物联网农业温室大棚智能化技术方案.docx

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物联网农业温室大棚智能化技术方案

物联网农业温室大棚智能化

管控系统

技

术

方

案

二零一五年八月

1、设计原则

（1）坚持科学性、超前性与实用性相结合的原则，全面考虑到温室的实际使用功能，合理选择恰当的配套设备，实现良好的价格性能比。

（2）坚持从实际出发，合理确定设计标准，对生产工艺，主要设备和主体工程做到先进、适用、可靠。

（3）坚持因地制宜原则，重点结合当地气候条件和栽培要求设计。

2、设计依据

（GB/T18622--2002）《温室结构设计荷载》

（NYJ/T06--2005）《连栋温室建设标准》

（NYJ/T07--2005）《日光温室建设标准》

（JB/T10286--2001）《日光温室结构标准》

（JB/T10288—2001）《连栋温室结构标准》

（NY/T1420--2007）《温室工程质量验收通则》

（NY/T1145--2006）《温室地基基础设计、施工与验收技术规范》

3、系统简介

结合最先进的网络通信、自动控制、物联网及软件技术，专注为农业温室、农业环境控制、气象观测而开发生产的环境自动监测控制系统。

本系统可以模拟基本的生态环境因子，如温度、湿度、光照、气压、太阳紫外线、土壤温湿度、CO2浓度等，以适应不同植物生长繁育的需要，它由智能监控单元组成，按照预设参数，精确的测量温室的气候、土壤参数等，并利用手动、自动两种方式启动或关闭不同的执行结构，控制卷膜、风机湿帘、生物补光、灌溉施肥等环境控制设备，自动调控温室内环境，达到适宜植物生长的范围，为植物生长提供最佳环境。

该系统的使用，可以使温室运行于经济节能状态，实现温室的无人值守自动化运行，降低温室能耗和运行成本，可以为植物提供一个理想的生长环境，并能起到减轻人的劳动强度、提高设备利用率、改善温室气候、减少病虫害、增加作物产量等作用，实现温室大棚集约化、网络化远程管理。

同时，该系统还可以通过手机、PDA、计算机等信息终端向管理者推送实时监测信息、报警信息，实现温室大棚信息化、智能化远程管理，充分发挥物联网技术在设施农业生产中的作用保证温室大棚内环境最适宜作物生长实现精细化的管理为作物的高产、优质、高效、生态、安全创造条件，帮助客户提高效率、降低成本、增加收益。

4、系统组成

4.1结构图

系统结构图

4.2　现场的监测设备：

包括温度监测、湿度监测、土壤水分监测、CO2浓度等监测设备。

这些装置相当于整个控制系统的眼睛，实时监测大棚的状况，以便实施控制。

4.3　执行结构：

如各湿帘风机、喷淋滴灌、内外遮阳、顶窗侧窗、加温，补光，CO2发生装置，照明控制装置等执行机构。

这些装置相当于整个控制系统的手，自动控制系统的指令通过这些设备得到执行，以达到远程或本地自动控制目标。

4.4　A/D和D/A转换模块。

因为自动控制系统不能识别各种电信号，必须转换成标准的数字信号才能为计算机所识别，同样计算机发出的也是标准的数字信号。

这些设备如同人的神经系统，把各个信号传递到大脑，并把控制信号传递到各执行机构。

4.4.1温度控制模块

　　降温功能：

夏季采用自然和强制通风降温的方式进行降温。

由控制器根据目标温度与实际室温的偏差以及室温的变化率进行模糊计算。

首先开启顶开窗系统进行自然通风调整温室内的温度，经过时间判断后，如果温度值还不能降低，再开启侧窗系统。

如自然通风不能降低温室内的温度值，则由电脑关闭自然通风，采用强制通风的方式来控制室内温度。

如果温度还下不来，则开启湿帘水泵，如温度还降不下来，则计算机会开启温度过高报警，提示用户需增加降温设备。

　　自动升温功能：

冬季采用暖气加温的方式，由控制器根据目标温度与实际室温的偏差以及室温的变化率进行模糊计算，通过调节暖气恒温阀的开合度来控制室内温度。

　　温度控制范围及精度分别为20-30℃，±1℃。

4.4.2通风控制模块

　　由室内传感器采集室内部的上，中，下三部温度值来进行模糊计算出室内的温差值，如果温差值过大，则自动开启循环风机。

同时采集室内的湿度值，如果湿度值偏差过大，也自动开启循环风机，以平衡室内的湿度偏差值。

还可以根据二氧化碳浓度选择开启或者关闭循环风机。

新风换气机可由电脑操作人员通过控制进行人工操作，也可以进行定时通风来达到通风换气的目的。

4.4.3光照控制模块

　　遮光控制功能：

在光照较高时，计算机通过室外气象站系统采集的高灵敏度光照值，与计算机设定的控制目标进行对比，如高于计算机设定目标值，则自动展开外拉幕，进行遮光。

如低于计算机设定目标值，则自动收拢外拉幕。

也可以由控制器定时进行遮阳，或者由工作人员通过控制器操作。

　　补光控制功能：

计算机通过室内数据采集器传回来的高灵敏度的光照值，与设定目标值进行对比，如高于设定目标值，则自动关闭补光灯。

如低于设定目标值，则自动打开补光灯。

同时，内部有一个光照累积时间的设置值，如累积时间不够的话，则补光灯会在选定时间打开补光灯，进行补光。

可通过30组定时器，来设置不同时间，开启补光灯，开多长时间。

4.4.4水分控制模块

　　自动控制：

计算机内部有一套根据土壤湿度传感器采集的值，与设定目标值进行对比，如高于设定目标值，则自动关闭灌溉阀门。

如低于设定目标值，则自动打开灌溉阀门。

　　定时控制：

轮灌方式，可设定在某个时间段，进行灌溉的方式，可每个小时，灌溉一次，同时也可设定灌溉的次数。

有效的保护了水泵，同时也使土壤更好的吸收水分。

4.4.5湿度控制模块

　　自动控制：

计算机内部有一套根据室内湿度传感器的值，与设定目标值进行对比，如高于设定目标值，则自动关闭喷雾阀门。

如低于设定目标值，则自动打开喷雾阀门，将其湿度调整到最佳状态。

　　定时控制：

轮灌方式，可设定在某个时间段，进行喷灌的方式，可每个小时喷灌一次，同时也可设定喷灌的次数。

有效的保护了水泵，同时也

使土壤更好的吸收水分。

4.4.6视频监控模块

　　该功能模块可用于探测农作物的生长情况，病虫害情况，并可以监管其他环境调控设备是否在正常执行命令等。

其他控制模块

该系统设计了多个节点，以便随时可以添加所需的传感器和调控设备，从而完成多种功能融合。

4.5　控制系统平台：

主机实施各种控制方案，并依据不同的环境、作物、生长期实施不同的控制方案。

是这个控制系统的核心，相当于大脑。

4.6网络传输：

采用成熟的局域网/以太网络技术作为传输部分，达到实时性、稳定性、多功能性（环境监控、视频监控）公用网络，便于管理，节约成本。

4.7应用软件平台：

通过应用软件平台可将空气环境监测感知设备、光照信息感知设备、外部气象感知设备、视频信息感知设备等各种感知设备的基础数据进行统一存储、处理和挖掘，通过中央控制软件的智能决策，形成有效指令，达到自动控制：

湿帘风机、喷淋滴灌、内外遮阳、顶窗侧窗、加温，补光或者现场直接控制执行机构的方式调节设施内的小气候环境，为作物生长提供优良的生长环境。

4.8视频监控系统：

作为数据信息的有效补充，基于网络技术和视频信号传输技术，对温室大棚内部作物生长状况进行全天候视频监控。

该系统由网络型视频服务器、高分辨率摄像头组成，网络型视频服务器主要用以提供视频信号的转换和传输，并实现远程的网络视频服务。

在已有Internet上，只要能够上网就可以根据用户权限进行远程的图像访问、实现多点、在线、便捷的监测方式。

4.9农业溯源系统

4.91种植环节：

通过扫描二维码，可获取农产品的种植环节信息（浇水、施肥、产品种植人、种植地、品种、生产管理等）

4.9.2物流环节：

通过扫描二维码，可获取经销商信息，物流公司信息、物流过程相关信息（入库时间、运输时间、出库时间等）

检验报告信息：

通过扫描二维码，可获取质量检验报告信息

4.9.3其他：

通过扫描二维码，可获取基地信息、产品信息等

4.10室外气象观测站

用于对风向、风速、雨量、气温、相对湿度、气压、太阳辐射、土壤温度、土壤湿度等九个气象要素进行全天候现场监测。

将气象环境数据传输到中心计算机气象数据库中，用于统计分析和处理。

5、系统特点

5.1预测性：

通过对气候参数的分析，可以预测控制设备的运行情况，提高设备的利用率，降低能耗。

5.2强大的扩展功能：

通过选用不同的外围设备，可以控制温室环境及灌溉、施肥、湿帘风机、喷淋滴灌、内外遮阳、顶窗侧窗、加温补光等。

5.3完善的资料处理功能：

通过中央控制软件，可以不间断地记录各种传感器的信息以及各种控制设备的动作记录等。

5.4远程监控功能：

即使工作人员不在现场，也可以通过远程，手机、PDA、计算机等信息终端监控系统对温室内的设备参数进行监视和控制。

5.5数据联网功能：

本系统利用成熟的网络技术，自主研发的多线程tcp ip协议控制逻辑，组网方便，传输/控制实时高效。

6、项目定位

6.1本项目定位为智能大棚，总面积5000平方米，为单层多个建筑。

6.2本建筑动力电源主要有湿帘风机、湿帘泵、外遮阳电机、内保温电机、电动窗、补光灯、喷淋、滴灌等。

6.3本工程设有智能控制中心，对大棚实现温湿度等的智能控制，智能控制中心可实现以下功能：

6.3.1、利用棚内的温、湿度检测数据，可以自动展开或关闭外遮阳布、内保温布；

6.3.2、利用大棚内的温、湿度检测数据，可自动启动或关闭湿帘供水泵、轴流风机及侧窗电机；

6.3.3、利用大棚内的温、湿度检测数据，自动启动或关闭加湿、喷雾系统等，自动启动或关闭水暖空调系统；

6.3.4、依据大棚内的水温检测系统，可自动启动水温调控系统；（本案参考）

6.3.5、依据大棚内的光照检测系统，可自动启动或关闭补光系统；

6.3.6、利用大棚内的CO2检测传感器，自动开启或关闭侧窗及天窗；（本案参考）

6.3.7、利用电脑，可在园区机房或远端控制室控制棚内的外遮阳布、内保温布、天窗、侧窗、湿帘、轴流风机的启动与关闭，亦可实时观测到上述设备的运行状态，而无需通过繁琐的数据转换来辨识其状态。

6.4、视频监控：

基于网络技术和视频信号传输技术，对温室大棚内部作物生长状况。

（本案参考）

7、控制逻辑

7.1温度控制

7.1.1控制要素：

温度值

7.1.2控制设备：

天窗，负压风机，加温电丝

7.1.3控制方式：

温度传感器控制天窗、负压风机、加温电丝的开启和关闭状态，共计1个温度传感器，1个天窗电机，1个负压风机电机，1个加温电丝；

7.2降温控制过程：

7.2.1在软件中可以设定温度默认正常的上下限的值；降温时长T1，停止时长T2可根据实际情况任意设定；

7.2.2温度超过设定上限时：

则打开天窗，启动负压风机/雾化微喷进行降温，降温经过T1时间之后，停止T2时间，同时检测温度是否降到上下限温度的中间值以下，若达到要求，则关闭天窗，关闭负压风机；

若未达到相应的要求，则继续循环此过程，直至达到正常的温度范围值；

7.3增温控制过程：

5.3.1在软件中可以设定温度默认正常的上下限的值；加热时长T1，停止时长T2可根据实际情况任意设定；

5.3.2温度低于设定下限时：

则打开加热电丝，增温经过T1时间之后，停止T2时间，同时检测温度是否升到上下限温度的中间值以上，若达到要求，则停止加热电丝；（本案参考）

若未达到要求，则继续循环此过程，直至达到正常的温度范围值；

7.4空气湿度控制

5.4.1控制要素：

大气湿度

5.4.2控制设备：

湿帘水泵、负压风机

5.4.3控制方式：

大气湿度传感器控制湿帘水泵和负压风机的开启和关闭状态，共计1个湿度传感器，1个湿帘电机，1个负压风机电机；

7.5增湿控制过程：

5.5.1在软件可设定湿度默认正常的上下限的值；雾化微喷增湿的时长T1、停止增湿时长T2可根据实际情况任意设定；

5.5.2湿度低于设定下限时：

湿帘水泵开启，往湿帘上浇灌水分，起到增湿的作用。

浇灌T1时长之后、停止T2时长，同时检测湿度是否升到上下限湿度的中间值以上，若达到要求，则停止增湿；

若未达到要求，则继续循环此过程，直至达到正常的湿度范围值；

7.6除湿控制过程：

7.61在软件可设定湿度默认正常的上下限的值；负压风机开启时长T1、关闭时长T2可根据实际情况任意设定；

7.6.2湿度高于设定上限时：

负压风机开启，使大棚内空气流通，起到除湿的作用。

开启T1时长之后、停止T2时长，同时检测湿度是否降到上下限湿度的中间值以下，若达到要求，则负压风机停止；

若未达到要求，则继续循环此过程，直至达到正常的湿度范围值；

8、设备参数

8.1温室采集控制器

8.1.1处理器：

内核：

ARM32位Cortex-M3CPU

系统时钟：

高可达72MHz

指令执行速度：

1.25Dmips/MHz

8.1.2存储功能：

FLASH存储容量：

4Mbits（每1小时存储一次，可存储1.6年），同时可扩展至32Mbit.

并可扩展本地大容量SD卡存储。

8.1.3传感器通道：

模拟/计数通道：

16路，可再扩展16路数字I/O通道，用于各种外接扩展功能.

模拟量A/D转换精度：

12位

频率量采用16位高速计数器进行采集，输入信号频率高达1MHz.

8.1.4供电显示:

宽电压输入：

8V~40V

显示形式：

128×64液晶屏，

支持时间校准功能

8.1.5通讯功能：

独有的RJ45通信接口，通信实时，组网方便，

8.1.6远程升级

支持远程应用程序更新：

采集仪程序更改、升级，无需返厂，通过计算机软件，即可对采集仪进行远程程序更新，支持现场和远程对设备进行各项参数设置或读取的编程操作

8.1.7通讯协议：

TCP协议

8.2温室动力控制柜

8.3联动控制器

9、系统结构图

10、温室监控软件

温室软件能观测温室环境的实时数据，根据用户设定的上、下限值，实现全自动控制、手动控制.

每个设备的界面如下：

8.4每种设备都根据其结构体编写界面，每个设备需要绑定一些继电器，由具体配置决定。

比如温度控制部分：

温湿度表盘

要素值表示框

树形控件

继电器状态

设备参数配置（结合通用版的设备结构体，图仅供参考）

11、设备配置与选型

11.1气象观测站要素配置表

气象要素

气象参数

环境温度

通道数：

1路测量范围:

-50～80℃

测量精度:

±0.2℃分辩率:

0.1℃

环境湿度

通道数:

1路测量范围:

0～100% 

测量精度:

±2%RH 分辩率:

0.1%RH 

风速

通道数：

1路测量范围：

0～70米/秒 

测量精度：

（0.3±0.03v）米/秒启动风速：

0.3米/秒

风向

通道数:

1路测量范围:

0～360°测量精度:

±3°

分辩率:

2.5°启动风速：

0.3米/秒

降水量

通道数：

1路测量范围：

0～999.9mm

测量精度：

±0.3mm分辩率：

0.1mm

地温

通道数：

1路测量范围：

-50~+80℃

测量精度：

0.1℃分辩率：

±0.5℃

地湿

通道数：

1路测量范围：

-50~+80℃

测量精度：

0.1℃分辩率：

±0.5

气压

通道数：

1路测量范围：

500～1100（hpa）

测量精度测量精度：

+/-0.3hpa

辐射

通道数：

1路测量范围：

0～100mm

测量精度测量精度：

0.1mm

11.2温室环境采集配置表

环境因子

参数

室内温度传感器

通道数：

1路测量范围:

-50～80℃

测量精度:

±0.2℃分辩率:

0.1℃

室内湿度传感器

通道数:

1路测量范围:

0～100% 

测量精度:

±2%RH 分辩率:

0.1%RH 

室内光照度传感器

通道数：

1路测量范围：

0～200000Lux，

测量精度：

1Lux分辩率:

1Lux

CO2传感器

通道数:

1路测量范围:

0～2000ppm°

分辩率:

1ppm

土壤水分传感器

通道数：

1路测量范围：

-50~+80℃

测量精度：

0.1℃分辩率：

±0.5

轻型百叶箱

湿度仪器用的防护

金属防护箱/

不锈钢尺寸300*400*500mm

安装支架

不锈钢尺寸300*400*500mm

数据采集仪

多通道数据采集仪，RJ45网口/232和485接口；中文LCD屏带背光，供电方式：

220V交流/12V直流并存

11.3温室联动控制配置表

环境因子

参数

温室控制器

通讯模块，光电隔离模块，继电器模块

动力控制箱

动力配电控制 

联动控制柜

联动温室环境监测数据控制：

外遮阳正反转电机、内保温正反转电机，湿帘水泵、轴流风机、侧窗/天窗电机、加湿/喷雾、水暖空调、滴灌/喷灌、补光、，含：

手动控制键，项目指示灯）

11.4视频监控配置表

名称

参数

摄像机

130万20倍光学变焦，360度旋转，百万像素，夜视100米.960P分辨率。

含电源支架

网络数字录像机（NVR）

最高分辨率1080P

液晶拼接屏

55寸3.5mm低亮LG面板

8屏高清解码拼接一体机

管理网络视频256路分配器，每屏9画面，1个1080P

4个720P，AVZX-NK9103C（矩阵专用网络键盘）：

配送

12、南京万宏测控有限公司部分经营一览表