智能温室解决方案224电子教案.docx
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智能温室解决方案224电子教案
智能温室解决方案2012.2.24
项目解决方案
智能温室大棚自动监控系统
2012年2月24日
1.概述
随着我国设施农业的迅速发展，全国各地根据需要普遍建设了日光温室和塑料大棚为农作物创造良好的生长环境。
而现有的大多数温室大棚的检测与控制都采用人工管理，存在测控精度低、劳动强度大等弊端，增加了成本浪费资源，且难达到预期效果。
因此，科学合理地调节温室大棚内温度、湿度及二氧化碳的含量，促使温室大棚内形成有利于蔬菜，水果生长的环境，确保温室大棚内的蔬菜和水果早熟、优质和高效益产出。
通过设计智能温室自动监控系统可以对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制，例如：
空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。
使用自动化监控调节温室大棚内温度、湿度与二氧化碳含量等参数，为温室大棚内的蔬菜和水果的生长创造最优良的环境，最终提高生产效率增加农业产量，获得更大的经济效益。
而且在自动化生产过程中有效控制环境不仅能生产出高效益的作物，还能为工作人员提供安全、舒适的工作环境。
2.系统结构
智能温室大棚控制系统是针对温室大棚正常有效运转的控制要求配置的远程监控与管理系统，采用传感器技术，依托传统温室大棚生产工艺，设计一套具有高可靠性、安全性、可扩展性的软硬件系统。
分为上段中控平台和下端控制节点。
上端中控平台有多种选择，可选用凯纳物联网感知应用平台或者是为客户专门定制的操作监测平台。
平台可实现监测、查询、运算、建模、统计、控制、存储、分析、报警等多项功能。
目前此平台已经具有国际同类产品的所有功能，远远超越国内同类产品。
下端控制节点与上端平台通过有线或无线方式连接在一起，下端结构可独立运行。
下端节点连接所有的传感器，根据传感器的返回值计算，构造适合植物生长的模型。
图1系统总体结构图
智能温室大棚控制系统组成：
●计量仪表:
使用终端传感器测量温度、湿度、设备状态等数据并把数据通过数据线传送给数据采集仪
●数据采集仪
数据的采集、运算、控制、存储、发送功能，温度、湿度的限制控制，异常报警等。
●3G无线网络
通过3G无线网络，实现数据的无线传输功能。
●数据平台
远程数据接收、显示、查询、统计、报表打印、历史数据分析、阈值报警、发布远程控制命令。
●监控终端
工作人员通过终端或3G手机可实时对温室大棚的状态参数进行查看以及下发命令控制设备。
图2下端控制节点
3.监测内容及控制方式
在温室大棚内实现自动信息检测与控制，通过配备无线传感节点，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。
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，实现所有温室大棚检测点信息的获取、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，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，并根据以上各类信息的反馈进行自动灌溉、自动施肥、自动喷洒农药。
3.1.控制模式及控制效果
智能温室大棚监测系统可以实现全自动监测及控制和全手动监测及控制，除了可以根据客户需要实现局部手动控制结合整体自动控制的生物模拟技术模拟出最适合棚内植物生长的环境以外，还可以通过控制棚内温度、湿度、二氧化碳含量、土壤环境、光照强度及光照波长来模拟出最适合相应植物的生长环境模型,从而提高作物的品质及产量，缩短植物的生长周期。
整套系统可以通过上位机进行手动控制与自动控制进行切换，也可以在下端控制终端节点上进行自动和手动控制方式的切换。
在中控的上位机或者是下端控制终端节点的控制终端上进行手动控制进行对任何一个节点上的外围电气设备进行手动控制、状态查询、输出模拟调节。
这样既方便管理者全局调配管理及统计工作又可以让生产人员对现场情况做出第一时间的适当操作。
3.2.数据采集
3.2.1.温度监测及控制
通过整体和局部的温度监测和温度控制模型，分别对室外温度、室内空气温度、地表温度、土壤温度数据的分析、监测和比对。
通过模型计算，采用室外室内结合，上中下全立体的控制计算模型，制造出最适宜植物生长的模拟生物环境。
具体功能方法如下
（1）室外空气温度与室内空气温度监测
通过温度传感器监测棚外温度与棚内指定区域的空气环境温度，通过现场仪表、显示单元或中控显示单元显示数据。
并对数据进行存储，分析计算等功能。
（2）室内温度控制
根据室内温度传感器的返回值，再根据预先设定区域的温度值（土壤、地表、空气），通过变频加热设备对局部或整体的空气温度进行PID控制调节，从而节省加热能源。
并可对局部进行适应相应植物的生长环境温度。
还可根据现场要求进行手动控制加热。
（3）地表温度监测
根据特殊位置的高精度传感器对地表温度进行测量，并将返回测量值通过控制节点传至控制器及中控上位机显示出来。
并将数据存储，参与数据计算及历史分析。
（4）土壤温度
通过埋设在土壤中不同深度的特殊温度传感器、温度传感变送器来监测土壤的温度。
下端控制设备节点将根据土壤温度的数值进行计算。
将土壤温度数据在下端设备上显示出来并上传至上位机存储，并为管理者提供相应的决策数据支持。
图3温度传感器
目前，温室内温度的调节和控制包括加温、降温和保温三个方面。
加温有热风采暖系统、热水采暖系统、土壤加温三种形式。
降温包括遮光降温法、屋面流水降温法、蒸发冷却法及强制通风法。
保温包括减少贯流放热和通风换气量、增大保温比、增大地表热流量。
空气湿度的调控，主要是防止作物沾湿和降低空气湿度两个直接目的。
除湿的方法有通风换气、加温除湿、适当地控制灌水量、使用除湿型热交换通风装置。
加湿的方法包括喷雾加湿、湿帘加湿、温室内顶部安装喷雾系统等。
具体使用方法依据温室大棚的具体情况而定。
3.2.2.湿度监测及控制
通过整体和局部的湿度监测和环境湿度控制模型，分别对室外湿度、室内空气湿度、地表湿度、土壤湿度数据的分析、监测和比对。
通过模型计算，采用室外室内结合，上中下全立体的控制计算模型，制造出最适宜植物生长的模拟生物湿度生长环境。
具体功能方法如下
（1）室外空气湿度与室内空气湿度监测与比对
通过湿度传感器监测棚外温度与棚内指定区域的空气环境湿度，通过现场仪表、显示单元或中控显示单元显示数据。
并对数据进行存储、分析计算、比对等功能。
（2）室内湿度控制
根据室内湿度传感器的返回值，再根据预先设定区域的湿度值（土壤、地表、空气），通过变频喷水或加湿设备对局部或整体的空气湿度进行PID自适应控制调节，从而节省水资源。
并可对局部进行适应相应植物的生长环境湿度。
还可根据现场要求进行手动控制加湿。
（3）地表湿度监测
根据特殊位置的高精度传感器对地表湿度进行测量，并将返回测量值通过控制节点传至控制器及中控上位机显示出来。
并将数据存储，参与数据计算及历史分析。
（4）土壤湿度
通过埋设在土壤中不同深度的特殊温度传感器、温度传感变送器来监测土壤的温度。
下端控制设备节点将根据土壤温度的数值进行计算。
将土壤温度数据在下端设备上显示出来并上传至上位机存储，并为管理者提供相应的决策数据支持。
考虑到不同地区土壤成分的多样化，其中不乏存在酸性物质等，土壤温度湿度传感器本身外壳需要采用耐腐蚀材料，适用于各类土壤水分的测量，保证性能稳定可靠性高。
同时还可以根据实际需要配置相应的土壤检测仪器用以检测温室大棚内土壤情况，并提示工作人员做出相应调节。
3.2.3.光照监测及控制
温室大棚内的绿色植物进行光合作用总是依赖着光照，除了自然光照射外可以设置人工光源照射以促进温室大棚内植物生长。
然而吸取过多的阳光，对某些特定的作物却不一定都是有利的，因此需要根据温室大棚内光照强度开启或调节人工光源，为植物提供适宜的光照。
通过光感和光敏传感器监测室内外的关照强度，通过对比计算室内外的透光度和需要的光照强度。
可以通过中控的上位机和下位机实现全自动控制光照设备的光照调节。
也可以通过下端节点和上位机实现本地或远端手动控制。
图4光照强度传感器
根据温室大棚里采用对弱光有较高灵敏度的光伏探测器作为传感器，随时监测记录温室大棚内光线的强度，可以直接与相关的补光系统、遮阳系统等设备相连，在有需要时，自动打开相关设备。
通过无线传输技术将相关数据传送到用户监控终端，由相关工作人员做出相应控制，为植物生长提供完美的光照环境。
3.2.4.CO2、O2浓度监测及控制
利用二氧化碳和氧气含量分析设备，分析棚内空间环境内的二氧化碳含量和氧气含量，并根据预设值可以通过氧气发生装置和二氧化碳发生装置来进行二氧化碳和氧气的补充。
也可通过手动方式进行浓度调节，为了安全方面的考虑，两种气体含量都有上限的浓度值设定，当超过浓度值时，自动停止补充操作。
此时会锁死两种补充操作，直到含量低于上限值才可恢复补充操作。
植物通过吸收CO2完成光合作用，进行新陈代谢产生养分，而空气中过多的CO2含量却反而会抑制作物的生长。
通过控制温室大棚中的CO2浓度可以有效控制植物的光合作用，通过随时监测空气中二氧化碳的浓度，确保为植物生长提供最佳的生长环境。
图5CO2浓度传感器
在温室大棚内部署二氧化碳浓度传感器，实时监测温室中二氧化碳浓度，根据二氧化碳浓度数值自动控制相关设备运行，使二氧化碳浓度控制在作物生长适宜的湿度范围内。
无线二氧化碳传感器检测空气中二氧化碳浓度，当浓度超过系统设定阙值范围，通过无线传输技术将相关数据传送到用户监控终端，由相关工作人员做出相应控制。
也可以设置自动打开与之相连的通风设备，也可增加对作物的光照，使之进行更多的光和作用，从而减少二氧化碳的浓度，为植物生长提供良好的空气含量。
3.3.设备监测与控制
3.3.1.灌溉及喷药施肥控制
水灌溉与液体药物喷洒采用一套管线系统，可以通过自动和手动两种方式进行两种操作。
水灌溉和药物喷洒可以遵照客户自定义的要求进行实施，也可以进行临时和特殊的操作。
（1）水灌溉
可以依照温度湿度和其他参数，或者根据植物生长模型对灌溉设备进行开关控制或者进行精准的变频控制、高速计数控制（可以是灌溉精度达到1毫升/每小时精度级别）等高效且精准的灌溉控制方案。
也可以通过本地或者远程对棚内整体或者局部进行灌溉。
监测设备可以将根据水流量等技术参数计算出实际的灌溉用水量。
达到节能控制与精确控制的完美结合。
（2）药物喷洒
农药喷洒采用的管线与水灌溉系统是同一套管线，下端控制节点通过互锁的电气连接来控制水灌溉和药物喷洒使药物和灌溉水不混合。
通过上位机和下端节点远程控制监测和实现本地控制监测。
控制节点和上位机可以通过用户设定或模型设定配比农药浓度和喷洒频率，也可实现手动配比和手动喷洒。
3.3.2.分块控制
实现同一个棚内划区域管理，不同区域种植不同作物的要求，整套系统可以实现每个控制节点实现2-4个区域控制区域划分。
每个区域有自己独立的控制模型来适应不同的作物。
即可以实现每个种植区不同温度，不同湿度，不同气体配置等环境技术指标。
可根据用户需要即可以将整个大棚变成一个整体，也可分成多个区域来进行种植。
这样可以实现多环境作物同时培育，也方便一些科研实验的多环境任务要求。
对于用户来说可以通过上位机来监测、查询各分块数据，也可以对个分块进行单独控制和整体协调控制。
现场工人和实施人员还可以通过下端节点对各自的控制区域实现手动控制。
3.3.3.报警控制
根据用户对种植作物特性的需要，设定一些环境指标进行上限和下限报警设定等功能。
比如大棚温度应在30-15摄氏度之间，高于低于这个温度范围都会产生报警信息，这个信息将在上位机以文字或图像等和下位终端声光或文字显示出来，并且将此信息存储起来为管理者的决策作为支持数据。
3.3.4.节点故障通知
当下段设备出现故障时，必然会一定程度上的影响生产。
为了快速的响应故障及时解决故障，设备设有故障节点监测检测功能。
当设备出现故障时可以及时通过上端平台通知管理者，还可以通过短信的形式将故障或者是报警信息以短信息的形式传送至维修人员及管理者。
例如：
来自：
10042000
大棚1号区域加热设备异常，1号区域温度低于下限温度，请检查您的设备。
报警时间：
2011年3月1日17:
25
报警级别：
高级
3.3.5.备用冗余功能
为了避免设备故障及异常带来的不必要环境变化，影响作物的生长。
设备可进行扩展冗余，当设备出现故障时，辅助设备进行0切换。
从而实现连续无故障运行，并对故障进行报警处理。
增加系统稳定性和可靠性。
3.3.6.自定义控制模式
可以根据具体温室大棚的控制和监测需要，定制一些非标的监测项目及控制内容。
该项目可以使模拟信号、数字信号、开关信号、频率信号等监测和控制。
3.3.7.生长记录仪、视频监控及工作视频记录仪
通过定时采集植物的图像记录整个作物从发芽到采摘的整个过程，并将这些图片及数据存储起来，为日后使用。
通过不同位置的摄像头来进行视频监测，对整个棚内和棚外的一些指定地点进行监控并将影响存储记录下来。
使用控制视频系统对整个温室大棚进行视频实时监控，将现场视频在用户终端显示器上展示出来，使工作人员在计算机前就可以对现场状况一目了然。
监控系统可以实现温室大棚内全部设备的视频及安防，便于工作人员及时发现现场问题，排除故障及对警情的及时处理，保证温室工作正常运转。
3.4.数据平台
从温室大棚现场的数据采集设备采集温室大棚内现场数据，通过传感器数据传输模块将采集的数据传送至ZigBee节点或RS485节点上，然后通过3G（有线、无线）传输到数据平台，按照相关设定进行分析展示并进一步完成相应控制。
3.4.1.空间数据场
温室大棚内设置的传感器以网格方式分布在温室内多个位置，对温室环境进行多点实时动态采集，经过A/D转换送入单片机处理，驱动执行装置从而实现温室环境的自动智能调节。
显示装置实时显示温室内的温度、湿度数值，绘制空间数据场，以场图形式显示温室大棚内各个测量数值，更加清晰更加一目了然地展示了温室大棚数据全貌。
用户还可以通过终端设备或手机随时随地查询温室大棚内各个参数变化情况。
3.4.2.历史数据分析
数据平台为温室大棚内各个变量的监督控制提供了依据，除此之外还可配以数据分析系统，根据数据采集仪器检测的数据和条件，利用数据分析进行求利润最大、成本最小、方案最优的方法和策略，使温室控制的结果更加明显，更节省人力物力。
系统对历史数据进行存储，形成知识库，可以随时进行处理和查询。
可以将采集到的数据信息通过直观的形式向用户展示时间分布状况。
并根据需要选择按照日、周、月生成历史报表。
便于对温室大棚历史运转情况进行分析做出改进，进一步提高温室大棚的生产效率。
3.4.3.阈值报警
系统可以由工作人员根据温室大棚的具体情况设置温度、湿度等这个测量参数的限值，由数据采集系统监测相应数据，当温室大棚内参数出现变化超过设定阈值时，由系统发出报警以提醒相关工作人员。
或可以根据温室环境实现自动温湿度调节。
当出现故障导致温室内温、湿度长时间偏离设定值超过一定界限，或者设定值超出允许范围，应该通过蜂鸣器或者指示灯报警。
3.4.4.远程控制
数据采集设备采集到的现场数据然后通过3G无线网络传输到数据平台，按照相关设定进行分析展示并进一步完成相应控制。
用户从终端可以查看温室大棚现场的实时数据，并使用远程控制功能通过继电器控制设备或模拟输出模块对温室大棚自动化设备进行控制操作，如自动喷洒系统、自动换气系统、自动浇灌系统。
图6模拟输出模块
测控系统带有显示设备，可以实时显示温室内的温度、湿度数值以及设定的温度、湿度数值。
还应有输入设备，用来进行设定温度、湿度值，校零等操作。
3.5.监控终端
在温室大棚的监控终端设二台冗余的监控管理计算机，两套计算机可分担不同功能，故障时可互为热备。
根据情况选择是否配置DLP大型模拟屏，为节省经费可设置投影仪及电动屏幕予以代替。
工作人员也可以随时随地通过3G手机查看温室大棚内的实际影像，对农作物生长过程进行远程监控。
在监控终端可以直接显示整个各个温室大棚内的指标数据，任一个温室大棚可以局部放大画面，每个画面均可自由切换。
将采集的实时数据变量、指标、参数实时在显示出来，工作人员通过鼠标和键盘下达各种调度指令，进行工艺参数设定。
监控终端通过可视化、多媒体的人机界面实现以下主要功能：
●温室大棚内植物生长环境状况全面查询，包括各种参数、光照强度以及历史数据；
●向温室大棚内监控系统发调度命令、调整设备运转状况，确保温室内为植物生长最适宜环境。
4.扩展解决方案
4.1.室外气候监测
温室内环境的变化不仅与温室内的因素有关，还受外界自然环境的影响。
室外气候条件也是影响温室的安全与经济性的重要因素之一，它包括气温、光照、风、雪、冰雹与空气质量等。
在室外安装小型气象站，可以实现温室内外小气候信息的监测，同时根据小型气象站监测的室外气候条件做出控制策略，通过现场监控中心进行数据分析后，自动的开启相关设备，以调整温室内的小气候条件，实现智能调节，在能耗最小的情况下使温室内气候有益于温室作物的生长。
图7小型气象站
4.2.特殊植物光照生长环境模拟
根据不同植物生长过程进行光合作用时需要不同颜色的光线和光的波长，设备可以控制植物灯发出不同颜色和波长增加植物光合作用的效率。
还可在夜间或阴雨天气没有光照时利用植物等增加植物光合作用的时间，缩短植物生长成熟的周期。
4.3.播放音乐控制
通过预设的音响设备，按照设定曲目可自动和手动播放。
是一套半独立的音乐播放系统。
系统也可作为语音呼叫系统的载体使用。
4.4.优化控制系统
系统能够协调控制各种环境因子，而非仅对每个因子单独控制。
即以经济利益最大化为目标,这就要求对温室环境进行优化控制。
考虑相关条件建立基于模型的温室加温控制目标优化系统。
依托历史数据（温室、作物以及气象资料）选择作物生长模拟模型、温室加温能耗预测模型以及加温控制目标优化模型等数学模拟模型。
通过优化控制系统建立的模型输入温室类型、温室结构、覆盖材料、作物信息以及室外气象资料,输出作物干物质生产量、温室加温能耗量以及干物质生产能耗量利用效率最高和生物量最高的温室白天和夜问的加温控制目标（温度设置点）。
使用优化控制系统能更好地协调控制各种温室气候环境因子、并能对灌溉和施肥作业进行控制，具有经济实用、功能齐全、运行可靠等特点，达到高产高效的目标。
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