温室大棚智能监控系统的研究方案

托普物联网开创智慧农业新时代！温室大棚智能监控系统的研究方案我国是一农业大国，农业是国家的重要经济命脉。提高单位面积的作物的产量 、生产优质农产品是 现阶段农业发展的迫切要求，而温室大棚是实现高产、优质农业的一个重要的组成部分。温室大棚是一种可以改变植物生长环境，根据作物生的最佳生长条件，调节温室气候使之一年四季满足植物生长需要，不受气候和土壤条件的影响，能够避免外界四变化和恶劣气候对其影响的场所，并且能在有限的土地上周年地生产各种不同的蔬菜、鲜花等反季节作物的一种温室设施。温室生产以达到调节作物生长过程中的产期，促进在不同时期作物的发育提高作物 品质、产量等为目的。温室棚依照不同的屋架、采光材料又可分为很多种类，如玻璃温室、塑料温室等。温室结构的建造标准是既能密封保温，便于通风降温。但是作物要想现高产、优质、仅仅靠温室保温是不行的，需要对农作物的生长环境进行多方位多的精确采集和实时的控制。目前国家提出要狠抓农业科技革命的新型农业道路，实施数字化精准农业温室大棚是现代农业发展改革的一大措施。数字化精准农业温室大棚技术是从 生产理念、经营主体、农业装备、先进科技成果转化、提高农业生产力等方面进行农业的改革，应用先进的技术调控差异，科学利用资源，采用信息化经营管理和组织方式进行农业生产，实现农业生产的目标管理。与普通的温室大棚相比，数字化精准农业温室大棚不仅能够种植优质高产反季作物而且将电子、计算机、通信和自动控制等信息技术引入到本领域中，朝着精细农业、数字农业的方向发展。数字化精准农业温室大棚系统，可以定量获取和分析农业环境的多种参数 ,实现对环境的多点检测，其检测目标可以是温度、湿度、光照、振动、压力、水/土壤/空气成分等，能对大棚内个环境参数达到良好的检测，进而协调控制大棚内的环境参数，使大棚内的环境条件能够适宜作物的成长 。对温室大棚内的内的环境因子进行多点多参数的采集，一般需要在土壤中铺设大量的线缆，使得对作物 的耕作造成了一定的困难，采用无线的方式进行数据的采集可以解决上述问题；根据所采集的数据，需对温室大棚的环境进行良好的控制，有效地控制大棚内作物在生长过程中需要的水分、通风以及温度等，高度有效地利用各种资源以求得到最大的产出。大棚内高温高湿的环境 对控制系 统的可靠性控制要求很高，常用的单片机系统难以满足要求，而采用可编程逻辑控制器（PLC）作为大棚的主控制器，可大大提高系统的可靠性。本文所设计的基于ZigBee的温室大棚智能监控系统可很好地满足大棚的控制要求。托普物联网作为物联网推进研发的主体，致力于温室大棚智能监控系统的研发，并制定多种方案，根据实际的具体情况，根据不同的情况，将温室大棚的系统研发力尽做到最好。国外研现状和发展趋势温室大棚智能监控系统的国外研究现状 在15 16世纪，法国、荷兰、日本就开始建造简易温室大棚。栽培过时令蔬菜或小水果。17世纪开始采用炉和热气加热以玻璃为材料的温室大棚。19世纪在法国、英格兰、荷兰出现了双面玻璃材料的温室大棚，这个时期的温室大棚 主要种植葡萄、黄瓜、草莓等。在19世纪后期 ，温室大棚种植技术从欧洲传到美洲及其世界各地。在1860年美国就建立了世界上第一个温室大棚试验站，到20世纪初美国已 有1000多个温室大棚用于各季蔬菜种植。20世纪50年代，美国、加拿大的温室大棚生产达到高峰，荷兰、德国的温室大棚工业化生产业已兴起。温室调控技术至今经历了几十年的发展过程。初期是使用传感仪表对温室设施中的光照、温度等参数进行测量，再使用手动或电动执行机构（如幕帘、通风设备等）施行简单控制。欧美等国家在30年代就相继建立了人工气候室，这些气候室就是在人工的调解下进行的。在温室大棚中人工对农作物的环境参数的控制还不是太准确，大部分的控制属于经验控制 。 随着传感仪器仪表及执行器技术的进步，温室大棚逐步可以实现分别对植物所需的环境参数如对温度、湿度、光照等几乎所有室内环境参数进行动控制的智能监控系统。从80年代开始，根据不同作物、不同生长阶段及外界环境 变化对温室环境进行综合调节控制的技术得到了快速的发展。荷兰、日本、以色列、美国、韩国、加拿大等国家是设施农业十分发达的国家，大棚以大型温室棚为主。这些高水平大型温室大棚的环境控制系统能够根据传感器采集室温、地湿、室内湿度、叶湿、二氧化碳浓度、溶液浓度、风速、风向、土壤含水量等植物生长状态所需的环境相关参数，结合作物生长环境所需的适宜条件，有效调节有关设备装置，将室内温、湿、光、水、肥、气等诸因素综合协调调节到最佳状态 。随后在温室大棚智能控制技术方面，借鉴了工业领域的先进成果，技术水平不断提 高，除了对温室大棚进行监控外，计算机优化环境参数、节能、节水及设施装备的可靠性等很多方面都取得了不错的技术成果，根据传感器的检测可以实现对相应各个执行机 构的自动控制，如湿帘与风扇配套的降温系统、由热水锅炉或热风机组成的加温系统、无级调节的天窗通风系统、二氧化碳自动施肥系统、定时喷灌或者滴灌的自动灌溉系统等。大棚智能监控系统方面，如美国开发的适宜冬天保温用的双层充气膜、高压雾化降温加湿系统以及适宜夏季降温用的湿帘降温系统处于世界领先水平；荷兰的顶面涂层隔热、加热系统、人工补光等方面有较高的水平；韩国的换气、灌溉、CO2 浓控制等方面比较先进。温室大棚智能监控系统的国内研究现状 我国温室大棚智能监控系统研究领域起步较晚。20 世纪50年代末，我国在华北地区曾经建造过大型温室大棚，手动控制是在温室大棚技术发展初期所采取的控制手段。温室大棚的种植者既是温室大棚内的各种环境的传感器，又要作为对大棚作物进行管理控制的执行机构，他们成为了温室大棚环境控制的核心。通过对温室大棚内外的气候环境状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的种植经验对大棚内的农作物需要的环境状况进行推测及判断，采用手动方式调节温室内环境，使其适宜农作物的生长。种植者采用的手动控制方式，这种方式的劳动生产率较低，不适合对农作物生产环境进行精确采集和控制，而且对种植者的素质要求较高。 随着我国单片机电子技术、自动化技术的进步，在80年代中后期，研究出了基于自动控制的温室大棚控制技术。这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，单片机根据传感器的实际测量值与预先设定环境阈值进行比较，以决定对 温室大棚内的的相应执行机构进行加热、降温和通风等控制操作。基于单片机的自动控制的温室控制技术实现生产自动化，劳动生产率得到提高。该系统以89C51为核心，能自动控制温室内100天的温湿度，用户以小时为单位设定温湿度值。每个下位机与上位机之间采用RS-485通信，上位机为PC机，程序用VB开发，用户根据作物长要求，在PC机上 输入温湿度试验数据。控制器对比室内温度、湿的测量值与设定值，调温室大棚的温湿度环境。通过改变温室大棚不同农作物的成长环境需要的目标值，实现环境气候的自动调节，但是这种控制方式对作物生长状况的改变难以及时做出反应，难以介入作物生长的内在规律，而且方便对控制机构加入相应的控制算法 。 随着智能化控制的发展，温室大棚的控制系统向着越来越先进、功能越来越完备的 方向发展。在1994年胡建东、肖建军等人运用模糊控制的原理设计了连栋温室控制系统，该系统结合了模糊控 制技术使温室大棚环境达到最佳的生长状态。在温室自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结、收集农业领域知识、技术和各种试验数据构造专家系统，以建立植物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长基于ZigBee的温室大棚智能监控系统的研究 的温室专家智能控制系统技术。 在1996年江苏理工大学李萍萍等人研制的基于工控机温室自动控制系统，它可以利用各类传感器测量温室大棚的温度、湿度、光照强度等环境因子，并能对环境因进行控制，以基于作物和境信息的知识的专家决策系统为依 托，实现利用智能化和信息化的温室大棚智能监控系统 。 我国的温室大棚种类的蔬菜种类多，分布地域广，需要进行多点多参数测量，测控 设施安装和维护工作量大，采用有线通信方式传输信号存在诸多不便。目前，随着国内信息化产业的展和国家领导人的大力扶持，将物联网产业加入了十二五规划，根据规划智能农业作为九大流域之一将作为战略性新型产业给予大力推进，使我国的农业走向了一个新型的智能化阶段中。因此实现无线通信和远程监控是现代农业的发展要求。在我国的很多地方，都在大力发展和建设智能化业。在我国南方城市无锡人多地少，人均耕地面积仅为0.4亩，在耕地有限的情况下，发展高效农业是无锡的选择。而无锡又是我国网联网信的发源地，无锡政府重点启动实施4万亩具有现代化设施的市属蔬菜大棚基地建设。比如在锡山区鹅湖镇今年就依托江省现代物理农业技术与装备创新中心，实施了“水产养殖物联网智能控制管理系统”农业物联网实用项目。该物联网能控制管理系统具有水质监测、环境监测、视频监测、远程控制、短信通知等功能；在惠山区益家康无公害蔬菜基地，利用来自洋马农机的蔬菜移栽机和配套起垄覆膜设备，进行黄瓜苗移栽应用试验，效果良好，实现来高产、优质 。 在温室大棚种植基地里，除了能种植农作物以外，种植稀有珍贵的经济型作物也是发展高效、经济农业的一大需求。在福建省闽侯县白沙镇上寨村鼎天连坪洋农场上建有一个现代农业物联网科技示范种植铁皮石斛的基地，铁皮石斛是现在石斛属植物中经济价值最高的种类，药用及保健效果极好，生产的产品有 “铁皮枫斗”，国际市场价格为每公斤1300-3600 美元。农场各项数据用手机就能看到，从而实现工作人员对基地的远程无线遥控。鼎天连坪洋农场占地 约230亩，一期投资550万元，部署了农业物联网技设备，将建成78个标准种植大棚及部分机械化耕种设备。 在大棚里架设有一个农业 多功能采集仪器，在这个仪器最顶端的太阳能设备是维持整个仪器的动力。而从仪器中间引出的一些分支仪器，插入培土或悬挂着，可实时监测大棚内温度、湿度、光照条件、 二氧化碳量、PH值等生长条件数据，最终通过仪器上的发射设备传输至在北京的终端服务器平台上，实时地对铁皮石斛进行监控。只要计算机、手机、iPad等接入该物联网平台，均可接收到该监测点传输来的实时数据实现对农业基地的远程遥控。目前，国外现代化温室棚的内部设施己经发展到比较完备的程，并形成了一定的标准。现代对温室大棚的控制己经不是独立的、简单的、静态的数字控制，而是基于环境模型上的智能控制，以及基于专家系统上的智能制，现在很多国家在实现自动化的基础上正朝着完全自动化、无人化的方向发展。如日本、韩 国开发了瓜类、茄果类蔬菜嫁接机器人。日本开发了自动耕耘、育苗移栽、自动施肥移动机器人，可完成多项功能的多功能机器，能在温室大棚内完6 成各 项作业的无人行走车，用于组织培养作用的机器人，柑橘、葡萄收获机器人等 。基于ZigBee技术的温室大棚智能监控系统总体设计系统方案的提出某蔬菜基地共有8个蔬菜大棚，在设计中每个大棚无线数据监测面积大约为400m2，宽5m, 长80m。温室大棚的监测目标具有分散性、多样性、及环境偏僻甚至恶劣等特点。检测目标主要是温度、湿度、光照强度、CO2浓度这些环境参数，这些是农作物 进行适宜生长的关键因素，对环境参数进行实时监测以后 ，要对相应的执行机构进行控制，参数控制执行机构可以通过地热发生器、湿帘湿帘泵、喷灌、补光等实现。温室大棚整体结构如图1.1所示 。图1.1温室大棚整体结构图基于ZigBee的温室大棚智能监控系统的研究 （1 ）IE EE 802.11x 无线局域网（WLAN）标准适用的是2.4G H z的IS M频段，WLAN的应用平台是笔记本电脑和掌上电脑组成的 无 线 以太网，是互联网的无 线延伸。IEEE802.11在1997年提出无线高保真（Wi- Fi）无线通信协议，其目是提供WLAN接入。Wi- Fi采用IEEE 802.11b标准，最大传输速率11Mbit/s。但目前，IEEE802.11标准的复杂性为用户选择标准化无线平台增加了困难，虽然具有 优越的带宽，可是功耗损耗较大，因此大多数的 Wi - F i装置都需要常规充电。这些特点限制了它在工业场合的应用； （2 ）红外线数据协会（Infrared Data As socia tio n , IrDA ）是一种利用红外线进行点 对点通信的技术。它具有功耗低、体积小、成本低廉的特点。但是I让DA智能在两台设之间连接，只支持视距的直线传播； （3 ）ZigBee技术就是一种短距离、低复杂度、低功耗、与低传输速率、低成本的双向无线通信技术，主要用于自动控制和远程控制领域。这种技术主要有以下五个方面的特点：低功耗。发射功率近1mW，采用休眠的低耗电待机模式下，采用2节5号干电池可 支持一个子设备工作半年到两年甚 至 更长时间，这是Zi g Bee的 突出优势低成本。ZigB ee模块 成本只有几美元；再通过大幅简化协议，降低了对通信控制器的要求，而且ZigBee免协议专利费。低近距离。传输范围一般在几十米到几百米，如果通过增大发射功率、路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠模式转入工作状态只需15ms,节点连接加入网络只需30ms。高容量。Zi gBee可采用星状、树状和网状结构，由一个主节点可以管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由路由节点管理，可以组成65000个节点的大网。如表格1.1所示，可以更加直观的表述和比较这三种短距离无线通信技术的性能 。 表 1.1三种短距离无线通信技术的比较 通过对上述三种短距离无线通信技术对比，显然ZigBee从功耗、传输距离、容量方面具有优势，也完全符合对温室大棚的环境参数进行监测和控制。大棚内的环境参数进行无线数据采集以后，不同的作物在不同的生长时期不同季节对温度、灌溉和补光量都有严格的要求，温室大棚的环境变化对农作物的生长和产量都有很影响，而且一般作物的成长环境都是在高温高湿下，这就对控制系统的抗干扰性提出了更高的要求。因此选择合适的控制器对大棚内的相应的执行机构进行控制也是系统需要解决的主要问题。 目前，市场上主要的控制器有单片机和PLC（ 可编程逻辑控制器）两种。单片机适用于微小型设备，具控制方便和灵活性大、价格便宜的优 点，但自身的抗干扰性差；可编程逻辑控制器PLC构成灵活，扩展容易，使用方便，编程简单，抗干扰能力强，易于与上位机接口，并能构成网络控制系统。考虑到温室大棚环境中农作物的生长环境具有高温高湿并且要进行多参数控制的特点，选用PLC作为系统的控制器，非常适合高效温室的控制。有效地提高了系统的可靠性。另外对于多个大棚的控制，可进行组网实现分布式控制系统 。综上分析，本课题设计的温室大棚智能监控系统采用ZigBee的无线通信技术避 免了繁琐的布线的问题；采用可编程逻辑控制器（PLC）作为大棚的主控制器，提高了系统的可靠性。基于ZigBee的无线数据采集节点，对温室内温度、湿度、CO2浓度以及光照强度的环境参的数据采集，通过构建的ZigBee星型网络，实现采集数据的无线传输；用PLC作为系统的主控机构，将主节点传输的数据通过一定的通信格式传输给PLC以后，PLC根据系统设置的环境阈值对相应的执行机构进行控制，启动增温降温、加湿除湿、遮阳补光等调控设备，从而使温室环境符合作物的生长规律；为了实现对多个大棚的分布式 控制，组建了基于RS-485总线的PLC分布式控制系统；采用易控工业组态软件实现上位监控设计，对整个PLC网络控制统进行监控；利用易控工业组态软件的Web发表功能，实现了温室大棚组的远程监控，使得管理人员不深入现场同样可以获得温室大棚的环境参数信息，实现远程监控。基于ZigBee温室大棚智能监控系统总体设计实现方案 设计中以一个温室大棚中的智能监控系每一个大棚需要采集4组数据，每一组数据包括大棚内的温度、湿度、光照强度和 CO2浓度。温室大棚的数据采集是通过单片机来实现的，数据采集模块共有4组，每一组有4种不同的传感器，分别采集大棚内的温度、湿度、光照强度和CO2浓度数据。数据采集模块由单片机分时对各个测控点进行巡回检测首先将温度传感器、光照强度传感器和CO2浓度的传感器三种模拟感器通过A/D转换器转化为数字信号，再送单片机芯片进行数据采集，湿度传感器是数字传感器，因此可直接传输到单片机上，主控芯片对数据进行滤波处理后打包送至无线网络中的子点。 其数据采集结构如图1.2所示 。图1.2数据采集结构框图单片机将大棚内的4种环境参数信息传输到无线网络中的子节点，子节点每隔一定的时间轮流向主节点发送信息。主节点组建了基于ZigBee技术的星型网络拓扑结构，主节点在星型网络中充当协调 器的角色协调器主实现对整个网络的管理以及接受子节点转发来的数据等功能；各子节点具有数据采集和转发的功能，可以将大棚内温湿度数据，空气中光照含量，CO2浓度这些农作物生长的环境信息采集过来，该设备节点安装在温室大棚内。主节点收到数据之后通过串口将各点的数据传给PLC，PLC是智能监控系统的控制中心，负责对大棚内的各个执行机构进行控制。PLC接受从中心计算机传来的控制参数阈值从而启动控制增温降温、加湿除湿、遮阳补光等调控设备，按不同环要求调控与协调温室大棚的环境适应不同的作物的成长需求 。 另外，为了对8个大棚进行集中监控，将8个大棚中的PLC通过RS- 485线构成分布式网络，PC机作为控制网络中主机，实现了上位机与8个PLC之间的通信。操作员即可以在某个大棚内单独控制每个P LC控制器，控制这个大棚的环境；也可在控制室内通过上位机对对每一个大棚进行监控。当某一个大棚的设备出现故障时，不影响其它大棚的控制设备。系统结构图如图1.3所示 。 为了更方便清晰的掌握温室大棚作物的环境参数情况，选用易控工业组态软件作为上位组态开发平台，通过易控本身提供的各图形模板可方便地进行监控界面设计，过数据流连接和设置，可以实现易控上位界面和无线收发模块的实时通信另外利用易控的程发表功能，还可以通过远程监控界面在IE浏览器上直接查看温室大棚作物的生长情况 。图1.3基于ZigBee技术的温室大棚智能监控系统结构图the primary analysis of soil physical and chemical properties, such as pests, disinfection, pest control in advance. Garden plant growth by required of minimum planting soil thickness should meet Xia table (construction figure Shang indicate of except) vegetation type herb flower lawn to was small shrubs big shrubs shallow root trees deep root trees soil thickness 30 (CM) 30 (CM) 45 (CM) 60 (CM) 90 (CM) 120 (CM) planting soil should selection for plant growth of selective soil, as humic acid soil, and lawn fertilizer, and peat soil, and pH 5.57.0, humidity 3070%, completely loose, Lawn planting soil roughness (soil surface should be lower than teeth pond 25cm). 2, planting garden of foundation engineering projects from planning to the construction stage, focus on after completion of landscaping, the overall goal is to create a good living environment for plants, create a garden and green space. Plant engineering of the project was to create the basis for plant growth, soil, it can be said is the garden project, is one of the most important works. Also planted phase of this project must be carried out by the local soil improvement project. 3, seedling selection requirements: (1) engineering seedling selection of cooked goods, provisions relating to plant size. Plant procurement specifications can be large, so as to achieve ecological effect in a short time. Seedlings should have . Strong, lush, Crown-shaped full, normal color, root system, pest and disease-free. (2) the project should have growth robust, lush, Crown-shaped full, normal color, root system, pest and disease-free. Stems, root cause mechanical damage, looping root amputation at the wound to prevent infection. (3) category tree seedlings: a spindle should have a uniform distribution of main branches, branches, trunk diameter above