智能大棚灌溉一體化工程與設計

1、    智能大棚灌溉一體化工程與設計    摘 要：隨著不同種類的傳感器的出現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領域得到了更為廣泛的應用。這些應用使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)變得更加便利，并讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)達到了省事省力環(huán)保的效果。通過深入分析大棚環(huán)境參數(shù)特點和控制要求，在物聯(lián)網(wǎng)技術框架內(nèi)制定了大棚的總體控制方案。本課題綜合運用無線射頻技術、計算機網(wǎng)絡技術，plc（可編程邏輯控制器） 技術，設計開發(fā)了一套基于無線通信及計算機web平臺管理的大棚控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對大棚進行近程或遠程智能管理。該系統(tǒng)通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將大棚現(xiàn)場控制系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)傳到上位機，上位機監(jiān)控平臺采用eclipse開發(fā)工具和

2、jsp語言進行開發(fā)設計，它將接收到的數(shù)據(jù)進行分析判斷，若數(shù)據(jù)超出原先設定的范圍便進行報警，同時利用無線通信模塊將用戶的決策命令傳給下位機，實現(xiàn)對大棚現(xiàn)場設備的控制。關鍵詞：無線傳輸模塊;plc;jsp;傳感器一、背景與介紹現(xiàn)代大棚作為設施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，如何對其環(huán)境進行智能、有效的監(jiān)控，成為研究的熱點。首先是運用機械化、微電子智能化、計算機等高新技術，將溫度、濕度、光照、水、肥和氣等環(huán)境因子自動調(diào)控到作物各個生長時期所需的最佳狀態(tài)。其次，計算機技術的快速發(fā)展有效地延伸了信息技術應用領域，基于web的各類農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)正在成為重要的研發(fā)與應用平臺，通過無線遠程的監(jiān)控技術，將處于偏遠郊外、相對分

3、散的大棚群進行統(tǒng)一管理，有效實現(xiàn)了異地資源的共享，這不僅節(jié)約了硬件成本，也帶來了極大的便捷性，成為了現(xiàn)代大棚智能化發(fā)展的熱點1，2。隨著我國的設施農(nóng)業(yè)迅猛發(fā)展，智能控制系統(tǒng)，無線監(jiān)控系統(tǒng)在大棚中的應用也越來越普遍。無線傳感器網(wǎng)絡更是早已被國內(nèi)外的專家和學者重視起來，將其作為今后科技技術的發(fā)展方向。無線傳感器網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)解決了傳統(tǒng)有線傳輸數(shù)據(jù)布線難，擴展不方便等劣勢。所以開發(fā)大棚專家系統(tǒng)與大棚自動化控制技術相結合的大棚控制系統(tǒng)成了研究的熱點3?？傮w來說，雖然我國大棚產(chǎn)業(yè)起步比較晚，但是發(fā)展的速度卻是驚人的，雖然與發(fā)達國家仍存在一定的差距，但科研人員正致力于研究適合我國國情的智能大棚。二、技術框架

4、（一）需求分析系統(tǒng)在設計過程中，分別采用溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器和光照度傳感器對大棚內(nèi)植物生長的環(huán)境參數(shù)進行檢測，將采集的數(shù)據(jù)送單片機處理，最后通過以太網(wǎng)傳到控制中心，供大棚的管理員使用。當濕度超過預先設定的范圍是，打開下位機的電磁閥，對大棚進行自動灌溉，光照度超過或者低于設定范圍可以短信通知管理員關閉或者開啟卷簾門。1.功能需求分析論文設計的系統(tǒng)應該能夠實時采集蔬菜大棚的幾種參數(shù)，大棚管理員可以通過上位機系統(tǒng)看見大棚的各節(jié)點的參數(shù)值，并且能夠查看歷史的參數(shù)值。當檢測到的參數(shù)超過了管理員規(guī)定的范圍時，能夠及時的通過多種方式通知管理員。大棚監(jiān)控系統(tǒng)的下位機系統(tǒng)應具備的功能如下：

5、1.實現(xiàn)對大棚溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照強度的檢測;2.有一些執(zhí)行機構，比如智能的噴淋裝置;3. 能夠定時的將采集的參數(shù)傳送給服務器，將異常信息及時通知服務器。2.系統(tǒng)的性能需求分析基于環(huán)境參數(shù)的大棚監(jiān)控系統(tǒng)主要是對蔬菜大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進行多點監(jiān)控，因此系統(tǒng)應當具有操作簡單、實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)測量誤差小、系統(tǒng)建成成本低、能耗低且便于維護等特點。其一，實時性：系統(tǒng)的數(shù)據(jù)釆集的實時性是監(jiān)控系統(tǒng)很重要的一個方面，系統(tǒng)應當能夠實時的從大棚內(nèi)獲取環(huán)境參數(shù)信息。其二，可靠性及可用性：系統(tǒng)的軟、硬件運行應具有較高的可靠性與可用性，避免出現(xiàn)系統(tǒng)硬件的故障與軟件的死機的情況。同時系統(tǒng)的人機界面應當友好、實用。3

6、.系統(tǒng)的升級和功能擴充需求雖然有些功能不屬于當前系統(tǒng)的開發(fā)范疇，但是隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科技的不斷發(fā)展，將來可能要對系統(tǒng)的功能進行擴充。因此在蔬菜大棚監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)過程中要對將來可能的擴充和修改預作準備，因此節(jié)點子系統(tǒng)的處理器應該留有一些接口以及一些通信接口，以便滿足更多信號的釆集和數(shù)據(jù)的多樣化傳輸。服務器系統(tǒng)在硬件上要留有一定的存儲裕量，滿足軟件系統(tǒng)的升級，合理設計服務器軟件的模塊和接口，盡量滿足高內(nèi)聚、低親合的要求，當需要功能擴充時，保證在不破壞己開發(fā)的軟件模塊前提下增加新的模塊，完成系統(tǒng)的升級。（二）系統(tǒng)的設計思想及總體結構系統(tǒng)釆用模塊化設計，各模塊之間保持相互的獨立，有利于系統(tǒng)的升級與擴展。

7、該監(jiān)控系統(tǒng)共有三個部分：前端的數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分以及監(jiān)控中心。前端的數(shù)據(jù)采集部分一般負責傳感器的數(shù)據(jù)采集以及初步的數(shù)據(jù)處理來傳輸給上位機;數(shù)據(jù)傳輸部分是將傳感器采集到的數(shù)據(jù)按照約定的協(xié)議傳輸?shù)缴衔粰C;監(jiān)控中心負責對采集到的數(shù)據(jù)進行實時的監(jiān)控，計算機經(jīng)過對采集的數(shù)據(jù)進行分析、處理以后，如有發(fā)現(xiàn)異常則釆取相應的補救措施。（三）系統(tǒng)功能模塊設計由系統(tǒng)的總體結構圖可知論文設計的系統(tǒng)應具有蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)分布式采集、數(shù)據(jù)采集模塊和服務器之間的雙工通信、短信報警、自動灌溉、服務器顯示等功能。因此系統(tǒng)的功能模塊主要可以劃分為：前端數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、網(wǎng)絡通信模塊、數(shù)據(jù)庫模塊以及控制中心模塊五部分

8、。各功能模塊的具體說明：1.前端數(shù)據(jù)采集模塊：前端數(shù)據(jù)采集模塊主要釆用多種傳感器負責對大棚內(nèi)的環(huán)境溫度，土壤濕度，二氧化碳濃度和光照強度等環(huán)境參數(shù)的采集，由單片機實時處理釆集的環(huán)境參數(shù)和土壤濕度;2.控制模塊：控制模塊主要完成當濕度低于下限值的時候通過自定義的網(wǎng)絡通信協(xié)議控制單片機來控制電磁閥實現(xiàn)智能的灌溉;3.網(wǎng)絡通信模塊：網(wǎng)絡通信完成上位機與數(shù)據(jù)采集模塊的雙工通信，釆集數(shù)據(jù)模塊依據(jù)設計的通信協(xié)議將釆集數(shù)據(jù)組幀，通過以太網(wǎng)控制芯片發(fā)往上位機，上位處理后可向下位機發(fā)送灌溉、自檢等控制命令;4.控制中心模塊：控制中心模塊采用的操作系統(tǒng)機作為服務器，以作為編程語言環(huán)境，接受和處理下位機采集的實時參數(shù)信息。三、總結課題研究通過無線及遠程對大棚實現(xiàn)智能控制的系統(tǒng)，主要開發(fā)了近程監(jiān)控系統(tǒng)和遠程管理系統(tǒng)。只要有網(wǎng)絡的地方都可以登陸大棚管理系統(tǒng)，進行大棚遠程的監(jiān)測與控制，在大棚附近辦公室的技術人員則可以直接打開上位機監(jiān)控界面進行大棚現(xiàn)場管理。此課題對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大規(guī)模的展開提供了理論依據(jù)。參