智能農(nóng)業(yè)信息化管控系統(tǒng)解決方案

一、 項(xiàng)目功能及目標(biāo)

　　在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中。人們獲取農(nóng)田信息的方式非常有限，主要手段是人工測(cè)量，獲取過程需要消耗大量的人力物力。同時(shí)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，大量農(nóng)田設(shè)施的操作也多憑借經(jīng)驗(yàn)、依靠人工完成，這樣的方式不但操作不便，而且無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地、準(zhǔn)確地、標(biāo)準(zhǔn)化地操作。

　　本項(xiàng)目將通過應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使用大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成監(jiān)控和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)， 通過各種傳感器采集各種相關(guān)農(nóng)業(yè)信息， 以幫助人們及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、準(zhǔn)確地確定發(fā)生問題的位置并及時(shí)遠(yuǎn)程處置。這樣農(nóng)業(yè)將有可能逐漸地從以人力為中心、依賴于孤立機(jī)械的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，從而大量使用各種自動(dòng)化、智能化、遠(yuǎn)程控制的生產(chǎn)設(shè)備。

　　具體地，本項(xiàng)目將針對(duì)一定區(qū)域農(nóng)田監(jiān)控及管理的應(yīng)用，通過ZigBee、wifi等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將大量的無線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成大型監(jiān)控和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)，通過各種傳感器采集諸如溫度、空氣濕度、光照度、土壤濕度、pH值等相關(guān)農(nóng)業(yè)信息，以幫助管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并確定發(fā)生問題的位置，并通過無線節(jié)點(diǎn)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)程完成相應(yīng)的農(nóng)田管理功能。此外，本系統(tǒng)還具有實(shí)時(shí)視頻采集、傳輸?shù)墓δ埽芨鶕?jù)管理人員需要在遠(yuǎn)程隨時(shí)查看農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)視頻信息，以獲得直觀、準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)情況。本項(xiàng)目采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、可裁剪的思想進(jìn)行研發(fā)，研發(fā)的技術(shù)和產(chǎn)品可用于農(nóng)田、溫室、苗圃等的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，并在數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)遠(yuǎn)程控制上具有很好的適用性和推廣性。

二、系統(tǒng)構(gòu)成

　　該系統(tǒng)主要由無線傳感網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心、農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控設(shè)備網(wǎng)組成：

　　無線傳感網(wǎng)絡(luò)：該網(wǎng)主要由土壤水分自動(dòng)檢測(cè)儀、溫濕度傳感器、光照度傳感器、CO2濃度傳感器、土壤養(yǎng)分分析儀等多種傳感器及音視頻設(shè)備組成，主要對(duì)作物生長(zhǎng)所需的綜合環(huán)境的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集。

示范系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，傳感器網(wǎng)絡(luò)采用無線組網(wǎng)技術(shù)。其中協(xié)調(diào)器充當(dāng)某塊農(nóng)田區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)總控制器，管理該區(qū)域內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)，接收區(qū)域內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)以及設(shè)備狀態(tài)等信息，同時(shí)發(fā)送控制命令，管理區(qū)域內(nèi)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。協(xié)調(diào)器還具有路由功能，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)其他區(qū)域協(xié)調(diào)器發(fā)往網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)信息。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備包括無線傳感器節(jié)點(diǎn)和無線執(zhí)行器控制節(jié)點(diǎn)，它們分別負(fù)責(zé)采集、發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送給本區(qū)域網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器并接收來自協(xié)調(diào)器的控制命令驅(qū)動(dòng)控制本節(jié)點(diǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成控制任務(wù)。多協(xié)議網(wǎng)關(guān)作為本地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)，將來自各區(qū)域協(xié)調(diào)器的傳感數(shù)據(jù)信息匯總并通過Ethernet或串口或USB口上傳至本地控制中心計(jì)算機(jī)。

　　監(jiān)控中心：本地監(jiān)控中心是一臺(tái)集成專家系統(tǒng)的管理計(jì)算機(jī)(工控機(jī))，它通過遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)(可以是Internet或GPRS或3G等公共固定或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò))將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。本地控制中心還可以給用戶提供數(shù)據(jù)管理、專家咨詢和輔助決策等處理功能。遠(yuǎn)程用戶則可通過Internet遠(yuǎn)程訪問本地控制中心，了解溫室群的相關(guān)情況。在視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，帶有無線傳輸功能的攝像頭將采集到的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)通過星形的WIFI網(wǎng)絡(luò)傳輸至多協(xié)議網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)上傳至本地控制主機(jī)，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控功能。遠(yuǎn)程主機(jī)同樣可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問獲得實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)。

　　監(jiān)控軟件是監(jiān)控中心的核心組成部分，可實(shí)現(xiàn)如下功能：

　　1、界面友好，操作方便;

　　2、實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)環(huán)境檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ);

　　3、實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)環(huán)境檢測(cè)數(shù)據(jù)的歷史查詢;

　　4、實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)參數(shù)的曲線圖;

　　5、實(shí)現(xiàn)Internet遠(yuǎn)程查看、傳遞數(shù)據(jù)及顯示檢測(cè)參數(shù);

　　6、對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行專家分析，并根據(jù)分析判斷結(jié)果發(fā)送控制命令。

　　農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控設(shè)備網(wǎng)：該網(wǎng)主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果對(duì)設(shè)備進(jìn)行智能控制，其主要由調(diào)節(jié)土壤含水量、空氣濕度、光照度、CO2濃度、土壤養(yǎng)分的相關(guān)設(shè)備組成，如自動(dòng)灌溉裝置、水簾裝置、通風(fēng)機(jī)、光簾裝置、自動(dòng)加肥器等。

　　該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如下：

　　1、傳感器節(jié)點(diǎn)在采集傳感器數(shù)據(jù)的同時(shí)通過無線或者有線的通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。

　　2、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可根據(jù)實(shí)際情況選擇有線或者無線的方式連接監(jiān)控中心，監(jiān)控中心將匯總數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.

　　3、監(jiān)控中心將根據(jù)處理信息傳輸給interent網(wǎng)或者根據(jù)需要控制調(diào)控設(shè)備。

三、系統(tǒng)功能

　　該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)農(nóng)業(yè)的智能感知和控制功能，其主要功能就是通過傳感網(wǎng)絡(luò)采集農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)處理后的結(jié)果由系統(tǒng)的智能控制器對(duì)其調(diào)控設(shè)備進(jìn)行智能控制，該系統(tǒng)除主要功能外還需具備演示功能，以滿足農(nóng)業(yè)示范中特殊環(huán)境的演示以滿足該項(xiàng)目的示范演示作用。

1、智能控制功能

農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)框架圖

　　(1)溫度控制模塊

　　降溫功能：夏季采用自然和強(qiáng)制通風(fēng)降溫的方式進(jìn)行降溫。由控制器根據(jù)目標(biāo)溫度與實(shí)際室溫的偏差以及室溫的變化率進(jìn)行模糊計(jì)算。首先開啟頂開窗系統(tǒng)進(jìn)行自然通風(fēng)調(diào)整溫室內(nèi)的溫度，經(jīng)過時(shí)間判斷后，如果溫度值還不能降低，再開啟側(cè)窗系統(tǒng)。如自然通風(fēng)不能降低溫室內(nèi)的溫度值，則由電腦關(guān)閉自然通風(fēng)，采用強(qiáng)制通風(fēng)的方式來控制室內(nèi)溫度。如果溫度還下不來，則開啟濕簾水泵，如溫度還降不下來，則計(jì)算機(jī)會(huì)開啟溫度過高報(bào)警，提示用戶需增加降溫設(shè)備。

　　自動(dòng)升溫功能：冬季采用暖氣加溫的方式，由控制器根據(jù)目標(biāo)溫度與實(shí)際室溫的偏差以及室溫的變化率進(jìn)行模糊計(jì)算，通過調(diào)節(jié)暖氣恒溫閥的開合度來控制室內(nèi)溫度。

　　溫度控制范圍及精度分別為 20-30℃，±1℃。

　　(2)通風(fēng)控制模塊

　　由室內(nèi)傳感器采集室內(nèi)部的上，中，下三部溫度值來進(jìn)行模糊計(jì)算出室內(nèi)的溫差值，如果溫差值過大，則自動(dòng)開啟循環(huán)風(fēng)機(jī)。同時(shí)采集室內(nèi)的濕度值，如果濕度值偏差過大，也自動(dòng)開啟循環(huán)風(fēng)機(jī)，以平衡室內(nèi)的濕度偏差值。還可以根據(jù)二氧化碳濃度選擇開啟或者關(guān)閉循環(huán)風(fēng)機(jī)。

　　新風(fēng)換氣機(jī)可由電腦操作人員通過控制進(jìn)行人工操作，也可以進(jìn)行定時(shí)通風(fēng)來達(dá)到通風(fēng)換氣的目的。

　　(3)光照控制模塊

　　遮光控制功能：在光照較高時(shí)，計(jì)算機(jī)通過室外氣象站系統(tǒng)采集的高靈敏度光照值，與計(jì)算機(jī)設(shè)定的控制目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，如高于計(jì)算機(jī)設(shè)定目標(biāo)值，則自動(dòng)展開外拉幕，進(jìn)行遮光。如低于計(jì)算機(jī)設(shè)定目標(biāo)值，則自動(dòng)收攏外拉幕。也可以由控制器定時(shí)進(jìn)行遮陽，或者由工作人員通過控制器操作。

　　補(bǔ)光控制功能：計(jì)算機(jī)通過室內(nèi)數(shù)據(jù)采集器傳回來的高靈敏度的光照值，與設(shè)定目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，如高于設(shè)定目標(biāo)值，則自動(dòng)關(guān)閉補(bǔ)光燈。如低于設(shè)定目標(biāo)值，則自動(dòng)打開補(bǔ)光燈。同時(shí)，內(nèi)部有一個(gè)光照累積時(shí)間的設(shè)置值，如累積時(shí)間不夠的話，則補(bǔ)光燈會(huì)在選定時(shí)間打開補(bǔ)光燈，進(jìn)行補(bǔ)光?？赏ㄟ^ 30組定時(shí)器，來設(shè)置不同時(shí)間，開啟補(bǔ)光燈，開多長(zhǎng)時(shí)間。

　　(4)水分控制模塊

　　自動(dòng)控制：計(jì)算機(jī)內(nèi)部有一套根據(jù)土壤濕度傳感器采集的值，與設(shè)定目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，如高于設(shè)定目標(biāo)值，則自動(dòng)關(guān)閉灌溉閥門。如低于設(shè)定目標(biāo)值，則自動(dòng)打開灌溉閥門。

　　定時(shí)控制：輪灌方式，可設(shè)定在某個(gè)時(shí)間段，進(jìn)行灌溉的方式，可每個(gè)小時(shí)，灌溉一次，同時(shí)也可設(shè)定灌溉的次數(shù)。有效的保護(hù)了水泵，同時(shí)也使土壤更好的吸收水分。

　　(5)濕度控制模塊

　　自動(dòng)控制：計(jì)算機(jī)內(nèi)部有一套根據(jù)室內(nèi)濕度傳感器的值，與設(shè)定目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，如高于設(shè)定目標(biāo)值，則自動(dòng)關(guān)閉噴霧閥門。如低于設(shè)定目標(biāo)值，則自動(dòng)打開噴霧閥門，將其濕度調(diào)整到佳狀態(tài)。

　　定時(shí)控制：輪灌方式，可設(shè)定在某個(gè)時(shí)間段，進(jìn)行噴灌的方式，可每個(gè)小時(shí)噴灌一次，同時(shí)也可設(shè)定噴灌的次數(shù)。有效的保護(hù)了水泵，同時(shí)也使土壤更好的吸收水分。

　　(6)視頻監(jiān)控模塊

　　該功能模塊可用于探測(cè)農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況，病蟲害情況，并可以監(jiān)管其他環(huán)境調(diào)控設(shè)備是否在正常執(zhí)行命令等。

　　(7)其他控制模塊

　　該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多個(gè)節(jié)點(diǎn)，以便隨時(shí)可以添加所需的傳感器和調(diào)控設(shè)備，從而完成多種功能融合。

　　說明：上面所有的控制過程都配有延時(shí)和穩(wěn)定判斷時(shí)間和動(dòng)作穩(wěn)定時(shí)間，以保證設(shè)備不頻繁進(jìn)行開啟關(guān)閉動(dòng)作。更好的保護(hù)設(shè)備。

2、演示功能

　　演示設(shè)備包括降水演示、自然風(fēng)演示、光強(qiáng)度演示等;

　　降水演示：由噴灌設(shè)備完成，在實(shí)驗(yàn)區(qū)配置帶支架的噴嘴，模擬降雨，提供道面狀況監(jiān)測(cè)儀，土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀、雨量計(jì)、濕度傳感器的演示;

　　自然風(fēng)演示：配備小型高度可調(diào)移動(dòng)設(shè)備架和小型鼓風(fēng)機(jī)，模擬不同大小、方向的自然風(fēng);

　　光強(qiáng)度演示：利用小型高度可調(diào)移動(dòng)設(shè)備架加遮光簾完成光照強(qiáng)度大小調(diào)節(jié)，供光照強(qiáng)度傳感設(shè)備的演示。

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