智能大棚解决方案.docx
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智能大棚解决方案
智能大棚解决方案
甘肃图博网络科技股份有限公司
2018年8月
第一章概述
1.1名称
智能大棚解决方案
1.2背景
温室大棚生产是近20年来我国农业种植中效益最大的产业。
目前我国设施农业面积已达300多万公顷，总面积占世界首位。
其中温室大棚面积约60余万公顷，北方地区约占整个大棚面积的80%以上。
我国北方地区的温室大棚经过对其建筑结构、环境调控技术和栽培技术等方面的不断改进，初步形成了具有中国特色的设施农业生产体系—节能型温室大棚配套栽培技术。
在40℃的高寒地区可实现冬季不加温生产蔬菜，基本消除了冬春蔬菜淡季，该技术在中国北方地区得到广泛应用，南方地区则大力推广塑料大棚和遮阳网栽培，解决了夏季防雨降温的问题。
目前，我国商品化大棚普及率仍然较低，受生产成本等条件的制约，高、中档次的商品化大棚主要被一些机关团体、军队、农场和科研单位采用，却很少被个体及一般农民采用。
普通农户大多采用自建的简易拱棚进行作物生产，约占我国大棚总量的60%以上。
有的大棚结构简单、设备简陋，难以实现环境的综合调控，生产管理和运行水平比较低下。
同时，大棚缺乏有效的管理体制和机制，无法将生产、加工、销售有机地结合起来。
随着科学技术的迅猛发展，我国的温室也必将向大型化、集约化、规模化、产业化方向发展。
温棚骨架材料趋向高强度、轻便、耐腐蚀、使用寿命长发展；规模向多拱拼装式、大型连栋式方向发展，采光利用率高、低能耗的温室将成为发展重点；覆盖材料向透气性好、保温保湿性能优越方向发展；配套设施向电动和计算机自动监控方向发展。
发展温室产业必须以科技创新为依托。
没有科技含量或科技含量低的温室产业，将无法确保温室产业得到有效的发展，其经济效益是相当有限的。
因此，必须加大科研开发力度，切实解决温室产业中关键技术难题，重视温室产业相关生物技术的协作攻关，积极开展温室产业配套技术的开发研究，因地制宜地研制和开发具有自主知识产权的温室产业设备，建立温室产业技术创新体系。
顺应当前农业产业快速发展的需要，智能大棚配备了由计算机控制的可移动天窗、遮阳系统、保温系统、升温系统、湿窗帘/风扇降温系统、喷滴灌系统或滴灌系统、移动苗床等自动化设施，采用计算机集散网络控制结构对温室内的空气温度、土壤温度、相对湿度、二氧化碳浓度、土壤水份、光照强度等参数进行实时自动检测，创造植物生长的最佳环境，使温室内的环境接近人工设想的理想值，以满足温室作物生长发育的需求。
可以说智能温室大棚通过智能化控制系统可以实现对温室内的环境精确控制，不仅推动了我国现代设施农业的改造升级，同时对于农业生产效益的提升也起到了十分明显的效果。
1.3现状分析
近年来，在需求带动、政策推动、投资拉动等多种因素的带动下，大棚呈现出前所未有的发展势头，面积迅速扩大。
然而其在发展过程中存在诸多问题：
（1）科技含量低
无论是在大棚设施本身还是在栽培管理方面，大多数设施结构简单，栽培管理以传统的经验为主，距离数量化和指标化的要求还有相当大的差距。
中国大棚市场上目前使用的不少产品，在高品质领域主要以国外产品为主。
遮阴网的生产上以瑞典、以色列的高品质产品为主，大棚环境控制系统领域上国内的产品同样与国外有相当大的差距，而且国内现有的一些科研成果与真正地推广应用之间还有一段差距。
（2）环境调控技术与设备落后
由于大多数的大棚设备简单，类型落后，因此环境的可调节程度和控制技术都比较有限，塑料大棚往往受到自然灾害的影响而无法生产。
即使在正常条件下，大多数的温室大棚的环境调控手段相对简易，可以进行通风和避风调节等，但对于温度过高、光照太强或太弱都无法进行调节。
（3）缺乏与我国相适应的大棚优化控制软件
目前我国引进大棚的控制系统大多运行费用过高，而自行研制的控制系统又缺乏相应的优化软件，多数仍使用单因子开关量进行环境因子的调节。
而实际上大棚内的光照、气温、地温、湿度及二氧化碳浓度等环境要素是在彼此关联着的环境中对作物的生长产生影响的，而且环境要素的时间变化和空间变化都很复杂，当改变某一环境因子时常会把其他环境因子变到一个不适宜的水平上。
（4）大棚建设盲目性很大
大量的项目在相应的配套设备、人才不到位的情况下，盲目地从国外引进高新技术，盲目地低水平仿制国外产品。
大棚种植管理上，产品种植前经过市场考察的很少，往往造成产品积压，带来不应有的损失。
相关的种植管理方面的研究距离理论化、科学化、系统化地指导生产实践还有不少差距。
大棚企业在产品的售后配套服务方面尚不够完善，企业的品牌意识、诚信意识不够，相当一部分大棚控制软件的研究上与国外企业相比有相当大的差距。
1.4智能大棚平台优势
智能大棚平台依托传感技术、无线技术、宽带技术、SIP技术、视频技术、智能控制技术，做到对大棚土壤、空气、水分、温度、光照等环境参数的全程监控与管理，为精细化科学育种提供现代化的手段。
智能大棚已经成为弥补传统农业弊端的一种新型农业模式，也是促进大棚生产向着精细化、智能化方向发展的一种有效途径。
它的主要优势有以下几点：
（1）种植作物几乎零损失
采用智能大棚平台来进行智慧种植，最明显的优势就是可以保证大棚内部保持恒定的环境条件，这对于环境要求比较高的植物来说，能够有效规避由于人为因素而造成的生产损失。
（2）迅速提升产量和质量
智能大棚平台的基本功能就是大棚环境的监测和控制，它利用各种传感器建立了与大棚作物之间的联系，能够更加明白作物的需求情况，在此基础上，大棚监测控制系统实现了科学精准地控制大棚温湿度和光照，营造作物最适应的生长环境，促进农作物生产，提高质量和产量。
（3）节本增效
对于具备一定规模的种植企业来说，要持续提升农业种植的效益，不仅需要提升农作物的产量和品质，还需要提高工作效率，降低运营成本。
应用智能大棚平台实现远程控制之后，可以大大提高大棚劳动的效率，降低大棚生产的人工成本，减轻工作人员的劳动强度。
更重要的是应用大棚智能平台的经济效益是长期的，使用时间越长，那么表示劳动力成本也会越低。
第二章解决方案
2.1总体架构
以农业生产指挥中心为核心，通过各种定制开发的智能终端设备监控大棚生产过程中的各类指标，对机电设备的控制，实现大棚信息检测和标准化生产监控，帮助用户精确了解农作物生长情况、病虫害情况、土地灌溉情况、土壤空气变更等情况。
融合互联网、移动互联网、云计算和物联网技术，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）和通信网络实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能分析、智能决策，为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策。
总体架构图
2.2智能大棚平台
智能大棚平台主要由数据采集系统、设备的智能控制系统、视频监控系统、智能灌溉系统、智能报警系统、统计分析系统、智能监测系统、平台管理系统、移动APP等组成。
数据采集系统：
实现对大棚空气温湿度信息监测、土壤信息监测、视频信息采集等。
智能控制系统：
实现对大棚卷帘电机、通风口电机、风机、湿帘等设备的控制。
视频监控系统：
实现整个大棚内农作物生长情况的监控和出现不良情况对用户发出告警。
智能灌溉系统：
根据传感器数据自动生成轮灌计划，也可手动设置轮灌计划。
智能报警系统：
当设备出现故障或超出传感器设定的阈值/低于阈值时发出报警。
统计分析系统：
实现设备状态及报警信息和采集数据的查询、统计、分析、汇总，并以曲线和报表等多种形式显示。
智能监测系统：
监测设备运行状态以及大棚环境指标。
平台管理系统：
实现用户管理、设备管理、智能控制管理、灌溉计划管理、报警管理、数据处理等功能。
移动APP：
通过移动APP实现对大棚环境各项指标的监测、远程控制设备、视频监控等应用。
2.2.1智能大棚平台组网
目前温室环境监控系统主要包括有线和无线两种方式。
传统有线温室环境监控系统因为安装调试困难、维护成本高、对大棚现场损坏严重已经逐渐被淘汰，取而代之的是无线温室环境测控系统。
然而由于目前市场上的无线传感器在供电、采集速率、价格等方面尚不能尽如人意，因此本方案我们选择有线和无线结合的网络架构。
将采集的实时数据以一定的周期采集到数据采集器RTU，通过4G网络/有线网络将数据上传到基站并进入互联网，将数据发送至智能大棚平台，通过登陆智能大棚平台取得数据。
平台组网图
2.2.2智能大棚平台子系统
2.2.2.1数据采集系统
在数据采集系统中，RTU负责各种传感器的接入，实时采集传感器数据，然后向上连接数传模块，将采集到的数据通过有线网络/4G网络发送到智能大棚平台；同时负责接入控制器，实现对风机、天窗、卷帘、水阀等控制设备的远程控制。
RTU部署数量由前端传感器决定，系统前端主要部署四种类型的传感器来监测大棚室内的环境指数。
大棚环境信息感知单元由无线/有线采集终端和各种环境信息传感器组成。
环境信息传感器监控大棚内空气温/湿度、光照度、二氧化碳、土壤温/湿度、土壤养分、环境气象、病虫害测报等信息，通过有线采集交换机或无线采集终端以4G方式将采集数据传输至监控中心，以指导生产，通过各种仪器仪表实时显示或作为自动控制的参变量参与到自动控制中，保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。
环境参数采集终端是将这些传感器节点集合在一起的一种采集设备，通过各种传感器可实时监测空气温湿度、土壤含水量、土壤温度、光照强度、二氧化碳浓度等信息，并将数据传输到远程服务平台。
显示采集终端用于集中显示各类传感器的采集值，此终端采用不需要任何操作，安装简单快速，适合维护人员管理。
用户可在此终端观看所有连接到它的传感器显示值，也可以远程通过手机等进行数据查看与管理。
（1）空气温湿度传感器
温度主要影响酶及细胞器和细胞膜的活性，可以控制植物的吸收与蒸腾、光合与呼吸等重要的生理功能。
空气温湿度是影响植物生长的最直观、最重要的因素，对空气温湿度的监测可以实时了解植物的基本生产环境，及时采取措施将生长环境调控到最佳状态。
技术参数：
测量范围：
-20℃～60℃;0％RH～100％RH℃
输出信号：
2.4GHz
工作电压：
DC12V（9V～28V）
测量精度：
温度±0.5℃;湿度±3％RH℃
（2）光照传感器
光照对植物的生长、发育和品质均有重要影响。
以光强、光质和日照时间的长短对植物产生生态效应。
强光太低，光合效率低；光强太高，超过光饱和点，光合产物也会减少，而且会因水分不足，气孔关闭，光合受阻，作物开始受害。
通过光照传感器采集大棚室内的光照度，针对不同作物采取不同补光措施。
技术参数:
光照度范围：
0-65535lx
传感器内置：
16bitAD转换器
测量精度：
±20%
（3）土壤温湿度传感器
在大棚、连栋棚内安装土壤水分、土壤温度传感器，监测设施温室大棚和部分连栋大棚的土壤水分、土壤温度率情况，通过信息监测指导灌溉。
采集数据通过本地数据采集器显示以及通过汇聚节点远程传输到监控中心。
通过无线网络传输方式,也可以通过有线网络传输方式，以网线至交换机可以供按需选择，可以实现传感器与大棚内环境设施集中处理、联动及远程控制，数据接入物联网平台，实现对大棚内各类信息的存储、分析和管理。
不同的作物对土壤温湿度的要求也不同，一般以营养生长初期和果实开始迅速生长期为水临界期，这时缺水对作物生长结果影响极大，土壤水分过少，吸收速度抵偿不了蒸腾失水，这种情况下需要补偿叶片的失水；补偿不足时，叶片光合作用速率降低，合成酶的活性收抑制，生长停顿。
土壤水分传感器的数量需要根据大棚现场作物的生长环境而定，一般建议一个独立灌溉区部署一个土壤水分传感器。
技术参数:
量程：
0～100%
单位：
%（m3/m3）
测量精度：
±3%
互换精度：
<3%
复测误差：
<1%
探针材料：
不锈钢，长度：
<100mm，直径：
Φ3.5mm
测量区域：
以中央探针为中心，周围35mm、高为80mm区域
（4）二氧化碳传感器
作物的增产效果与光合二氧化碳同化有直接关系，瓜果类的增产与二氧化碳的较广泛的生理效应有关。
保证大棚室内的二氧化碳提供给是提高作物产量和品质的最基本要求，近几年，大棚二氧化碳施肥技术在一些高效设施农业大棚中也获得了广泛的应用。
二氧化碳传感器是进行日常二氧化碳施肥管理的有力依据。
技术参数：
测量范围：
0-5000ppm
最大允许误差：
5%FSD
重复测试：
3%FDS
耗电：
4W
2.2.2.2智能控制系统
远程控制的实现使技术人员在办公室就能对多个大棚的环境进行监测控制。
采用无线网络来测量获得作物生长的最佳条件，可以的为大棚精准调控提供科学依据，达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。
大棚、连栋大棚控制设备包括风机、湿帘水泵、顶部通风、电磁阀等设备，通过有线网线至交换机或者无线WIFI或4G模块与综合控制中心连接。
通过传感器检测空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤水分、光照强度及二氧化碳等参数，构建测控点实现温室大棚环境获取、自动灌溉、自动控制等功能，提高设施生产自动化、智能化程度，具有较好的示范展示效果。
控制设备
通讯：
带RS485接口的设备，Zigbee无线传感器，带以太网接口的设备；
设置：
报警限值设定，存储间隔设置，操作员登陆密码设置；
显示：
设备状态实时数据本地控制实时曲线历史数据操作权限；
采集：
4mA～20mA电流信号，0V～5V电压信号，高低电平信号，Zigbee无线传感器；
控制：
风机、水泵、电机、电磁阀、卷帘等其他的启动设备。
（1）功能特点
◆操作简单、方便，数据显示明显，设备状态一目了然
◆带太网接口
◆短路保护、过流保护
◆防雷保护、防浪涌
◆过热保护、过压保护，抗干扰
◆标准工业ModbusTcp协议
◆接收ZIGBEE无线传感器的网络节点（模拟信号、数字信号；多路控制输出）
◆漏电保护
◆2~16路、直接控制电压为AC380V、10A的电机，卷帘机等的设备
◆2~16路、直接控制电压为DC24V或AC220V、5A的泵、阀等小容量的设备
◆箱体供电电压为AC380V或AC220V
（2）配置
1.触摸屏是以先进的Cortex-A8CPU为核心（主频6000MHz）的高性能的四线电阻式触摸屏（分辨率4096×4096），采用7英寸高亮度TFT液晶显示屏（分辨率800×400），可以存储容量大，最大20万条记录。
2.核心模块采用工业嵌入式Linux系统，ARMA8（/ARM9）高性能处理器架构z64M/128MDDR2内存，128MSLCnandflash大容量存储
3.安全性高，参数设置和设备操作要求登陆密码，系统运行稳定。
4.提供DC24V5A供电，供现场变送器或是设备使用。
（3）技术参数
1、供电电压：
AC380V/220V
2、对外供电：
DC24V（最大电流3A）
3、通讯方式：
以太网、wifi、4G
4、协议类型：
ModbusTCP
5、通讯端口：
10M/100M以太网端口、USB
6、输入信号方式：
JKZD-Zxx-x：
接入ZigBee信号
JKZD-Hxx-8：
接入4mA～20mA、0V～5V、电平信号
7、环境参量：
JKZD-Zxx-x：
可接入JZH-0、JZH-1、JZH-5、JZH-P、JZH-G、JZH-V系列无线传感器。
JKZD-Hxx-8：
8路模拟量信号传感器（4mA～20mA/0V～5V/电平信号）
8、继电器负荷电流：
5A
9、接触器负荷电流：
10A
（4）控制器控制项目
大棚控制器控制项目内容如下，均为可选项：
1）保温被或塑料薄膜卷动控制；
2）喷灌设备的灌溉控制；
3）加温系统控制；
4）排风或降温系统的控制；
5）大棚照明系统的控制；
6）二氧化碳和氧气浓度的控制。
（5）菜单介绍
操作权限登录页面（点击按钮：
用户登陆）：
安全密码设置（点击按钮：
更改密码）：
（提示：
密码忘记后，只能重新下载程序）
为了确保权限，操作完成后退出权限页面（点击按钮：
退出登陆）
点击按钮：
设置确认
限值显示的数据保存下来。
点击按钮：
设备控制（有安全权限限制）
设备状态显示下图：
点击相应图标可以操作对于的设备开/停
点击按钮：
存盘间隔可以设置数据存盘间隔时间（秒/分/时）
点击按钮：
历史曲线显示存盘时间段内的数据曲线
点击按钮：
历史记录打开记录表
点击按钮：
下一页（如有多个节点）
（6）控制器连接方式
主要采用并联的方式实现接入，通过增加继电器（控制器控制继电器）并联入现有的控制电路，控制器通过数据接口与数据传输模块连接。
实现原系统的手动控制功能继续有效，新增远程智能控制功能。
2.2.2.3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，对农作物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。
可以实时查看大棚内农作物长势。
2.2.2.4智能灌溉系统
灌溉是弥补自然降水在数量上的不足与时空上的不均、保证适时适量地满足农作物生长所需水分的重要措施。
以往的灌溉工程，很多没有配套完整的灌溉系统，灌水时只能采用大水漫灌或人工洒水。
不但造成水的浪费，而且往往由于不能及时灌水、过量灌水或灌水不足，难以控制灌水均匀度，对作物的正常生长产生不良影响。
传统的地面大水漫灌已不能满足现代灌溉的要求，采用高效的灌水方式势在必行。
喷灌，以其节水、节能、省工和灌水质量高等优点，越来越被人们所认识。
近年来喷灌发展很快，有逐步取代人工地面灌溉的趋势。
精准性：
自动化控制不仅可以实现整个系统每组灌水单元精确的启闭时间控制，从时间上保证了整个区域的灌水均匀性和时间的准确控制。
高效性：
采用自动化控制，让灌水单元在设定好的程序下自动运行，大大节省了人力的开支。
节水性：
体现在时间的精准控制上自动停止灌溉，避免长时灌溉所造成水的浪费。
方便性：
控制器管理一定区域下的灌水操作，只需进行简单的编程或是一键开启操作等等就可以完成这个区域的日常灌水。
安全性：
自动控制系统，所有管路设施以及控制设施全部安装隐蔽在地下，而且不会有什么人工的管理活动。
2.2.2.5智能报警系统
当灌溉系统出现故。
如水管破裂等，立即停止水泵运行，并报警。
当实时监测数据不在相应参数设置的阈值内，系统自动报警并执行相应的操作。
当控制设备出现断电，掉线时，自动发出报警，并保存报警数据。
2.2.2.6统计分析系统
根据用户需求，提供历史数据的查看和统计报表功能。
智能温室系统平台通过对采集的数据进行汇总统计，生成各种统计报表。
同时根据用户需要，提供统计说明和图例，支持柱状图、折线图和饼状图辅助用户进行分析判断。
2.2.2.7智能监测系统
在温室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。
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，实时显示相关参数的值。
设备监控界面按照现场监控站温室控制系统绘制温室分布图，在图上直观显示相关电磁阀的位置、状态、是否启用轮灌，正在灌溉的组别，灌溉持续时间、当前系统时间显示等信息。
该界面可以对电磁阀的状态统一实时查询；电磁阀的单独开启关闭、状态查询。
管理区域内放置360°全方位红外球形摄像机，可清晰直观的实时查看种植区域作物生长情况等。
此功能指系统中提供用户查看玻璃温室和连栋温室的实时视频信息，用户可以选择查看实时视频信息和历史视频信息。
帮助用户了解农作物的生产情况、农产品的存储情况和现场人员的工作情况。
2.2.2.8平台管理系统
实现用户管理、设备管理、智能控制管理、灌溉计划管理、报警管理、数据处理等功能。
2.2.2.9移动APP
本系统不仅支持固定监控终端监测，还可以集成手机终端实现移动监控。
监测内容包括环境的传感器数据监测和视频监控，并实现对控制设备的远程控制。
2.3智能大棚平台软件功能
应用软件是基于B/S架构，采用全图形化设计，支持触摸屏控制，达到操作员会上网浏览网页就会使用应用软件的要求。
平台功能图
2.3.1控制台
对使用该系统的用户分成不同的角色（如：
管理员、操作员等），对不同的角色授予相应的权限，对具体的用户进行注册时赋予相应的角色，从而得到相应的使用权限。
本系统登陆时需要通过身份验证，只有合法用户才能进入该系统，并受相应的权限控制。
从而实现了系统的安全性管理。
权限管理：
一般系统权限控制到菜单级别，权限管理按照菜单功能对系统权限进行维护；
角色管理：
维护系统操作所需的各级角色；
角色权限分配：
给每个角色，赋予相应的功能权限。
2.3.2基本信息
在界面显示整个大棚作物生长状况及种植面积等信息。
2.3.3智能监测
智能大棚管理系统实时将农作物生长环境中各种采集器采集到的环境因子（温度、湿度、二氧化碳、室内温湿度等），同时监控各大棚喷灌电磁阀、风机等工作状态及是否启用轮灌，正在灌的组别，灌溉持续时间、当前系统时间显示等信息。
2.3.4智能控制
大棚智能管理系统可对浇灌系统、通风、加湿、保温系统等智能设备实时控制，即进行用户身份确认后登陆该系统后，可实时的对当前农作物生长环境中的设备进行远程控制。
2.3.5智能预警
（1）当灌溉系统出现故。
如水管破裂等，立即停止水泵运行，并报警。
（2）当实时监测数据不在相应参数设置的阈值内，系统自动报警并执行相应的操作。
2.3.6灌溉计划
该功能是本系统的核心功能，具有自动灌溉、定时灌溉、周期灌溉、手动灌溉等多种模式，用户可根据需要灵活选用灌溉模式。
可实现中控室控制，手机APP远程控制等多种控制方式。
参数设置功能
（1）系统可以对现场的温、湿度限值进行设置和修改。
（2）系统可通过控制器或后台监控系统完成灌溉起始时间、停止时间、喷灌时间等参数设置。
通信功能
（1）通过后台机查看、设置、修改参数。
（2）采集数据上传后台机，供后台机进行数据处理和显示。
（3）接收后台机发出的控制命令。
数据处理功能
（1）电磁阀门开启次数和时间统计。
（2）通过电磁阀门的水流量统计。
（3）系统故障次数统计，系统使用率统计。
2.3.7统计分析
大棚智能管理系统可使用户设置一定时间间隔，并对一组数据进行各种限定条件下的查询、设备状态及报警信息的查询、统计、分析、汇总，并以曲线和报表等多种形式显示。
2.4平台特点
2.4.1功能先进
本方案对大棚远程监控系统的实现不仅能对大棚生产过程中的参数在线高精度测量,而且能实现棚内调温等的智能远程控制和多种方式的报警提示,自动实现保湿、通风和历史数据的记录。
2.4.2界面友好
主控中心软件界面采用折线图和立体彩色图显示形式，显示直观，可视性好，界面精美。
软件可显示设置室内外温度、湿度、二氧化碳等参数，并能进行手动自动控制和切换、报警等。
2.4.3网络优势
方案采用有线和无线方式相结合的线路架构，综合考虑了对大棚工作环境的最大化保护和数据传输的快速、稳定、可靠性，为信息的传输和交换提供了最大化的
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