数字降雨量传感器

型号

ZA-RF-A101

探头

翻斗式雨量计

反应时间

1秒内完成90%读数

温度范围

-10°Cto+80°C

量程范围

0～4mm/min

分辨率

0.2mm

输出接口

全数字输出（浮点），接口RS-485

传输协议

ModbusRTU

功能码

支持030406

自定义定地址

支持1~254地址范围

自定义波特率

支持115200,57600,38400,28800,19200,14400,9600,4800,2400,1200

自动识别

特征码查询识别

工作电压

5V±0.2VDC

预热时间

≤1s

系统功耗

≤60mW

ESD人体静电防护

支持

防护等级

IP54

智能数字氧气传感器

型号

ZA-O2-A101

探头

氧电池

反应时间

1秒内完成90%读数

温度范围

-20~50摄氏度

量程范围

0~30%

分辨率

0.1%

输出接口

全数字输出（浮点），接口RS-485

传输协议

ModbusRTU

功能码

支持030406

自定义定地址

支持1~254地址范围

自定义波特率

支持115200,57600,38400,28800,19200,14400,9600,4800,2400,1200

校准

命令方式校准

自动识别

特征码查询识别

工作电压

5V±0.2VDC

预热时间

≤1s

系统功耗

≤90mW

ESD人体静电防护

支持

防护等级

IP54

智能数字土壤PH传感器

型号

ZA-SOPH-A101

探头

玻璃球泡复合电极（带温补）

反应时间

1秒内完成90%读数

温度范围

0°Cto+105°C

量程范围

pH0~14

分辨率

0.01pH

输出接口

全数字输出（浮点），接口RS-485

传输协议

ModbusRTU

功能码

支持030406

自定义定地址

支持1~254地址范围

自定义波特率

支持115200,57600,38400,28800,19200,14400,9600,4800,2400,1200

校准

命令方式校准

温度补偿

自动补偿

补偿器件

PT100/PT1000铂电阻

自动识别

特征码查询识别

工作电压

5V±0.2VDC

预热时间

≤1s

系统功耗

≤200mW

ESD人体静电防护

支持

防护等级

IP54

智能数字ORP传感器

型号

ZA-ORP-A101

探头

复合电极（带温补）

反应时间

1秒内完成90%读数

温度范围

0°Cto+105°C

量程范围

-1999mv~1999mv

分辨率

0.05mv

输出接口

全数字输出（浮点），接口RS-485

传输协议

ModbusRTU

功能码

支持030406

自定义定地址

支持1~254地址范围

自定义波特率

支持115200,57600,38400,28800,19200,14400,9600,4800,2400,1200

校准

命令方式校准

自动识别

特征码查询识别

工作电压

5V±0.2VDC

预热时间

≤1s

系统功耗

185mW

ESD人体静电防护

支持

防护等级

IP54

智能数字PH传感器

型号

ZA-PH-A101

探头

玻璃球泡复合电极（带温补）

反应时间

1秒内完成90%读数

温度范围

0°Cto+105°C

量程范围

pH0~14

分辨率

0.01pH

输出接口

全数字输出（浮点），接口RS-485

传输协议

ModbusRTU

功能码

支持030406

自定义定地址

支持1~254地址范围

自定义波特率

支持115200,57600,38400,28800,19200,14400,9600,4800,2400,1200

校准

命令方式校准

温度补偿

自动补偿

补偿器件

PT100/PT1000铂电阻

自动识别

特征码查询识别

工作电压

5V±0.2VDC

预热时间

≤1s

系统功耗

≤190mW

ESD人体静电防护

支持

防护等级

IP54

智能数字电导率传感器

型号

ZA-CDT-A102

探头

复合电极（带温补）

反应时间

1秒内完成90%读数

温度范围

0°Cto+105°C

量程范围

0~10000us/cm

分辨率

全量程的1%

输出接口

全数字输出（浮点），接口RS-485

传输协议

ModbusRTU

功能码

支持030406

自定义定地址

支持1~254地址范围

自定义波特率

支持115200,57600,38400,28800,19200,14400,9600,4800,2400,1200

校准

命令方式校准

温度补偿

自动补偿

补偿器件

PT100/PT1000铂电阻

自动识别

特征码查询识别

工作电压

5V±0.2VDC

预热时间

≤1s

系统功耗

≤290mW

ESD人体静电防护

支持

防护等级

IP54

智能数字钙离子传感器

型号

ZA-CA-A102

探头

复合电极（带温补）

反应时间

1秒内完成90%读数

温度范围

0°Cto+50°C

量程范围

0.2ppm~40000ppm