農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容及應(yīng)用解決方案

書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟。書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟。第第頁農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容及應(yīng)用解決方案1.前言

1.1國內(nèi)外農(nóng)業(yè)溫室大棚系統(tǒng)的現(xiàn)狀

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，目前在廣闊農(nóng)村，農(nóng)業(yè)溫室比比皆是。近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的開展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式逐步由傳統(tǒng)的粗放經(jīng)營式向現(xiàn)代集約型經(jīng)營方式轉(zhuǎn)變，農(nóng)業(yè)科技示范園，作為現(xiàn)代集約型農(nóng)業(yè)和高新科技應(yīng)用的示范窗口，應(yīng)運(yùn)而生。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，溫室的構(gòu)造檔次在逐步的提高，建立一種可提高溫室內(nèi)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，降低生產(chǎn)本錢，減輕工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度的農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)，是廣闊溫室作物生產(chǎn)人員的迫切需求。

目前，雖然也有不少單位或個(gè)人引進(jìn)了一些國外的計(jì)算機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)，如溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，施肥灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，工廠化育苗智能監(jiān)控系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了溫室控制的智能化和自動(dòng)化，但往往存在投資過大.系統(tǒng)維護(hù)不方便等各種開展制約瓶頸，再者就是要求溫室的管理操作人員本身有較高的文化素質(zhì)和較豐富的工程技術(shù)經(jīng)歷，目前我國廣闊農(nóng)民還不具備，這也限制了國外同類產(chǎn)品在國內(nèi)的推廣應(yīng)用。開發(fā)低價(jià)位、實(shí)用型的農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)對于推進(jìn)我國農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、智能化進(jìn)程具有重要的意義，同時(shí)也具有很大的市場潛力。據(jù)調(diào)查，目前市場上迫切需要的是一種低本錢、操作使用簡便的實(shí)用農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)。針對這一要求及我國日光溫室量大、面廣的特點(diǎn)，研究一種既符合我國農(nóng)業(yè)水平實(shí)際又適合農(nóng)民經(jīng)濟(jì)承受能力、技術(shù)上不低于國外同類產(chǎn)品的農(nóng)業(yè)溫室智能集成監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的。智能化農(nóng)業(yè)溫室大棚是集農(nóng)業(yè)科技上的高、精、尖技術(shù)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)于一體的先進(jìn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的物質(zhì)根底。它能營造相對獨(dú)立的作物生長環(huán)境，徹底擺脫傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對自然環(huán)境的依賴性。目前，計(jì)算機(jī)監(jiān)控在農(nóng)業(yè)溫室大棚種植中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，并正在成為農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)控的核心。智能化農(nóng)業(yè)溫室大棚研究是當(dāng)今興起的一門橫跨生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子科學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)和環(huán)境控制等幾大學(xué)科的綜合了多種高新技術(shù)的邊緣學(xué)科。從目前我國農(nóng)業(yè)開展政策看，未來10一15年我國農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步的重要內(nèi)容就是推動(dòng)規(guī)模經(jīng)營和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的開展，所以研究開發(fā)適合我國的國情的農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的。

1.2本監(jiān)控系統(tǒng)簡介

農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)集傳感器、自動(dòng)化控制、通訊、計(jì)算等技術(shù)于一體，通過用戶自定儀作物生長所需的適宜環(huán)境參數(shù)，搭建農(nóng)業(yè)溫室大棚智能化軟硬件平臺，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)溫室大棚中溫度、濕度、二氧化碳等因子的自動(dòng)監(jiān)測。

本系統(tǒng)可以模擬根本的生態(tài)環(huán)境因子，如溫度、濕度、二氧化碳濃度等，以適應(yīng)不同生物生長繁育的需要，它由數(shù)據(jù)采集設(shè)備單元組成，按照預(yù)設(shè)參數(shù)，準(zhǔn)確的測量溫室的溫度、濕度、二氧化碳參數(shù)等，并利用手動(dòng)、自動(dòng)兩種方式啟動(dòng)或關(guān)閉不同的執(zhí)行構(gòu)造（遮陽幕、通風(fēng)系統(tǒng)等），程序所需的數(shù)據(jù)都是通過各類傳感器實(shí)時(shí)采集的。

該系統(tǒng)的使用，可以為植物提供一個(gè)理想的生長環(huán)境，并能起到減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高設(shè)備利用率、改善農(nóng)業(yè)溫室大棚氣候、減少病蟲害、增加作物產(chǎn)量等作用。

1.3本控制系統(tǒng)具有的特點(diǎn)1.3.1預(yù)測性

通過對氣候參數(shù)的分析，可以預(yù)測控制設(shè)備的運(yùn)行情況，提高設(shè)備的利用率，降低能耗。

1.3.2強(qiáng)大的擴(kuò)展功能

通過選用不同的外圍設(shè)備，可以控制溫室環(huán)境及風(fēng)機(jī)、卷簾、灌溉等。

1.3.3完善的資料處理功能

通過中央控制軟件，可以不問斷地記錄溫度、濕度、二氧化碳等傳感器的信息以及各種控制設(shè)備的動(dòng)作記錄等。

1.4遠(yuǎn)程監(jiān)控功能

即使工作人員不在現(xiàn)場，也可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)及設(shè)備進(jìn)展監(jiān)測和控制。

2.農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)涉及到溫度、濕度、二氧化碳濃度及種植品種等多種因素的監(jiān)控系統(tǒng)。因此，該系統(tǒng)的沒計(jì)應(yīng)具備以下功能：

l、較寬的工作電壓范圍：110v-380v交流：

2、能長時(shí)間連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的工作；

3、能對溫室內(nèi)的溫度、濕度、二氧化碳濃度等參數(shù)進(jìn)展準(zhǔn)確的測量：

4、能根據(jù)種植品種的不同，可以設(shè)定溫度、濕度、二氧化碳濃度的預(yù)警。

2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原那么

1、系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠。

2、操作簡單，維護(hù)方便。

3、整個(gè)系統(tǒng)易于擴(kuò)展。

4、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)節(jié)能，維護(hù)費(fèi)用低。

5、性能價(jià)格比高。

2.3系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)采用上、下位機(jī)監(jiān)控方案，下位機(jī)為系統(tǒng)前端采集設(shè)備，實(shí)施對溫室大棚環(huán)境參數(shù)的檢測與環(huán)境調(diào)整機(jī)構(gòu)的控制；上位機(jī)為系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)，采用可視化編程語言設(shè)計(jì)界面友好的環(huán)境監(jiān)測與管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對溫室的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理操作。其根本的框架圖如下：

3.農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的建立3.1系統(tǒng)介紹

該系統(tǒng)利用溫度、濕度、二氧化碳等傳感器采集現(xiàn)場的相關(guān)數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)在現(xiàn)場就通過無線方式發(fā)送到數(shù)據(jù)效勞器中，通過應(yīng)用效勞器和web效勞器對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)展應(yīng)用和顯示。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造分為三層，第一層為數(shù)據(jù)管理層：由電腦和以太網(wǎng)組成；第二層為數(shù)據(jù)傳輸層：采用gprs無線數(shù)據(jù)傳輸；第三層為數(shù)據(jù)采集層：由gprs遠(yuǎn)程測控終端和傳感器組成，該層和第一層之間無需電纜連接；所有的傳感器和gprs遠(yuǎn)程測控終端只需要用一根電纜連接。

3.2數(shù)據(jù)管理層

中心采用通過gprs/gsm網(wǎng)路把室外各站點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到中心計(jì)算機(jī)，在這里進(jìn)展各個(gè)站點(diǎn)參數(shù)設(shè)置，及對各站點(diǎn)運(yùn)行情況進(jìn)展統(tǒng)計(jì)，并可通過專用軟件在計(jì)算機(jī)上存儲，實(shí)時(shí)顯示所有大棚站的溫濕度、二氧化碳數(shù)據(jù)和圖表。同時(shí)可以人工進(jìn)展特殊操作。建立gprs中心連接的兩種方式：

a.監(jiān)控中心效勞器采用固定ip地址，當(dāng)監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量增加，中心不用擴(kuò)容即可滿足需求（適用監(jiān)控點(diǎn)數(shù)較多幾百上千個(gè)）。

b.監(jiān)控中心效勞器采用動(dòng)態(tài)ip地址（可以申請花生殼軟件采用域名的方式），當(dāng)監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量增加，中心不用擴(kuò)容即可滿足需求（適合監(jiān)控點(diǎn)數(shù)在300個(gè)左右的）。

3.3數(shù)據(jù)傳輸層

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集層與數(shù)據(jù)管理層（中央處理系統(tǒng)）之間的通信、采用目前應(yīng)用已經(jīng)比較成熟的gprs網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。

采用gprs無線數(shù)據(jù)傳輸具備如下特點(diǎn)：

1、可靠性高：

與sms短信息方式相比，gprs采用面向連接的tcp協(xié)議通信，防止了數(shù)據(jù)包喪失的現(xiàn)象，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。中心可以與多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)同時(shí)進(jìn)展數(shù)據(jù)傳輸，互不干擾。gprs網(wǎng)絡(luò)本身具備完善的頻分復(fù)用機(jī)制，并具備極強(qiáng)的抗干擾性能，完全防止了傳統(tǒng)數(shù)傳電臺的多機(jī)頻段“碰撞”現(xiàn)象。

2、實(shí)時(shí)性強(qiáng)：

gprs具有實(shí)時(shí)在線的特性，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延小，并支持多點(diǎn)同時(shí)傳輸，因此gprs監(jiān)測數(shù)據(jù)中心可以多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)之間快速，實(shí)時(shí)地進(jìn)展雙向通信，很好地滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)時(shí)性的要求。目前gprs實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率在30kbps左右，完全能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率（≥10kbps）的需求。

3、監(jiān)控范圍廣：

gprs網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全國范圍內(nèi)覆蓋，并且擴(kuò)容無限制，接入地點(diǎn)無限制，能滿足山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨地區(qū)的接入需求。比較很多無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（集群，雙向傳呼，cdpd，cdma）而言，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋是最好的。

4、系統(tǒng)建立本錢低：

由于采用gprs公網(wǎng)平臺，無需建立網(wǎng)絡(luò)，只需安裝設(shè)備就即可，建立本錢低；也免去了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)費(fèi)用。

5、系統(tǒng)運(yùn)營本錢低：

采用gprs公網(wǎng)通信，全國范圍內(nèi)均按統(tǒng)一費(fèi)率計(jì)費(fèi)，省去昂貴的漫游費(fèi)用，gprs網(wǎng)絡(luò)可按數(shù)據(jù)實(shí)際通信流量計(jì)費(fèi)，（1分-3分/1k字節(jié)），也可以按包月流量收費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低本錢通信。

6、可對各監(jiān)測點(diǎn)儀器設(shè)備進(jìn)展遠(yuǎn)程控制：

通過gprs雙向系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)對儀器設(shè)備進(jìn)展反向控制，如：時(shí)間校正、狀態(tài)報(bào)告、開關(guān)等控制功能，并可進(jìn)展系統(tǒng)遠(yuǎn)程在線升級。

7、系統(tǒng)的傳輸容量，擴(kuò)容性能好：

能滿足突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，而gprs技術(shù)能很好地滿足傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的需要；由于系統(tǒng)采用成熟的tcp/ip通信架構(gòu)，具備良好的擴(kuò)展性能，一個(gè)監(jiān)測中心可輕松支持幾千個(gè)現(xiàn)場采集點(diǎn)的通信接入。

總之，它真正表達(dá)了少用少付費(fèi)的原那么。通過gprs無線網(wǎng)絡(luò)將用戶設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)絠nternet中的一臺主機(jī)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，可廣泛應(yīng)用于“物聯(lián)網(wǎng)”涉及的各個(gè)行業(yè)。

傳感器用來對溫室內(nèi)的溫度、濕度、二氧化碳濃度進(jìn)展實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。根據(jù)溫室作物生長特點(diǎn)和環(huán)境要求，選擇精度較高、運(yùn)行穩(wěn)定，性價(jià)比較高的傳感器是十分有必要的。在該工程所采用的傳感器類別及性能參數(shù)如下：防護(hù)型紅外二氧化碳變送器是在進(jìn)口紅外二氧化碳傳感器根底上設(shè)計(jì)的一款專門用于在農(nóng)業(yè)等多種高濕場合使用的產(chǎn)品系列，該產(chǎn)品系統(tǒng)有電壓、4-20ma電流接口可選配。該產(chǎn)品采用多重防護(hù)，確保內(nèi)部的傳感器不受外界高濕等環(huán)境影響，確保傳感器可靠穩(wěn)定工作。產(chǎn)品具有更低的供耗，信號輸出更加穩(wěn)定，并且嵌入了自動(dòng)校準(zhǔn)模式，確保長期工作穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。

4.監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺（軟件功能可定制）

農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件管理功能主要包括用戶管理模塊、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊、歷史數(shù)據(jù)管理模塊、報(bào)警數(shù)據(jù)管理模塊、曲線分析模塊、網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)布及資源共享模塊等功能。

4.1實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊主要是將各種傳感器實(shí)時(shí)采集到的環(huán)境參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)展顯示，以滿足人們對溫室環(huán)境監(jiān)測的需求。

4.2歷史數(shù)據(jù)管理模塊

用戶可通過訪問系統(tǒng)效勞器，遠(yuǎn)程檢索回放站端的任意歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)提供了智能化快速檢索回放歷史數(shù)據(jù)的功能，可按時(shí)問、異常情況等進(jìn)展檢索，大大降低了檢索時(shí)間和復(fù)雜程度，使用戶可以迅速地查找到需要的歷史資料。

4.3報(bào)警數(shù)據(jù)管理模塊

通過該模塊，用戶可以實(shí)現(xiàn)全方位的報(bào)警信息通報(bào)。在線報(bào)警欄中的報(bào)警信息，在每一個(gè)監(jiān)控頁面都是相同的，無論在中心還是辦公網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的客戶端，可以讓操作人員最短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)報(bào)警信息，解決故障。

4.5曲線數(shù)據(jù)分析模塊

一個(gè)好的農(nóng)業(yè)大棚溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)，不僅在于它能實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，關(guān)鍵還要能夠提供曲線數(shù)據(jù).通過對曲線數(shù)據(jù)的分析，從中找出對溫室中農(nóng)作物生長最為有利各種參數(shù)，并通過與農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的接口.提供一個(gè)農(nóng)作物生長最為有效的模型。

4.6網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)布及資源共享模塊

位于監(jiān)控中心的監(jiān)控效勞器與廠區(qū)內(nèi)的局域網(wǎng)絡(luò)連接，在局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)展信息發(fā)布，這樣廠區(qū)管理層的人員都可以在它自己辦公室里的計(jì)算里隨時(shí)通過ie的方式訪問主機(jī)效勞器內(nèi)的全部數(shù)據(jù)和畫面。

每位瀏覽者都將擁有唯一的用戶名和密碼的身份驗(yàn)證，它的用戶名決定它的監(jiān)控范圍。雖然是采用ie的方式訪問現(xiàn)場數(shù)據(jù)，但所看到的全部數(shù)據(jù)及畫面與信息中心效勞器的內(nèi)容完全相同、效果也完全一樣。速度方面也不會(huì)任何的延時(shí)。通常廠區(qū)辦公管理網(wǎng)絡(luò)允許被連接到互聯(lián)網(wǎng)，這樣即使出差在外地的領(lǐng)導(dǎo)也同樣可以連回廠內(nèi)訪問現(xiàn)場的數(shù)據(jù)。

5.系統(tǒng)優(yōu)勢

本系統(tǒng)采用分布式控制構(gòu)造，依據(jù)分散采集數(shù)據(jù)。集中操作管理，相對獨(dú)立的設(shè)計(jì)思想，綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信和模糊控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)溫室的智能控制以及多個(gè)溫室的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。控制系統(tǒng)可根據(jù)溫室內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳濃度等參數(shù)的變化，按照預(yù)先設(shè)定的條件對風(fēng)機(jī)、灌溉、二氧化碳發(fā)生器等設(shè)備進(jìn)展全自動(dòng)控制，系統(tǒng)具有功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越、配置靈活、平安可靠等優(yōu)點(diǎn)。

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1、全天候不連續(xù)在線監(jiān)測，無論晴雨雷雪，均可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的持續(xù)采集，讓數(shù)據(jù)具有連續(xù)性，對農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境參數(shù)的歷史分析和技術(shù)優(yōu)化變得更加有效。

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2、所有數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)無紙化記錄，歷史可查，可根據(jù)客戶的需求定制各種分析報(bào)表和打印格式，使該系統(tǒng)更加人性化和實(shí)用性。

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3、真實(shí)有效的現(xiàn)場數(shù)據(jù)給政府、企業(yè)的管理上帶來的可追溯、可衡量的標(biāo)準(zhǔn)，降低了管理的難度。

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4、降低環(huán)境對監(jiān)測的影響，無論是有毒有害的環(huán)境還是障礙物，都可實(shí)現(xiàn)信號的遠(yuǎn)程無線采集，降低現(xiàn)場巡檢的難度，提高巡檢和參數(shù)記錄的難度。

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