設(shè)計農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)方案

1、農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)方案一 簡介2二 農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控概述2三 背景與需求2四 系統(tǒng)的組成31）總體架構(gòu)3（2）系統(tǒng)有兩種典型配置結(jié)構(gòu)3（3）傳感信息采集4五 大棚監(jiān)測點現(xiàn)場分布4六 系統(tǒng)的軟件5七 常用的傳感器51、空氣溫濕度傳感器52、土壤溫度傳感器63、土壤水分傳感器64、CO2含量傳感器65、NH3含量傳感器76、光照度傳感器72014.9一 簡介 近年來，溫室大棚種植為提高人們的生活水平帶來極大的便利，得到了迅速的推廣和應(yīng)用。種植環(huán)境中的溫度、濕度、光照度、CO2濃度等環(huán)境因子對作物的生產(chǎn)有很大的影響。傳統(tǒng)的人工控制方式難以達到科學(xué)合理種植的要求，目前國內(nèi)可以實現(xiàn)上述環(huán)境因子自動監(jiān)控

2、的系統(tǒng)還不多見，而引進國外具有多功能的大型連棟溫室控制系統(tǒng)價格昂貴，不適合國情。 針對目前大棚發(fā)展的趨勢，提出了一種大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。根據(jù)大棚智能監(jiān)控的特殊性，需要傳輸大棚現(xiàn)場參數(shù)給管理者，并把管理者的命令下發(fā)到現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備，同時又要使上級部門可隨時通過互連網(wǎng)或者手機信息了解區(qū)域大棚的實時狀況?；贕PRS的智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)使這些成為可能。 二 農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控概述 農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)通過實時采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)空氣溫度、濕度、光照、土壤溫度、土壤水分等環(huán)境參數(shù)，根據(jù)農(nóng)作物生長需要進行實時智能決策，并自動開啟或者關(guān)閉指定的環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備。通過該系統(tǒng)的部署實施，可以為農(nóng)業(yè)生態(tài)信息自動監(jiān)測、對設(shè)施

3、進行自動控制和智能化管理提供科學(xué)依據(jù)和有效手段。開拓者kitozer系列的農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)控及智能控制解決方案是通過可在大棚內(nèi)靈活部署的各類無線傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，對農(nóng)作物溫室內(nèi)的溫度，濕度、光照、土壤溫度、土壤含水量、CO2濃度等與農(nóng)作物生長密切相關(guān)環(huán)境參數(shù)進行實時采集，在數(shù)據(jù)服務(wù)器上對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行存儲和智能分析與決策，并自動開啟或者關(guān)閉指定設(shè)備（如遠(yuǎn)程控制澆灌、開關(guān)卷簾等）。三 背景與需求 在每個智能農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部署無線空氣溫濕度傳感器、無線土壤溫度傳感器、無線土壤含水量傳感器、無線光照度傳感器、無線CO2傳感器等，分別用來監(jiān)測大棚內(nèi)空氣溫濕度、土壤溫度、土壤水分、光照度、CO2濃度等環(huán)

4、境參數(shù)。為了方便部署和調(diào)整位置，所有傳感器均應(yīng)采用電池供電、無線數(shù)據(jù)傳輸。大棚內(nèi)僅需在少量固定位置提供交流220V市電（如：風(fēng)機、水泵、加熱器、電動卷簾）。每個農(nóng)業(yè)大棚園區(qū)部署1套采集傳輸設(shè)備（包含路由節(jié)點、長距離無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點、Wi-Fi無線網(wǎng)關(guān)等），用來覆蓋整個園區(qū)的所有農(nóng)業(yè)大棚，傳輸園區(qū)內(nèi)各農(nóng)業(yè)大棚的傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)備控制指令數(shù)據(jù)等到Internet上與平臺服務(wù)器交互。在每個需要智能控制功能的大棚內(nèi)安裝智能控制設(shè)備（包含一體化控制器、擴展控制配電箱、電磁閥、電源轉(zhuǎn)換適配設(shè)備等），用來接受控制指令、響應(yīng)控制執(zhí)行設(shè)備。實現(xiàn)對大棚內(nèi)的電動卷簾、智能噴水、智能通風(fēng)等行為的實現(xiàn)。四 系統(tǒng)的組成 1）總

5、體架構(gòu)系統(tǒng)的總體架構(gòu)分為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、智能數(shù)據(jù)處理平臺和遠(yuǎn)程控制四部分。（2）系統(tǒng)有兩種典型配置結(jié)構(gòu)兩層網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)由兩類點構(gòu)成：無線傳感器節(jié)點，包括無線空氣溫濕度傳感器、無線土壤溫度傳感器、無線土壤含水量傳感器、無線光照度傳感器、無線CO2傳感器等；無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點，包括Wi-Fi無線網(wǎng)關(guān)或GPRS無線網(wǎng)關(guān)。該結(jié)構(gòu)適用于園區(qū)已經(jīng)有Wi-Fi局域網(wǎng)覆蓋，或是可以采用GPRS直接上傳數(shù)據(jù)的場景。在此結(jié)構(gòu)中，只需要在合適的區(qū)域部署無線網(wǎng)關(guān)，即可實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集和上傳。 三層網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)由三類點構(gòu)成：無線傳感器節(jié)點，包括無線空氣溫濕度傳感器、無線土壤溫度傳感器、無線土壤含水量傳感器、無線光照度

6、傳感器、無線CO2傳感器等；無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點；數(shù)據(jù)路由器。該結(jié)構(gòu)適用于園區(qū)沒有Wi-Fi局域網(wǎng)覆蓋，也不準(zhǔn)備采用GPRS直接上傳數(shù)據(jù)的場景。在此結(jié)構(gòu)中，需要部署數(shù)據(jù)路由節(jié)點和無線網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)路由節(jié)點之間以長距離無線通信方式進行數(shù)據(jù)的交換，在區(qū)域較大，節(jié)點間通信距離不足時，無線網(wǎng)關(guān)還可以相互之間進行自動數(shù)據(jù)中繼，擴大監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。（3）傳感信息采集在監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，無線空氣溫濕度傳感器、無線土壤溫度傳感器、無線土壤含水量傳感器、無線光照度傳感器、無線CO2傳感器等傳感器均支持低功耗運行，可使用廉價的干電池供電長期工作。同時，所有的無線傳感器節(jié)點均運行低功耗多跳自組網(wǎng)協(xié)議，可為其它節(jié)點提供數(shù)

7、據(jù)的自動中繼轉(zhuǎn)發(fā)，以擴大監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，增加部署靈活性。低功耗多跳自組網(wǎng)協(xié)議是在IEEE802.15.4協(xié)議的基礎(chǔ)上建立的，無線通信的頻率選擇可以是2.4GHz或780MHz。傳感器數(shù)據(jù)通過協(xié)議傳送到無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點上，無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點再經(jīng)過數(shù)據(jù)路由節(jié)點或直接將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)平臺的服務(wù)器上。用戶可以通過有線網(wǎng)絡(luò)/無線網(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)據(jù)平臺，實時監(jiān)測大棚現(xiàn)場的傳感器參數(shù)，控制大棚現(xiàn)場的相關(guān)設(shè)備。五 大棚監(jiān)測點現(xiàn)場分布 大棚現(xiàn)場主要負(fù)責(zé)大棚內(nèi)部環(huán)境參數(shù)的采集和控制設(shè)備的執(zhí)行，采集的數(shù)據(jù)主要包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的光照、空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤水分、CO2濃度等參數(shù)。傳感器的數(shù)據(jù)上傳采用低功耗無線傳

8、輸模式，傳感器數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送模塊，采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議將數(shù)據(jù)無線傳送到無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點上，用戶終端和一體化控制器間傳送的控制指令也通過無線發(fā)送模塊傳送到中心節(jié)點上，省卻了通訊線纜的部署工作。中心節(jié)點再經(jīng)過邊緣網(wǎng)關(guān)將傳感器數(shù)據(jù)、控制指令封裝并發(fā)送到位于internet上的系統(tǒng)業(yè)務(wù)平臺。用戶可以通過有線網(wǎng)絡(luò)/無線網(wǎng)絡(luò)訪問系統(tǒng)業(yè)務(wù)平臺，實時監(jiān)測大棚現(xiàn)場的傳感器參數(shù)，控制大棚現(xiàn)場的相關(guān)設(shè)備。低功耗無線傳輸模式使得大棚現(xiàn)場內(nèi)各傳感器部署靈活、擴展方便?？刂葡到y(tǒng)主要由一體化控制器、執(zhí)行設(shè)備和相關(guān)線路組成，通過一體化控制器可以自由控制各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)執(zhí)行設(shè)備，包括噴水系統(tǒng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)等，噴水系統(tǒng)可支持噴淋、滴灌等多種設(shè)

9、備，空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)可支持卷簾、風(fēng)機等設(shè)備。采集傳輸部分主要將設(shè)備采集到的數(shù)值傳送到服務(wù)器上，現(xiàn)有大棚設(shè)備支持Wi-Fi、GPRS、長距離無線傳輸?shù)榷喾N數(shù)據(jù)傳輸方式，在傳輸協(xié)議上支持IPv4聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。業(yè)務(wù)平臺負(fù)責(zé)對用戶提供智能大棚的所有功能展示，主要功能包括環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)空間/時間分布、歷史數(shù)據(jù)、超閾值告警和遠(yuǎn)程控制五個方面。用戶還可以根據(jù)需要添加視頻設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能。數(shù)據(jù)空間/時間分布將系統(tǒng)采集到的數(shù)值通過直觀的形式向用戶展示時間分布狀況（折線圖）和空間分布狀況（場圖）、歷史數(shù)據(jù)可以向用戶提供歷史一段時間的數(shù)值展示；超閾值告警則允許用戶制定自定義的數(shù)據(jù)范圍，并將超出范圍的情況反映給用

10、戶。六 系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)平臺軟件共由以下部分組成：（1）數(shù)據(jù)收集、存儲服務(wù)軟件完成傳感器數(shù)據(jù)的獲取、解析、分類，最后按預(yù)設(shè)的格式存入數(shù)據(jù)庫。（2）展示、決策軟件圖形化界面，從數(shù)據(jù)庫中讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，以表格和曲線的方式將傳感器數(shù)據(jù)顯示出來，支持多種查詢顯示方式?？勺远x決策系統(tǒng)控制對象及決策算法，與對象控制軟件互聯(lián)實現(xiàn)自動化控制。（3）遠(yuǎn)程控制軟件完成現(xiàn)場控制對象的操作，圖形化操作界面，支持重定義遠(yuǎn)端開關(guān)名稱等信息，可與決策軟件進行對接，實現(xiàn)自動化控制。七 常用的傳感器1、空氣溫濕度傳感器    用于檢測設(shè)施農(nóng)業(yè)的空氣環(huán)境溫濕度，一般使用的有效溫度范圍在050，有效濕度范圍在30

11、90%。大部分安裝在溫室、大棚或畜禽舍中空氣流通較好的遮陽處，一般根據(jù)溫室、大棚或畜禽舍長度安裝14個不等，以避免空氣流通差導(dǎo)致的局部小氣候效應(yīng)。2、土壤溫度傳感器    用于檢測土壤溫度，一般使用的有效溫度范圍在1040（土壤熱容積較大，溫度變化不很明顯），安裝在作物根部土壤中，以測量作物的生長、發(fā)育的土壤溫度及澆水后土壤溫度變動情況。根據(jù)溫室或大棚長度安裝24個不等，安裝時根據(jù)不同作物根系深度確定埋土深度。3、土壤水分傳感器    用于檢測土壤中水分含量，便于及時和適量澆灌。目前有兩種表示方式，其一為容積含水量，即V/V%，其二為

12、質(zhì)量含水量，即M/M%，大部分產(chǎn)品以容積含水量表示，一般有效范圍在1070%。因不同土質(zhì)能容納水量不同，故不同土質(zhì)在澆灌等量水后，所顯示的容積含水量會有不同。根據(jù)溫室或大棚長度安裝24個不等，安裝時根據(jù)不同作物根系深度確定埋土深度。4、CO2含量傳感器    用于檢測環(huán)境中CO2含量，便于決定是否增施氣肥或需通風(fēng)換氣。一般以ppm為單位，有效范圍在1001000ppm之間?？梢杂迷跍厥摇⒋笈镏?，也可以用在密封/半密封的畜禽舍中。溫室、大鵬中主要檢測有光照情況下CO2含量是否低于作物光和作用的最佳濃度，在畜禽舍中主要檢測密封環(huán)境下CO2濃度是否超出影響畜禽能生長發(fā)育

13、的最大濃度，以便于及時通風(fēng)換氣。獨棟溫室、大棚或畜禽舍安裝1個即可。5、NH3含量傳感器    用于檢測畜禽舍環(huán)境中NH3的含量，以決定是否需要通風(fēng)換氣和清除糞便。一般以ppm為單位，有效范圍在0100ppm之間。養(yǎng)雞場應(yīng)用居多，尤其是蛋雞場，因為雞的消化系統(tǒng)不能完全消化飼料，大量蛋白質(zhì)通過糞便排出后，經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镹H3，而NH3又是影響雞蛋產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，一旦NH3濃度超過一定值，蛋雞產(chǎn)蛋率明顯下降，甚至不產(chǎn)蛋，需要數(shù)周后才能恢復(fù)。一般安裝1個即可。6、光照度傳感器用于檢測作物生長環(huán)境的光照強度，以決定是否需要遮陽或補光。單位lux（勒克司），有效范

14、圍在200200000Lux。一般安裝在溫室、大棚中，用來檢測作物生長所需要的光照強度是否滿足最基本需要或是否達到作物的最佳生長狀態(tài)，如與CO2傳感器聯(lián)合使用，可以為何時增施氣肥提供參考。安裝時考慮向陽并且避免被遮擋。一般安裝1個即可。系統(tǒng)實現(xiàn)功能1：可在線實時24小時連續(xù)的采集和記錄監(jiān)測點位的溫度、濕度、風(fēng)速、二氧化碳、光照、空氣潔凈度、供電電壓電流等各項參數(shù)情況，以數(shù)字、圖形和圖像等多種方式進行實時顯示和記錄存儲監(jiān)測信息，監(jiān)測點位可擴充多達上千個點。2：可設(shè)定各監(jiān)控點位的溫濕度報警限值，當(dāng)出現(xiàn)被監(jiān)控點位數(shù)據(jù)異常時可自動發(fā)出報警信號，報警方式包括：現(xiàn)場多媒體聲光報警、網(wǎng)絡(luò)客戶端報警、電話語音

15、報警、手機短信息報警等。上傳報警信息并進行本地及遠(yuǎn)程監(jiān)測，系統(tǒng)可在不同的時刻通知不同的值班人員；3：數(shù)據(jù)集中器提供USB接口，在沒有配監(jiān)控電腦或監(jiān)控電腦損壞、癱瘓，可隨時用U盤導(dǎo)出將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)至其它電腦。4：數(shù)據(jù)集中器端提供具有信號輸出協(xié)議的端口，可接通信設(shè)備（GPRS IP MODEM等）進行無線傳輸。5：溫濕度監(jiān)控軟件采用標(biāo)準(zhǔn)windows 98/2000/XP全中文圖形界面，實時顯示、記錄各監(jiān)測點的溫濕度值和曲線變化，統(tǒng)計溫濕度數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)、最大值、最小值及平均值，累積數(shù)據(jù)，報警畫面。6：監(jiān)控主機端利用監(jiān)控軟件可隨時打印每時刻的溫濕度數(shù)據(jù)及運行報告。7：強大的數(shù)據(jù)處理與通訊能力，采用計算機

16、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，局域網(wǎng)內(nèi)的任何一臺電腦都可以訪問監(jiān)控電腦，在線查看監(jiān)控點位的溫濕度變化情況，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。系統(tǒng)不但能夠在值班室監(jiān)測，領(lǐng)導(dǎo)在自己辦公室可以非常方便地觀看和監(jiān)控。8：系統(tǒng)可擴充多種記錄數(shù)據(jù)分析處理軟件，能進行繪制棒圖、餅圖，進行曲線擬合等處理，可按TEXT格式輸出，也能進入EXCEL電子表格等office的軟件進行數(shù)據(jù)處理。9：控制軟件的編制采用軟件工程管理，開放性與可擴充性極強，由于采用硬件功能的軟件化的系統(tǒng)設(shè)計思想及系統(tǒng)硬件的模塊化、通訊網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計，系統(tǒng)可根據(jù)需要升級軟件功能與擴展硬件種類。10：系統(tǒng)設(shè)計時預(yù)留有接口，可隨時增加減硬軟件設(shè)備，系統(tǒng)只要做少量的改動即可，可以在很短的

17、時間內(nèi)完成?？筛鶕?jù)政策和法規(guī)的改變隨時增加新的內(nèi)容。11：設(shè)備改進、檢修過程中及檢修完成后，均不需要停止或重新啟動機房監(jiān)控系統(tǒng)。 12：系統(tǒng)都均做可靠行接地，以防靜電。光照度傳感器工作原理1、光照度傳感器光照度傳感器采用對弱光也有較高靈敏度的硅蘭光伏探測器作為傳感器；具有測量范圍寬、線形度好、防水性能好、使用方便、便于安裝、傳輸距離遠(yuǎn)等特點，適用于各種場所。尤其適用于農(nóng)業(yè)大棚、城市照明等場所。光照度傳感器技術(shù)參數(shù)測量范圍: 200200000Lux光譜范圍：400700（nm）可見光電源電壓: 24VDC（12VDC30VDC）輸出信號: 420mA或 05V測量誤差: 小于±7%工

18、作環(huán)境溫濕度:040、070%RH儲存環(huán)境溫濕度:-10+50，080%RH大氣壓力:80110KPa2、光照度傳感器工作原理該表為熱電效應(yīng)原理，感應(yīng)元件采用繞線電鍍式多接點熱電堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂層。熱接點在感應(yīng)面上，而冷結(jié)點則位于機體內(nèi)，冷熱接點產(chǎn)生溫差電勢。在線性范圍內(nèi)，輸出信號與太陽輻照度成正比。為減小溫度的影響則配有溫度補償線路，為了防止環(huán)境對其性能的影響，則用兩層石英玻璃罩，罩是經(jīng)過精密的光學(xué)冷加工磨制而成的。 3、光照度傳感器安裝與使用該表應(yīng)安裝在四周空曠，感應(yīng)面以上沒有任何障礙物的地方。然后將輻射表電纜插頭正對北方，調(diào)整好水平位置，將其牢牢固定，再將總輻射表輸出電纜與記錄器相連接，即可觀測。最好將電纜牢固地固定在安裝架上，以減少斷裂或在有風(fēng)天發(fā)生間歇中斷現(xiàn)象。 光照度傳感器注意事項1.玻璃罩應(yīng)保持清潔，要