智能温室大棚环境监控系统1、系统简介 该系统利用物联网技术,可实时远程获取温室大棚内部的空气温湿度、土壤水分温度、二氧化碳浓度、光照强度及视频图像,通过模型分析...
农业大棚环境监控系统方案 2014.9 1 娇龙 一 二 三 四 简介............................................................................................................................................. 3 农业大棚环境监控概述 ............................................................................................................. 3 背景与需求................................................................................................................................. 3 系统的组成................................................................................................................................. 4 1）总体架构............................................................................................................................. 4 （2）系统有两种典型配置结构 ............................................................................................. 4 （3）传感信息采集................................................................................................................. 5 五 大棚监测点现场分布................................................................................................................. 5 六 系统的软件................................................................................................................................. 6 七 常用的传感器............................................................................................................................. 6 1、空气温湿度传感器 ............................................................................................................. 6 2、土壤温度传感器................................................................................................................. 7 3、土壤水分传感器................................................................................................................. 7 4、CO2 含量传感器 ................................................................................................................ 7 5、NH3 含量传感器 ................................................................................................................ 8 6、光照度传感器..................................................................................................................... 8 2 娇龙 一 简介 近年来， 温室大棚种植为提高人们的生活水平带来极大的便利， 得到了迅速 的推广和应用。种植环境中的温度、湿度、光照度、CO2 浓度等环境因子对作物 的生产有很大的影响。传统的人工控制方式难以达到科学合理种植的要求，目前 国内可以实现上述环境因子自动监控的系统还不多见， 而引进国外具有多功能的 大型连栋温室控制系统价格昂贵，不适合国情。
针对目前大棚发展的趋势，提出了一种大棚智能监控系统的设计。根据大 棚智能监控的特殊性， 需要传输大棚现场参数给管理者，并把管理者的命令下发 到现场执行设备， 同时又要使上级部门可随时通过互连网或者手机信息了解区域 大棚的实时状况。基于 GPRS 的智能大棚监控系统使这些成为可能。 二 农业大棚环境监控概述 农业温室大棚监控系统通过实时采集农业大棚内空气温度、湿度、光照、土 壤温度、土壤水分等环境参数，根据农作物生长需要进行实时智能决策，并自动 开启或者关闭指定的环境调节设备。通过该系统的部署实施，可以为农业生态信 息自动监测、对设施进行自动控制和智能化管理提供科学依据和有效手段。
开拓者 kitozer 系列的农业温室大棚监控及智能控制解决方案是通过可在 大棚内灵活部署的各类无线传感器和网络传输设备，对农作物温室内的温度，湿 度、光照、土壤温度、土壤含水量、CO2 浓度等与农作物生长密切相关环境参数 进行实时采集， 在数据服务器上对实时监测数据进行存储和智能分析与决策，并 自动开启或者关闭指定设备（如远程控制浇灌、开关卷帘等） 。 三 背景与需求 在每个智能农业大棚内部署无线空气温湿度传感器、无线土壤温度传感器、 无线土壤含水量传感器、无线光照度传感器、无线 CO2 传感器等，分别用来监测 大棚内空气温湿度、土壤温度、土壤水分、光照度、CO2 浓度等环境参数。为了 3 娇龙 方便部署和调整位置，所有传感器均应采用电池供电、无线数据传输。大棚内仅 需在少量固定位置提供交流 220V 市电（如：风机、水泵、加热器、电动卷帘） 。
每个农业大棚园区部署 1 套采集传输设备（包含路由节点、长距离无线网关 节点、Wi-Fi 无线网关等） ，用来覆盖整个园区的所有农业大棚，传输园区内各 农业大棚的传感器数据、 设备控制指令数据等到 Internet 上与平台服务器交互。
在每个需要智能控制功能的大棚内安装智能控制设备（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） ，用来接受控制指令、响应控 制执行设备。实现对大棚内的电动卷帘、智能喷水、智能通风等行为的实现。 四 系统的组成 1）总体架构 系统的总体架构分为现场数据采集、网络传输、智能数据处理平台和远程控 制四部分。
（2）系统有两种典型配置结构 ■两层网络，系统由两类点构成：
无线传感器节点，包括无线空气温湿度传感器、无线土壤温度传感器、无线 土壤含水量传感器、无线光照度传感器、无线 CO2 传感器等； 无线网关节点，包括 Wi-Fi 无线网关或 GPRS 无线网关。
该结构适用于园区已经有 Wi-Fi 局域网覆盖，或是可以采用 GPRS 直接上传 数据的场景。在此结构中，只需要在合适的区域部署无线网关，即可实现传感器 数据的采集和上传。
■三层网络，系统由三类点构成：
无线传感器节点，包括无线空气温湿度传感器、无线土壤温度传感器、无线 土壤含水量传感器、无线光照度传感器、无线 CO2 传感器等； 无线网关节点； 数据路由器。
该结构适用于园区没有 Wi-Fi 局域网覆盖，也不准备采用 GPRS 直接上传数 据的场景。在此结构中，需要部署数据路由节点和无线网关，无线网关与数据路 由节点之间以长距离无线通信方式进行数据的交换，在区域较大，节点间通信距 4 娇龙 离不足时， 无线网关还可以相互之间进行自动数据中继，扩大监控网络的覆盖范 围。
（3）传感信息采集 在监控网络中，无线空气温湿度传感器、无线土壤温度传感器、无线土壤含 水量传感器、无线光照度传感器、无线 CO2 传感器等传感器均支持低功耗运行， 可使用廉价的干电池供电长期工作。同时，所有的无线传感器节点均运行低功耗 多跳自组网协议， 可为其它节点提供数据的自动中继转发，以扩大监测网络的覆 盖范围，增加部署灵活性。
低功耗多跳自组网协议是在 IEEE802.15.4 协议的基础上建立的，无线通信 的频率选择可以是 2.4GHz 或 780MHz。
传感器数据通过协议传送到无线网关节点上， 无线网关节点再经过数据路由 节点或直接将传感器数据发送到数据平台的服务器上。用户可以通过有线网络/ 无线网络访问数据平台， 实时监测大棚现场的传感器参数，控制大棚现场的相关 设备。 五 大棚监测点现场分布 大棚现场主要负责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、CO2 浓度等参数。
传感器的数据上传采用低功耗无线传输模式，传感器数据通过无线发送模 块， 采用标准协议将数据无线传送到无线网关节点上，用户终端和一体化控制器 间传送的控制指令也通过无线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 internet 上的系统业务平台。用户可以通过有线网络/无线网络访问系统业务平 台，实时监测大棚现场的传感器参数，控制大棚现场的相关设备。低功耗无线传 输模式使得大棚现场内各传感器部署灵活、扩展方便。
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。 5 娇龙 采集传输部分主要将设备采集到的数值传送到服务器上， 现有大棚设备支持 Wi-Fi、GPRS、长距离无线传输等多种数据传输方式，在传输协议上支持 IPv4 联网协议。
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视频监控功能。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。 六 系统的软件 系统平台软件共由以下部分组成：
（1）数据收集、存储服务软件 完成传感器数据的获取、解析、分类，最后按预设的格式存入数据库。
（2）展示、决策软件 图形化界面， 从数据库中读取相应数据，以表格和曲线的方式将传感器数据 显示出来，支持多种查询显示方式。可自定义决策系统控制对象及决策算法，与 对象控制软件互联实现自动化控制。
（3）远程控制软件 完成现场控制对象的操作， 图形化操作界面，支持重定义远端开关名称等信 息，可与决策软件进行对接，实现自动化控制。 七 常用的传感器 1、空气温湿度传感器 用于检测设施农业的空气环境温湿度， 一般使用的有效温度范围 在 0~50℃，有效湿度范围在 30~90%。大部分安装在温室、大棚或畜 6 娇龙 禽舍中空气流通较好的遮阳处，一般根据温室、大棚或畜禽舍长度安 装 1~4 个不等，以避免空气流通差导致的局部小气候效应。
2、土壤温度传感器 用于检测土壤温度，一般使用的有效温度范围在 10~40℃（土壤 热容积较大，温度变化不很明显） ，安装在作物根部土壤中，以测量 作物的生长、发育的土壤温度及浇水后土壤温度变动情况。根据温室 或大棚长度安装 2~4 个不等， 安装时根据不同作物根系深度确定埋土 深度。
3、土壤水分传感器 用于检测土壤中水分含量，便于及时和适量浇灌。目前有两种表 示方式，其一为容积含水量，即 V/V%，其二为质量含水量，即 M/M%， 大部分产品以容积含水量表示，一般有效范围在 10~70%。因不同土 质能容纳水量不同，故不同土质在浇灌等量水后，所显示的容积含水 量会有不同。根据温室或大棚长度安装 2~4 个不等，安装时根据不同 作物根系深度确定埋土深度。
4、CO2 含量传感器 用于检测环境中 CO2 含量，便于决定是否增施气肥或需通风换 气。一般以 ppm 为单位，有效范围在 100~1000ppm 之间。可以用在温 室、大棚中，也可以用在密封/半密封的畜禽舍中。温室、大鹏中主 要检测有光照情况下 CO2 含量是否低于作物光和作用的最佳浓度， 在 7 娇龙 畜禽舍中主要检测密封环境下 CO2 浓度是否超出影响畜禽能生长发 育的最大浓度，以便于及时通风换气。独栋温室、大棚或畜禽舍安装 1 个即可。
5、NH3 含量传感器 用于检测畜禽舍环境中 NH3 的含量， 以决定是否需要通风换气和 清除粪便。一般以 ppm 为单位，有效范围在 0~100ppm 之间。养鸡场 应用居多，尤其是蛋鸡场，因为鸡的消化系统不能完全消化饲料，大 量蛋白质通过粪便排出后，经过复杂的化学反应转变为 NH3，而 NH3 又是影响鸡蛋产量的关键因素，一旦 NH3 浓度超过一定值，蛋鸡产蛋 率明显下降， 甚至不产蛋， 需要数周后才能恢复。
一般安装 1 个即可。
6、光照度传感器 用于检测作物生长环境的光照强度，以决定是否需要遮阳或补 光。单位 lux（勒克司） ，有效范围在 200～200000Lux。一般安装在 温室、大棚中，用来检测作物生长所需要的光照强度是否满足最基本 需要或是否达到作物的最佳生长状态，如与 CO2 传感器联合使用，可 以为何时增施气肥提供参考。安装时考虑向阳并且避免被遮挡。一般 安装 1 个即可。 8 娇龙
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