智能温室系统解决方案介绍

肉类蔬菜流通追溯体系建设项目解决方案智能温室系统解决方案神州数码2011年9月30日 智能温室系统解决方案目 录第1章项目概况11.1项目背景11.2项目简介1第2章总体设计32.1总体架构32.2网络拓扑42.3系统集成设计52.3.1电路设备集成设计52.3.2监控设备集成设计6第3章应用软件系统设计73.1智能平台73.1.1数据中心73.1.2展现控制子系统73.1.2.1PC机访问功能73.1.2.2手机客户端访问功能113.1.3视频管理子系统133.1.4系统管理子系统133.1.4.1组织机构管理133.1.4.2用户管理133.1.4.3角色管理133.1.4.4权限管理133.1.4.5设备管理143.2温室环境监测143.3温室环境控制153.3.1开窗机构153.3.2强制通风降温系统153.3.3灌溉微雾系统163.3.4遮阳系统173.3.5采暖系统183.3.6补光系统193.4智能控制203.4.1温室设备控制213.4.2远程监控与数据管理软件213.4.3中央集中控制223.4.4集约化网络管理23第1章 项目概况1.1 项目背景“物联网”被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。业内专家认为，物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。目前，美国、欧盟、中国等都在投入巨资深入研究探索物联网。我国也正在高度重视物联网的研究，工业和信息化部会同有关部门，在新一代信息技术方面正在开展研究，以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。智能控制是为了达到节能、舒适、便利的目的，要求对市政、家庭、农业等的智能控制和监视制定细致的策略和方案。但是，传统的智能控制系统由于很多因素的制约，很难达到要求。为了解决这些问题，业界尝试了很多办法，但基本上都属于封闭式的，多采用私有协议，彼此间难以互通，导致结构不透明，灵活性、扩充性不佳。从长远看，智能控制系统的发展趋势是走向开放，尤其是智能控制与互联网的融合是其中一个重要发展趋势。智能农业控制通过实时采集农业大棚内温度、湿度信号以及光照、土壤温度、土壤水分、二氧化碳浓度等环境参数，自动开启或者关闭指定设备。可以根据用户需求，随时进行处理，为农业生态信息自动监测、设施自动控制和智能化管理提供科学依据。1.2 项目简介智能温室系统是一种结合了计算机自控技术、智能传感技术等高科技手段的资源节约型高效设施农业技术，它主要是根据环境的温度、湿度、二氧化碳含量、光照以及土壤状况等因素，来控制温室内的各项指标以创造出适合作物生长的最佳环境。与人工控制相比，智能控制最大的好处就是能够相对恒定的控制大棚内部的环境，对于环境要求比较高的植物来说，更能避免因为人为因素而造成生产损失。智能化控制系统将极大的提高产量和质量，尤其是对于档次较高的经济作物。 神州数码依靠多年来在传感技术和物联网技术领域的积累，着手从事智能温室的研究和建设，研发了一整套符合国情、特色鲜明的智能温室系统解决方案。在系统设计之初，考虑到温室的环保智能化与产业的标准化，在保证温室智能化优势的同时，也把能量管理技术、嵌入式接口组态技术、模块化的设计思想融入到系统中，使之突破了农业生产中环境的限制，同时又具有现代工业化设备的稳定性能。该方案具有一下特点： 采用航天工艺制造的高灵敏度高可靠性传感器，可连接各种传感器和环境控制设备； 系统采用3G+无线传感器网络技术，无需布设复杂的有线网络； 采用先进的能量平衡原理和前授式控制方式，节约能源； 神经网络化的决策控制，实现精准、精细管理； 优化的模块式设计，使系统的扩充十分容易； 温室环境全方位的控制、监测、报警，包括数据采集、自动存储和更新； 管理软件界面友好，且功能强大，保证数据的记录、分析及时准确，系统稳定可靠第2章 总体设计2.1 总体架构总体架构主要分为温室现场、采集传输、业务平台和终端展现共四层架构。如下图所示：图表 21系统架构图温室现场主要负责温室大棚内部环境参数的采集和控制设备的执行，采集的数据主要包括农业生产所需的光照、空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤水分等数值。传感器的数据上传有Zigbee模式和RS485模式两种。RS485模式中数据信号通过有线的方式传送，涉及大量的通讯布线。在Zigbee传输模式中，传感器数据通过Zigbee发送模块传送到Zigbee中心节点上，用户终端和一体化控制器间传送的控制指令也通过Zigbee发送模块传送到中心节点上，省却了通讯线缆的部署工作。中心节点再经过边缘网关将传感器数据、控制指令封装并发送到位于互联网上的系统业务平台。用户可以通过有线网络或无线网络访问系统业务平台，实时监测温室现场的传感器参数，控制温室棚现场的相关设备。Zigbee模式具有部署灵活、扩展方便等优点。控制系统主要由一体化控制器、执行设备和相关线路组成，通过一体化控制器可以自由控制各种农业生产执行设备，包括喷水系统和空气调节系统等，喷水系统可支持喷淋、滴灌等多种设备，空气调节系统可支持卷帘、风机等设备。采集传输部分主要将设备采集到的数值传送到服务器上，设备支持3G、有线等多种数据传输方式。业务平台负责对用户提供智能大棚的所有功能展示，主要功能包括环境数据监测、数据空间/时间分布、历史数据、超阈值告警和远程控制五个方面。用户还可以根据需要添加视频设备实现远程监控功能。数据空间/时间分布将系统采集到的数值通过直观的形式向用户展示时间分布状况（折线图）和空间分布状况（场图）、历史数据可以向用户提供历史一段时间的数值展示；超阈值告警则允许用户制定自定义的数据范围，并将超出范围的情况反映给用户。上述功能均可以通过浏览器实时观看。 2.2 网络拓扑 系统网络拓扑结构如下图所示：图表 22系统网络拓扑结构图2.3 系统集成设计2.3.1 电路设备集成设计将市电交流220V电线接通入棚，作为温室大棚内设备供电的主干线使用。主干线一律采用PVC管封装，主干线穿越温室大棚主体时，管线埋藏于地下。主干线在温室大棚内部走线时，PVC管线可固定在温室大棚侧面棚体金属管上。在温室大棚内部部署铁箱子一台，安装漏电保护器、导轨、电源转换器等设备入内，温室大棚内部主干线通达铁箱子并经由漏电保护器控制设备电源通断。铁箱子安装在靠近温室大棚电机和电磁阀一侧约15-25米处为宜。一体化控制器安装在温室大棚靠近电机和电磁阀一侧，在主干线上并联取电。电机连线到一体化控制器。电磁阀安装在温室大棚水网管线入口处，并连线到一体化控制器。传感器安装在温室大棚内部铁箱子附近，并连线到铁箱子内部的电源转换器上取电。传感器和铁箱子中间的线路可以不必用PVC管封装。2.3.2 监控设备集成设计在每个智能温室大棚内，部署空气温湿度传感器，用来监测温室大棚内空气温度、空气湿度参数；部署土壤温度传感器、土壤湿度传感器、光照度传感器，用来监测温室大棚内土壤温度、土壤水分、光照强度等参数；部署二氧化碳传感器，用来监测温室大棚内空气中二氧化碳浓度参数。所有传感器一律采用直流24V电源供电。每个园区部署1套采集传输设备（包含中心节点、无线3G路由器、无线3G网卡等），用来传输园区内各温室大棚的传感器数据、设备控制指令数据等到互联网上与平台服务器交互。在每个需要智能控制功能的温室大棚内安装智能控制设备1套（包含一体化控制器、扩展控制配电箱、电磁阀、电源转换适配设备等），用来传递控制指令、响应控制执行设备。实现对电动卷帘、智能喷水、智能通风等行为的实现。每个大棚内部根据用户需求安装上述设备并部署相关线缆，实现农业大棚智能化。温室大棚内监控设备部署平面图如下图所示：图表 23监控设备集成示意图第3章 应用软件系统设计3.1 智能平台3.1.1 数据中心数据中心体现了应用集成和数据集成优势，向上可对接其他信息管理系统，向下对接各个子系统并与温室环境监测、控制、智能控制互联互通，实现智能平台与温室监控的无缝集成，最大限度的发挥信息化和数字化带来的管理高效性、信息透明性的优势。3.1.2 展现控制子系统3.1.2.1 PC机访问功能用户通过PC机IE浏览器（IE7.0版本以上）输入系统平台IP地址访问，如下图所示：图表 31输入IP访问系统平台进入智能温室系统平台，在登录界面上输入用户名和密码（密码自动以密文显示），点击“登录”，即可进入系统平台。如下图所示。图表 32系统平台登录界面登录成功后，即进入系统主界面。主界面上包含了传感器数据告警信息和智能展示、控制柜、阈值设置等功能模块，以及项目所在地地级市天气预报等信息。如下图所示：图表 33系统主界面在智能展示功能模块，用户可以根据需要点击要查看的传感器的图标来查看传感器数据。将鼠标放在绿色场图的传感器图标上，传感器的实时数据就会立刻显示出来。将传感器选中（变为黄色），还可以查看传感器在近期内的数据趋势曲线。让温室大棚环境监测更加一目了然。如下图所示：图表 34传感器数据智能展示界面在控制柜功能模块，用户可以选择手动控制和智能控制。其中手动控制为用户在平台界面上手动操作，点击“卷帘上升”的灰色小球，小球由灰色变为绿色，现场的电动卷帘将会上升。而智能控制需要用户有丰富的生产经验，点击“智能控制开启”后，在规则设置中设定触发智能控制的传感器临界数值，从而实现温室大棚的控制设施根据传感器数据自动调整运行。实现真正的智能化，解放人力。如下图所示：图表 35控制柜界面在阈值设置功能模块，用户可以根据需要设置相应传感器的阈值上、下限，以及传感器数据的显示周期等。设定好相应的阈值后，点击“提交”，系统便保存了传感器的阈值上、下限。一旦传感器数据超出阈值设定范围，则传感器数据将会在主界面上实时告警。如下图所示：图表 36阈值设置界面在视频功能模块，用户可以远程实时观看棚内现场情况。如下图所示：图表 37视频实时观看界面3.1.2.2 手机客户端访问功能在智能3G手机上通过浏览器输入系统平台IP地址访问，可以实现手机实时访问系统平台。手机客户端登录界面，输入用户名、密码后点击“登录”即可。还可以选择“下次自动登录”，免去每次都输入用户名、密码的繁琐工作。但自动登录建议于经常访问的固定温室大棚用户名、密码设置。图表 38移动监控平台登陆界面示意图登录成功后，即进入移动监控平台。选择好要查看的温室大棚名称，即可进入指定温室大棚主界面，传感器的告警信息依然会在主界面上显示。如下图所示：图表 39移动监控平台温室大棚选择界面及登录成功主界面进入系统主界面后，用户可以实时查看传感器数据、控制温室大棚现场设备，如下图所示：图表 310移动监控平台传感器场图及设备控制界面3.1.3 视频管理子系统能够通过视频硬件设备对各路视频信号进行调度，管理视频档案和数据，根据需要在系统提供中视频图像展示服务。3.1.4 系统管理子系统3.1.4.1 组织机构管理考虑到未来系统建成后，会将多个种植基地纳入到系统中来，所以在系统管理子系统中加入对种植基地、园区和温室基本信息的设置。每个种植基地包含多个种植园区，每个种植园区包含多个温室，该模块是对种植基地、种植园区和温室基本信息进行管理，信息包括种植基地名称、种植园区名称、种植园区区域代码和温室代码，模块包括对这些基本信息基本的增、删、改、查功能。3.1.4.2 用户管理系统管理员可通过用户管理模块为系统添加相应的用户，可设置用户名、初始化登录密码、用户组别、联系方式等用户基本信息，模块包括基本的增、删、改、查功能。3.1.4.3 角色管理系统管理员款可通过角色管理米快为系统用户设置对应的角色，角色包括浏览用户、操作用户、系统管理员。模块包括基本的增、删、改、查功能。3.1.4.4 权限管理系统管理员可通过权限管理模块对用户组进行权限分配，用户组包括浏览用户组、操作用户组和系统管理用户组。浏览用户可对系统进行浏览操作，包括查看各个温室大棚的环境参数及各传感设备和执行设备的状态，可查看数据中心统计分析报表；操作用户除浏览用户的权限外，还可对温室大棚传感设备预设警戒值的上、下限值进行设备，并可对温室大棚执行设备进行操作；系统管理员除浏览用户和操作用户权限外，还可对系统的系统管理子系统进行相应操作。模块包括基本的增、删、改、查功能。3.1.4.5 设备管理系统管理员可通过设备管理模块对各个温室大棚内传感设备和控制设备进行维护，模块包括基本的增、删、改、查功能。3.2 温室环境监测图表 311温室大棚环境监测示意图本智能温室系统可以监测温室内外各种环境参数，包括室内外温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度、土壤温度、土壤湿度。根据客户的要求，可以对温室环境监测系统进行个性化设计，对环境监测系统进行必要的个性化设计和扩充。环境监测数据完全采用符合IEEE802.15.4协议的无线传输。监测节点无需外接电源，使用电池工作时间可达12-24个月。3.3 温室环境控制3.3.1 开窗机构开窗机构有齿轮齿条开窗、 卷膜开窗等形式，可以采用手动和电动方式开窗， 通过开窗，可以实现温室空气与外界的对流，对温室的温湿度、 CO2浓度进行调节。图表 312开创结构示意图3.3.2 强制通风降温系统强制通风降温系统主要用于盛夏季节、室外温度达30以上的高温时期的降温。能有效的降低室内温度，满足作物生长需求。 可以选用各种规格农业风机、湿帘及其水循环系统，满足不同客户的不同需求。 图表 313通风扇照片图表 314降温设备照片3.3.3 灌溉微雾系统灌溉微雾系统有管道灌溉、滴灌、微喷灌、微喷带微灌、渗灌，行走式喷灌机分地面行走式和悬挂式，可兼做施肥、喷药。 管材普遍为硬聚氯乙烯 （U-PVC） 、低密度聚乙烯 （LDPE） 、 聚丙烯 （PP） 等，优点是内壁光滑、水力性能好，有一定的韧性、能适应一定的不均匀沉陷，重量小、搬运容易、成本低，耐腐蚀、使用寿命长、一般可用 20 年以上。图表 315灌溉微雾设备实景照片3.3.4 遮阳系统遮阳系统有齿轮齿条和钢丝绳两种传动形式，夏季晴天可根据作物光照需求启、闭，进行遮阴与降温；高强度的外遮阳网具有防雹保护作用，保温型内遮阳网冬季夜间可关闭保温。该系统可以从多方面来改善作物的生长环境，保障阳光的合理化运用。 图表 316遮阳设备实景照片3.3.5 采暖系统温室采暖系统主要是在寒冷季节或早春、晚秋夜间，为了维持必要的室温而进行补充采暖，采暖一般采用圆翼型散热器或者热风炉等 。图表 317采暖设备实景照片3.3.6 补光系统在光照不足或者种植对光照有特殊要求的作物的情况下，可以采用补光系统。图表 318补光设备实景照片3.4 智能控制智能控制系统，运行可靠、安全，并能实时记录温室气候参数情况， 气象条件超限报警，是规模化农艺生产和科学化管理必不可少的手段，大大提高温室作物的生产品质和生产效率。智能控制系统具有友好的人机交互的图形界面， 操作直观简单，具有先进完善的农艺控制理念，可最大程度满足农艺师的种植需求，并可通过远程访问。3.4.1 温室设备控制图表 319温室智能控制示意图根据用户的需求，可以对温室内各种设备进行有效控制。通过这些设备的控制，达到调节温室内环境的目的，使农作物获得最适宜的生长环境。3.4.2 远程监控与数据管理软件1. 形象展示能力：软件以数字可视化方式实时显示温室设备的运行状态。2. 强大的数据收集与分析能力：系统能连续记录下所有温室的环境参数同时自动统计每时段、每天、每月、每年的环境数据的最大值、最小值和平均值。系统能同时生成各项温室参数的全日、全周、全月、全年的变化趋势曲线图。3. 在线设备运行状态记录功能：系统在线状态下，能自动捕捉、记录下任一设备的运行状态的变化和任一报警信息的产生。4. 强大的智能控制能力：系统根据预先设定的环境参数值，自动控制温室内设备调节温室内环境状态。5. 互联网远程登陆访问功能：通过连接宽带互联网，可以实现互联网远程登陆访问功能，只需输入www 域名、用户名、密码，就可远程操作。3.4.3 中央集中控制本项目各个温室大棚之间距离相对集中，并且单个大棚的面积较小，因此在每个大棚中设置一个单独的控制中心既不利于节约成本由使得控制变得复杂。针对这一特点，我们根据多年控制经验，在本方案中建设一个中央集中控制中心，简称中控中心。图表 320中央集中控制示意图将整个系统分为环境监测、环境控制、数据传输、数据库和应用层几个部分，中控系统与这几个部分的关系如上图所示。如此一来，温室管理人员只要身处中控室，对中控系统进行操作，即可完成所有大棚的监测和控制，而对于中控的管理和操作定义为应用子层。中控中心将所有温室大棚的环境监测数据汇集到中心应用服务器，并针对每个温室大棚的实际情况进行环境控制，使控制统一协调，有条不紊。同时，中控中心又可以将所有温室中的现场情况以视频的形式展示出来，有利于值班控制人员监管。中控的引入，使得此类集中化小型温室大棚的控制更加方便可靠，并且有利于系统扩展，操作简单，成本低廉。3.4.4 集约化网络管理基于物联网技术，充分发挥移动通信在推进农业生产智能化与信息化过程中的作用，利用现有的有线/无线通讯网络技术，把温室进行集约化、网络化的远程管理。图表 321集约化网络管理示意图