连栋农业温室大棚监控系统设计方案精修订.docx

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连栋农业温室大棚监控系统设计方案精修订

集团标准化工作小组#Q8QGGQT-GX8G08Q8-GNQGJ8-MHHGN#

连栋农业温室大棚监控系统设计方案

农业温室大棚监控系统设计方案

一、概述

　　近年来，温室大棚种植为提高人们的生活水平带来极大的便利，得到了迅速的推广和应用。

种植环境中的温度、湿度、光照度、CO2浓度等环境因子对作物的生产有很大的影响。

传统的人工控制方式难以达到科学合理种植的要求，目前国内可以实现上述环境因子自动监控的系统还不多见，而引进国外具有多功能的大型连栋温室控制系统价格昂贵，不适合国情。

　　针对目前大棚发展的趋势，提出了一种大棚智能监控系统的设计。

根据大棚智能监控的特殊性，需要传输大棚现场参数给管理者，并把管理者的命令下发到现场执行设备，同时又要使上级部门可随时通过互连网或者手机信息了解区域大棚的实时状况。

基于GPRS的智能大棚监控系统使这些成为可能。

农业温室大棚监控系统通过实时采集农业大棚内空气温度、湿度、光照、土壤温度、土壤水分等环境参数，根据农作物生长需要进行实时智能决策，并自动开启或者关闭指定的环境调节设备。

通过该系统的部署实施，可以为农业生态信息自动监测、对设施进行自动控制和智能化管理提供科学依据和有效手段。

　　开拓者的农业温室大棚监控及智能控制解决方案是通过可在大棚内灵活部署的各类无线传感器和网络传输设备，对农作物温室内的温度，湿度、光照、土壤温度、土壤含水量、CO2浓度等与农作物生长密切相关环境参数进行实时采集，在数据服务器上对实时监测数据进行存储和智能分析与决策，并自动开启或者关闭指定设备（如远程控制浇灌、开关卷帘等）。

　　二、项目需求

　　在每个智能农业大棚内部署无线空气温湿度传感器、无线土壤温度传感器、无线土壤含水量传感器、无线光照度传感器、无线CO2传感器等，分别用来监测大棚内空气温湿度、土壤温度、土壤水分、光照度、CO2浓度等环境参数。

为了方便部署和调整位置，所有传感器均应采用电池供电、无线数据传输。

大棚内仅需在少量固定位置提供交流220V市电（如：

风机、水泵、加热器、电动卷帘）。

　　每个农业大棚园区部署1套采集传输设备（包含路由节点、长距离无线网关节点、Wi-Fi无线网关等），用来覆盖整个园区的所有农业大棚，传输园区内各农业大棚的传感器数据、设备控制指令数据等到Internet上与平台服务器交互。

　　在每个需要智能控制功能的大棚内安装智能控制设备（包含一体化控制器、扩展控制配电箱、电磁阀、电源转换适配设备等），用来接受控制指令、响应控制执行设备。

实现对大棚内的电动卷帘、智能喷水、智能通风等行为的实现。

　　三、系统架构设计

（1）总体架构

　　系统的总体架构分为现场数据采集、网络传输、智能数据处理平台和远程控制四部分。

（2）系统有两种典型配置结构

　　■两层网络，系统由两类点构成：

　　无线传感器节点，包括无线空气温湿度传感器、无线土壤温度传感器、无线土壤含水量传感器、无线光照度传感器、无线CO2传感器等；

　　无线网关节点，包括Wi-Fi无线网关或GPRS无线网关。

　　该结构适用于园区已经有Wi-Fi局域网覆盖，或是可以采用GPRS直接上传数据的场景。

在此结构中，只需要在合适的区域部署无线网关，即可实现传感器数据的采集和上传。

　　■三层网络，系统由三类点构成：

　　无线传感器节点，包括无线空气温湿度传感器、无线土壤温度传感器、无线土壤含水量传感器、无线光照度传感器、无线CO2传感器等；

　　无线网关节点；

　　数据路由器。

　　该结构适用于园区没有Wi-Fi局域网覆盖，也不准备采用GPRS直接上传数据的场景。

在此结构中，需要部署数据路由节点和无线网关，无线网关与数据路由节点之间以长距离无线通信方式进行数据的交换，在区域较大，节点间通信距离不足时，无线网关还可以相互之间进行自动数据中继，扩大监控网络的覆盖范围。

　　（3）传感信息采集

　　在监控网络中，无线空气温湿度传感器、无线土壤温度传感器、无线土壤含水量传感器、无线光照度传感器、无线CO2传感器等传感器均支持低功耗运行，可使用廉价的干电池供电长期工作。

同时，所有的无线传感器节点均运行低功耗多跳自组网协议，可为其它节点提供数据的自动中继转发，以扩大监测网络的覆盖范围，增加部署灵活性。

　　低功耗多跳自组网协议是在协议的基础上建立的，无线通信的频率选择可以是或780MHz。

　　传感器数据通过协议传送到无线网关节点上，无线网关节点再经过数据路由节点或直接将传感器数据发送到数据平台的服务器上。

用户可以通过有线网络/无线网络访问数据平台，实时监测大棚现场的传感器参数，控制大棚现场的相关设备。

　　四、大棚现场布点

　　大棚现场主要负责大棚内部环境参数的采集和控制设备的执行，采集的数据主要包括农业生产所需的光照、空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤水分、CO2浓度等参数。

　　传感器的数据上传采用低功耗无线传输模式，传感器数据通过无线发送模块，采用协议将数据无线传送到无线网关节点上，用户终端和一体化控制器间传送的控制指令也通过无线发送模块传送到中心节点上，省却了通讯线缆的部署工作。

中心节点再经过边缘网关将传感器数据、控制指令封装并发送到位于internet上的系统业务平台。

用户可以通过有线网络/无线网络访问系统业务平台，实时监测大棚现场的传感器参数，控制大棚现场的相关设备。

低功耗无线传输模式使得大棚现场内各传感器部署灵活、扩展方便。

　　控制系统主要由一体化控制器、执行设备和相关线路组成，通过一体化控制器可以自由控制各种农业生产执行设备，包括喷水系统和空气调节系统等，喷水系统可支持喷淋、滴灌等多种设备，空气调节系统可支持卷帘、风机等设备。

　　采集传输部分主要将设备采集到的数值传送到服务器上，现有大棚设备支持Wi-Fi、GPRS、长距离无线传输等多种数据传输方式，在传输协议上支持IPv4联网协议。

　　业务平台负责对用户提供智能大棚的所有功能展示，主要功能包括环境数据监测、数据空间/时间分布、历史数据、超阈值告警和远程控制五个方面。

用户还可以根据需要添加视频设备实现远程视频监控功能。

数据空间/时间分布将系统采集到的数值通过直观的形式向用户展示时间分布状况（折线图）和空间分布状况（场图）、历史数据可以向用户提供历史一段时间的数值展示；超阈值告警则允许用户制定自定义的数据范围，并将超出范围的情况反映给用户。

　　五、平台软件

　　系统平台软件共由以下4个部分组成：

（1）数据收集、存储服务软件

　　完成传感器数据的获取、解析、分类，最后按预设的格式存入数据库。

（2）展示、决策软件

　　图形化界面，从数据库中读取相应数据，以表格和曲线的方式将传感器数据显示出来，支持多种查询显示方式。

可自定义决策系统控制对象及决策算法，与对象控制软件互联实现自动化控制。

　　（3）远程控制软件

　　完成现场控制对象的操作，图形化操作界面，支持重定义远端开关名称等信息，可与决策软件进行对接，实现自动化控制。

1、传感模块：

即环境传感监测系统。

它依据各类传感设备可以完成整个园区或完成对异地园区所需数据监测的功能。

2、终端模块：

即终端智能控制系统。

它可以完成整个园区或远程控制异地园区进行自动灌溉、自动降温、自动开启风机，自动补光及遮阳，自动卷帘，自动开窗关窗，自动液体肥料施肥、自动喷药等各类农业生产所需的自动控制。

3、视频监控模块：

即实时视频监控系统。

主要是通过监控中心实时得到植物生长信息，在监控中心或异地互联网上既可随时看到作物的实时生长状况。

4、预警模块：

即远程植保预警系统。

可以通过声光报警、短信报警、语音报警等方式进行预警。

5、溯源模块：

即农产品安全溯源系统。

该系统对农产品从种植准备阶段、种植和培育阶段、生长阶段、收获阶段等对作物生长环境、喷药施肥情况、病虫害状况等实施实时信息自动记录，有据可查，在储藏、运输、销售阶段采用二维码或者RFID射频技术对各个阶段数据记录，这样就能实现消费者拿到农产品时通过终端设备或网络就能查看到各类信息，才能放心食用。

6、作业模块：

即中央控制室。

可通过总控室对整个区域情况进行监测，包括各个区域采集点参数、控制作业状态、实时视频图像、施肥喷药状况、报警信息等。

光照度传感器工作原理

1、光照度传感器

　光照度传感器采用对弱光也有较高灵敏度的硅兰光伏探测器作为传感器；具有测量范围宽、线形度好、防水性能好、使用方便、便于安装、传输距离远等特点，适用于各种场所。

尤其适用于农业大棚、城市照明等场所。

光照度传感器技术参数

　　测量范围:

200～200000Lux

　　光谱范围：

400—700（nm）可见光

　　电源电压:

24VDC（12VDC～30VDC）

　　输出信号:

4～20mA或0～5V

　　测量误差:

小于±7[%]

　　工作环境温湿度:

0～40℃、0～70[%]RH

　　储存环境温湿度:

-10～+50℃，0～80[%]RH

　　大气压力:

80～110KPa

2、光照度传感器工作原理

　　该表为热电效应原理，感应元件采用绕线电镀式多接点热电堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂层。

热接点在感应面上，而冷结点则位于机体内，冷热接点产生温差电势。

在线性范围内，输出信号与太阳辐照度成正比。

为减小温度的影响则配有温度补偿线路，为了防止环境对其性能的影响，则用两层石英玻璃罩，罩是经过精密的光学冷加工磨制而成的。

3、光照度传感器安装与使用

　　该表应安装在四周空旷，感应面以上没有任何障碍物的地方。

然后将辐射表电缆插头正对北方，调整好水平位置，将其牢牢固定，再将总辐射表输出电缆与记录器相连接，即可观测。

最好将电缆牢固地固定在安装架上，以减少断裂或在有风天发生间歇中断现象。

光照度传感器注意事项

　　1.玻璃罩应保持清洁，要经常用软布或毛皮擦试。

　　2.玻璃罩不可拆卸或松动，以免影响测量精度。

　　3.应定期更换干燥剂，以防罩内结水。

4、室外光照度传感器

采用先进的电路模块技术开发变送器，用于实现对环境光照度的测量，输出标准的电压或电流信号，信号也可根据用户要求定制，方便使用。

可广泛用于环境、温室、养殖、建筑、楼宇等的光照度测量。

技术参数：

量程：

200lux~100000lux

供电：

DC15V或DC24V

输出信号：

4~20mA或电压输出

精度：

≤±5%

负载能力：

≤500Ω，≥3K