1、智能農(nóng)業(yè)溫室大棚管理系統(tǒng)項目分析與設(shè)計目 錄第一章 緒論1.1項目背景智能溫室大棚是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，是以全面感知、可靠傳輸和智能處理等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐和手段，以溫室大棚的自動化生產(chǎn)、最優(yōu)化控制、智能化管理為主要目標的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的具體應(yīng)用領(lǐng)域，也是目前應(yīng)用需求最為迫切的領(lǐng)域之一。溫室大棚以日光溫室為主，溫室結(jié)構(gòu)簡易，環(huán)境控制能力低。我國溫室大棚的技術(shù)裝備盡管有了較大發(fā)展，但是溫室大棚種植普遍存在管理粗放、技術(shù)設(shè)施落實不到位、智能化水平低，導(dǎo)致單位生產(chǎn)效率低、投入產(chǎn)出比不高、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量安全水平起伏較大的現(xiàn)狀，在溫室環(huán)境、栽培管理技術(shù)、生物技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)等方面和發(fā)達

2、國家存在著較大差距。我國建設(shè)在南方的大型智能溫室以生產(chǎn)花卉為主，北方的則以栽培蔬菜為主，少部分智能溫室用于栽培苗木。四川省成都市溫江區(qū)響應(yīng)國家號召，政府投資，在溫江區(qū)實施高科技農(nóng)業(yè)示范區(qū)，示范區(qū)位于成都市溫江區(qū)，當(dāng)?shù)貧夂驗閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，四季分明，七月份平均氣溫35，平均降雨量400mm,一月份平均氣溫9，平均降雨量300mm。全區(qū)占地面積為：24m*32m=768平方米，已經(jīng)裝有混凝土拱架塑料大棚，作為有機蔬菜以及園藝種植區(qū)域，產(chǎn)品規(guī)格為棟寬12米，間距4米，天溝（雨水槽底部局柱底高度）5米，頂高（屋脊到柱底高度）5.9米，屋面角度25度，外遮陽高度6.4米；排列方式為屋脊走向為：南北12m

3、*4跨=48米，側(cè)墻長（南北）：4米*8榀=32米?，F(xiàn)計劃在該整片溫室大棚種植區(qū)域安裝基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的全方位隨時監(jiān)控管理的智能溫室大棚系統(tǒng)，作為農(nóng)業(yè)示范區(qū)域，以便以后在整個成都片區(qū)實行推廣。1.2現(xiàn)存問題首先是成本較高。一般來講，一套智能化的控制系統(tǒng)成本主要包括硬件成本、運行成本和維護成本。硬件成本包括各儀器儀表、通信線纜等。整個系統(tǒng)也不能自由組合或者裁剪應(yīng)用于不同的對象，使得難以得到推廣和普及。同時，由于系統(tǒng)復(fù)雜、布線繁多、故障率高而且使得故障后的維修成本極大。另外，系統(tǒng)龐大造成的運行成本也不是一筆小費用。其次是布線復(fù)雜。溫室中有大量分散的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，這些設(shè)備可能隨著作物的改變而進行調(diào)

4、整，同時錯綜復(fù)雜的線纜也需要重新鋪設(shè)，工作量較大。為了科學(xué)、合理地實現(xiàn)大面積溫室環(huán)境參數(shù)的自動檢測與控制，電子檢測裝置和執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)置不僅數(shù)量大而且分布廣，連接著各個裝置與機構(gòu)的線纜，也因此縱橫交錯。當(dāng)溫室內(nèi)生產(chǎn)的果蔬作物更替時，相應(yīng)的電子檢測裝置和執(zhí)行機構(gòu)的位置常常需要調(diào)整，連接著各個裝置與機構(gòu)的線纜有時也需要重新布置。這不僅增大了溫室的額外投資成本和安裝與維護的難度，有時也影響了作物的良好生長。 第三，故障解決難。當(dāng)數(shù)據(jù)無法正常接收時，檢查人員不知道是線路問題還是節(jié)點故障。另外，目前的控制系統(tǒng)多采用基于現(xiàn)場總線的分布式模式，當(dāng)總線出現(xiàn)故障時，雖然各控制節(jié)點尚能正常工作，但是上位機卻無法正常

5、管理整個網(wǎng)絡(luò)，專家控制策略無法實施。1.2項目意義(1)實現(xiàn)廣范圍的測量，需求傳感器節(jié)點多當(dāng)前溫室生產(chǎn)的首要特點就是監(jiān)控區(qū)域很大，普通單個連棟溫室都有幾千平方米，而一個園區(qū)溫室群的面積可能會在幾百畝以上，因此需要大量的傳感器節(jié)點構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，在每個溫室中采集諸如空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤濕度、營養(yǎng)液EC值、pH值以及室外天氣參數(shù)等信息，除此以外，目前對作物生理參數(shù)的檢測也逐漸受到人們的重視，因此將會有更多的傳感器節(jié)點被用于溫室生產(chǎn)。另外，用于驅(qū)動溫室中執(zhí)行機構(gòu)的控制節(jié)點的數(shù)量也不能忽略。由此可見，溫室對其監(jiān)測與控制系統(tǒng)的首要需求就是網(wǎng)絡(luò)容量大。(2)檢測點位置靈活變動溫室中大量分散的

6、傳感器，但隨著作物的生長而需要不斷調(diào)整位置；或者當(dāng)溫室內(nèi)生產(chǎn)的作物更替時，相應(yīng)的電子檢測裝置和執(zhí)行機構(gòu)的位置也常常需要調(diào)整；另外，溫室的利用結(jié)構(gòu)也會經(jīng)常根據(jù)用戶需要而不斷改變，這就要求系統(tǒng)中各個節(jié)點能根據(jù)需要隨意變換位置而不影響系統(tǒng)工作。(3)節(jié)點數(shù)目可隨意增減作物生長階段不同，環(huán)境因子對作物的影響可能也不同，生長初期可能對溫度比較敏感，而后期可能對光照比較敏感，這就要求系統(tǒng)可以隨意改變節(jié)點的類型和數(shù)量。除此以外，隨著作物的生長，用戶可能還需要對植物的生理參數(shù)進行監(jiān)測而需要不斷增加傳感器節(jié)點。在某些科研溫室中，也經(jīng)常需要改變傳感器節(jié)點的類型和數(shù)量，以達到精確監(jiān)測與控制。上述這些情況都需要所用的

7、監(jiān)控系統(tǒng)的節(jié)點能隨意增減。(4)系統(tǒng)可靠性系統(tǒng)故障而造成的經(jīng)濟損失不可估量。如果系統(tǒng)出現(xiàn)問題而未能被及時發(fā)覺和修復(fù)，那么可能對作物造成致命的傷害，尤其在一些惡劣的天氣例如高溫和寒冷氣候條件下，這將直接影響產(chǎn)量和收益。另外，溫室內(nèi)濕度高、光照強、具有一定的酸性，都會導(dǎo)致線纜的腐蝕、老化，從而降低系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性，這對于檢查系統(tǒng)故障造成困難。例如，當(dāng)數(shù)據(jù)無法正常接收時，檢查人員不知道是線路問題還是節(jié)點故障，這對及時發(fā)現(xiàn)和解決故障帶來不便。因此，溫室測控系統(tǒng)必須要可靠。 2、方案概述本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配套設(shè)施：主體骨架為熱鍍鋅型組裝、覆蓋材料、自然通風(fēng)系統(tǒng)強制通風(fēng)系統(tǒng)、內(nèi)遮陽系統(tǒng)、外遮陽系統(tǒng)、環(huán)流風(fēng)

8、機系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、補光系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)。智能化大棚是一個半封閉系統(tǒng)，依靠覆蓋材料形成與外界相對隔離的室內(nèi)空間，一方面要以通風(fēng)換氣創(chuàng)造植物生長優(yōu)于室外自然環(huán)境的條件；另一方面，室內(nèi)產(chǎn)生的高溫高濕和低二氧化碳濃度，通過通風(fēng)換氣來調(diào)控，創(chuàng)造植物生長的最佳環(huán)境。3、系統(tǒng)功能描述3.1、智能溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)感知層智能溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用一般對溫室的七個方面進行監(jiān)測，即通過土壤、氣象、光照等傳感器，實現(xiàn)對溫室的溫、水、肥、電、熱、氣、光進行實時調(diào)控與記錄，保證溫室內(nèi)的有機蔬菜和花卉生產(chǎn)在良好的環(huán)境中。3.2、智能溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)傳輸層一般情況下，在溫室內(nèi)部通過無線終端，實現(xiàn)實時遠程監(jiān)控溫

9、室環(huán)境和作物生長情況。通過手機網(wǎng)絡(luò)和短信的方式，監(jiān)測溫室傳感器網(wǎng)絡(luò)所采集的信息，以作物生長模擬技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過常見蔬菜生長模型和嵌入式模型的低成本智能網(wǎng)絡(luò)終端。通過中繼網(wǎng)關(guān)和遠程服務(wù)器雙向通信，服務(wù)器也可以進一步做出決策分析，對所部署的溫室中灌溉等裝備進行遠程管理控制。3.3、智能溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)智能處理層通過對獲取信息的共享、交換、融合，獲得最優(yōu)和全方位的準確數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對智能溫室大棚作物的施肥、灌溉、播種、收獲等的決策管理和指導(dǎo)。基于作物長勢和病蟲害等相關(guān)圖形圖像處理技術(shù)，實現(xiàn)對大棚作物的長勢預(yù)測和病蟲害監(jiān)測和預(yù)警功能。還可以將監(jiān)控信息實時地傳輸?shù)叫畔⑻幚砥脚_，信息處理平臺

10、實時顯示各個溫室的環(huán)境狀況，根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的閾值，控制通風(fēng)/加熱/降溫等設(shè)備，達到溫室內(nèi)環(huán)境可知、可控。4、系統(tǒng)架構(gòu)5、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲6、各子系統(tǒng)設(shè)計6、1感知層（1）無線傳感網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。Zigbee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)網(wǎng)關(guān)：Zigbee3GZigBee節(jié)點是可以組建Mesh網(wǎng)絡(luò)的，設(shè)置一個ZigBee節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，其他每個ZigBee節(jié)點都可以當(dāng)做路由節(jié)點來使用，也可以設(shè)置為終端節(jié)點但是就失去了路由功能。（2）視頻監(jiān)控攝像機：WIFI傳感網(wǎng)絡(luò)，對檢測到的圖像信息使用WIFI進行傳輸（3）設(shè)備供電設(shè)備供電系統(tǒng)由最新的太陽能供電，AC220V、DC12V或者太陽能供電。6、2傳輸層（1）網(wǎng)關(guān)：3G無線網(wǎng)關(guān)：將Zigbe信號轉(zhuǎn)化為3G信號進行傳輸（2）路由器交換機3G無線路由器、交換機，用于傳輸局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的數(shù)據(jù)（3）供電設(shè)備：采用標準220V電源供電6、3網(wǎng)絡(luò)層(1)終端服務(wù)器：采用電腦作為服務(wù)器終端