農業大棚環境監測系統

1.  前言

1.1國內外農業溫室大棚系統的現狀

我國是一個農業大國，目前在廣大農村，農業溫室比比皆是。近年來，隨著我國農業和農村經濟的發展，農業生產方式逐步由傳統的粗放經營式向現代集約型經營方式轉變，農業科技示范園，作為現代集約型農業和高新科技應用的示范窗口，應運而生。隨著科學技術的進步，溫室的結構檔次在逐步的提高，建設一種可提高溫室內作物產量和質量，降低生產成本，減輕工作人員勞動強度的農業溫室大棚智能監控系統，是廣大溫室作物生產人員的迫切需求。

目前，雖然也有不少單位或個人引進了一些國外的計算機智能監控系統，如溫室環境監控系統，施肥灌溉監控系統，工廠化育苗智能監控系統等，這些系統真正實現了溫室控制的智能化和自動化，但往往存在投資過大．系統維護不方便等各種發展制約瓶頸，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和較豐富的工程技術經驗，目前我國廣大農民還不具備，這也限制了國外同類產品在國內的推廣應用。開發低價位、實用型的農業溫室大棚智能監控系統對于推進我國農業自動化、智能化進程具有重要的意義，同時也具有很大的市場潛力。據調查，目前市場上迫切需要的是一種低成本、操作使用簡便的實用農業溫室大棚智能監控系統。針對這一要求及我國日光溫室量大、面廣的特點，研究一種既符合我國農業水平實際又適合農民經濟承受能力、技術上不低于國外同類產品的農業溫室智能集成監控系統是非常必要的。智能化農業溫室大棚是集農業科技上的高、精、尖技術和計算機自動控制技術于一體的先進的農業生產設施，是現代農業科技向產業轉化的物質基礎。它能營造相對獨立的作物生長環境，徹底擺脫傳統農業對自然環境的依賴性。目前，計算機監控在農業溫室大棚種植中得到了越來越廣泛的應用，并正在成為農業溫室大棚監控的核心。智能化農業溫室大棚研究是當今興起的一門橫跨生物學、計算機科學、電子科學、機械設計和環境控制等幾大學科的綜合了多種高新技術的邊緣學科。從目前我國農業發展政策看，未來10一15年我國農業科技進步的重要內容就是推動規模經營和農業產業化的發展，所以研究開發適合我國的國情的農業溫室大棚智能監控系統是非常必要的。

1.2本監控系統簡介

農業溫室大棚智能監控系統集傳感器、自動化控制、通訊、計算等技術于一體，通過用戶自定儀作物生長所需的適宜環境參數，搭建農業溫室大棚智能化軟硬件平臺，實現對農業溫室大棚中溫度、濕度、二氧化碳等因子的自動監測。

本系統可以模擬基本的生態環境因子，如溫度、濕度、二氧化碳濃度等，以適應不同生物生長繁育的需要，它由數據采集設備單元組成，按照預設參數，精確的測量溫室的溫度、濕度、二氧化碳參數等，并利用手動、自動兩種方式啟動或關閉不同的執行結構（遮陽幕、通風系統等），程序所需的數據都是通過各類傳感器實時采集的。

該系統的使用，可以為植物提供一個理想的生長環境，并能起到減輕人的勞動強度、提高設備利用率、改善農業溫室大棚氣候、減少病蟲害、增加作物產量等作用。

1.3本控制系統具有的特點

1.3.1預測性

通過對氣候參數的分析，可以預測控制設備的運行情況，提高設備的利用率，降低能耗。

1.3.2強大的擴展功能

通過選用不同的外圍設備，可以控制溫室環境及風機、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備的動作記錄等。

1.4遠程監控功能

即使工作人員不在現場，也可以通過遠程監控系統對溫室內的環境參數及設備進行監測和控制。

1.5數據聯網功能

通過GPRS，可將各種數據聯入INTERNET，真正實現數據共享。 

2.  農業溫室大棚智能監控系統的設計

2.1系統設計要求

農業溫室大棚智能監控系統是一個涉及到溫度、濕度、二氧化碳濃度及種植品種等多種因素的監控系統。因此，該系統的沒計應具備以下功能：

l、較寬的工作電壓范圍：110v-380v交流：

2、能長時間連續、穩定、可靠的工作；

3、能對溫室內的溫度、濕度、二氧化碳濃度等參數進行準確的測量：

4、能根據種植品種的不同，可以設定溫度、濕度、二氧化碳濃度的預警。

2.2系統設計原則

1、系統性能穩定，運行可靠。

2、操作簡單，維護方便。

3、整個系統易于擴展。

4、運行經濟節能，維護費用低。

5、性能價格比高。

2.3系統整體架構

系統采用上、下位機監控方案，下位機為系統前端采集設備，實施對溫室大棚環境參數的檢測與環境調整機構的控制；上位機為系統遠程監控計算機，采用可視化編程語言設計界面友好的環境監測與管理系統，實現對溫室的遠程監控與管理操作。其基本的框架圖如下：

2.4現場安裝圖片(示例)

3.  農業溫室大棚智能監控系統的建設

3.1 系統介紹

該系統利用溫度、濕度、二氧化碳等傳感器采集現場的相關數據，采集到的數據在現場就通過無線方式發送到數據服務器中，通過應用服務器和web服務器對采集到的數據進行應用和顯示。

系統網絡結構分為三層，第一層為數據管理層：由電腦和以太網組成；第二層為數據傳輸層：采用GPRS無線數據傳輸；第三層為數據采集層：由GPRS RTU遠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GPRSRTU遠程測控終端只需要用一根電纜連接。

3.2 數據管理層

中心采用通過GPRS/GSM 網路把室外各站點傳感器數據發送到中心計算機，在這里進行各個站點參數設置，及對各站點運行情況進行統計，并可通過專用軟件在計算機上存儲，實時顯示所有大棚站的溫濕度、二氧化碳數據和圖表。同時可以人工進行特殊操作。

建立GPRS中心連接的兩種方式：

A．監控中心服務器采用固定IP地址，當監控點數量增加，中心不用擴容即可滿足需求（適用監控點數較多幾百上千個）。

B．監控中心服務器采用動態IP地址（可以申請花生殼軟件采用域名的方式），當監控點數量增加，中心不用擴容即可滿足需求（適合監控點數在300個左右的）。

3.3 數據傳輸層

本系統數據采集層與數據管理層（中央處理系統）之間的通信、采用目前應用已經比較成熟的GPRS網絡實現遠程通信。

采用GPRS無線數據傳輸具備如下特點：

1、可靠性高：

與SMS短信息方式相比，GPRS采用面向連接的TCP協議通信，避免了數據包丟失的現象，保證數據可靠傳輸。中心可以與多個監測點同時進行數據傳輸，互不干擾。GPRS網絡本身具備完善的頻分復用機制，并具備極強的抗干擾性能，完全避免了傳統數傳電臺的多機頻段“碰撞”現象。

2、實時性強：

GPRS具有實時在線的特性，數據傳輸時延小，并支持多點同時傳輸，因此GPRS監測數據中心可以多個監測點之間快速，實時地進行雙向通信，很好地滿足系統對數據采集和傳輸實時性的要求。目前GPRS實際數據傳輸速率在30Kbps左右，完全能滿足系統數據傳輸速率（≥10Kbps）的需求。

3、監控范圍廣：

GPRS網絡已經實現全國范圍內覆蓋，并且擴容無限制，接入地點無限制，能滿足山區、鄉鎮和跨地區的接入需求。比較很多無線數據網絡（集群，雙向傳呼，CDPD，CDMA）而言，其網絡覆蓋是最好的。

4、系統建設成本低：

由于采用GPRS公網平臺，無需建設網絡，只需安裝設備就即可，建設成本低；也免去了網絡維護費用。

5、系統運營成本低：

采用GPRS公網通信，全國范圍內均按統一費率計費，省去昂貴的漫游費用, GPRS網絡可按數據實際通信流量計費，(1分-3分/1K字節)，也可以按包月流量收費，從而實現了系統的低成本通信。

6、可對各監測點儀器設備進行遠程控制：

通過GPRS雙向系統還可實現對儀器設備進行反向控制，如：時間校正、狀態報告、開關等控制功能，并可進行系統遠程在線升級。

7、系統的傳輸容量，擴容性能好：

能滿足突發性數據傳輸的需要，而GPRS技術能很好地滿足傳輸突發性數據的需要；由于系統采用成熟的TCP/IP通信架構，具備良好的擴展性能，一個監測中心可輕松支持幾千個現場采集點的通信接入。

總之，它真正體現了少用少付費的原則。通過GPRS無線網絡將用戶設備數據傳輸到Internet中的一臺主機上，實現數據遠程傳輸，可廣泛應用于“物聯網”涉及的各個行業。 

3.4 數據采集層

3.4.1數據采集設備（GPRS RTU遠程測控終端）

>>產品介紹：

GPRS RTU遠程測控終端集模擬量采集、脈沖量采集、繼電器控制、存儲記錄、RS-485串口串行通訊(數據透明傳輸)、短信和GPRS數據傳輸于一體的綜合性數據監控終端，外形小巧美觀，測量精確可靠，通過狀態指示燈顏色的變換可以輕松獲得終端所處的工作狀態，操作調試十分簡便，非常適合于各種環境下數據的采集和控制。廣泛應用于水文監測、氣象監測、環保監測、農業灌溉管理、環境數據監控、管網監測等。

>>主要功能：

01、集成路4路模擬信號采集（采集精度0.1%）、4路開關量/脈沖量采集、2繼電器控制輸出（支持觸點斷電保持）、1路RS485輸入接口（支持透明傳輸）；

02、模擬信號輸入通道支持帶回差控制的高低超限報警，同時支持信號增幅、降幅超速報警；

03、開關信號輸入通道支持開關動作報警，同時支持脈沖增幅超速報警；

04、RS485支持定時訪問、數據中心在線實時訪問、報警事件關聯訪問、自由訪問（可同時連接各種不同速率、不同協議的設備）；

05、模擬量和開關量可與繼電器設置報警聯動；

06、可模塊式擴展模擬量、開關量、繼電器等路數，根據用戶現場實際需求選擇擴展模塊；

07、支持GPRS和短信方式遠程召測及控制；

08、支持遠程修改數據中心IP地址、端口號、遠程配置終端所有參數；

09、可設置時間間隔分類存儲模擬量、開關量/脈沖量、繼電器、RS485協議等數據；

10、可設置三個數據中心主數據中心（CT1）、定時上線數據中心（CT2）、工程維護數據中心（CT3）；

11、定時上下線，既能夠保證GPRS數據傳輸，又能夠適時下線，節約數據流量；

12、終端連接不上自動復位、短信強制復位，掉線、斷網自動重連；

13、內置時鐘，精確記時；

14、通過專門的圖形化配置工具進行參數配置并配備測試數據中心可供調試；

>>技術參數：

01、額定電壓：DC5-24V

02、RS485接口 波特率支持300-115200bps，N/E/O校驗，停止位1/2位

03、開關量：干節點信號或幅度為2V～24V的電平信號

04、脈沖量：最小脈沖寬度為25ms，脈沖周期為50ms，內部脈沖計數累積容量達到40億

05、繼電器：繼電器干節點輸出

06、存儲芯片：內置64M-bit Flash存儲器，最多可存32768條記錄

07、工作環境溫度：-20℃到65℃

08、儲存溫度：-40℃到85℃

09、濕度：95% 無凝結

10、常規運行耗電：＜60mA

11、省電模式耗電（平均）：＜30mA

12、通信方式：支持TCP/UDP通訊方式

13、外形尺寸：93?62?24mm

14、重量：約150克

3.4.2 傳感器（變送器）部分

傳感器用來對溫室內的溫度、濕度、二氧化碳濃度進行實時數據采集。根據溫室作物生長特點和環境要求，選擇精度較高、運行穩定，性價比較高的傳感器是十分有必要的。在該項目所采用的傳感器類別及性能參數如下：

3.4.2.1 防護型空氣溫濕度變送器

防護型空氣溫濕度變送器是根據具有感濕特性的電介質介電常數隨相對濕度而變化的特質設計而成，用來檢測溫室內的環境溫濕度，一般有效的溫度范圍在-40～100?C，有效的濕度范圍在0～100%。項目中采用的空氣溫濕度傳感器，其特點與性能參數如下：

供電電源：12VDC，24V DC

溫度量程: -40℃~80℃

溫度精度:?0.5℃

溫度分辨率: 0.1℃

濕度量程：0%~100% RH

濕度精度：?3% RH(10%~85%)

濕度分辨率：1% RH

輸出:4-20mA

靜態電流：<45ma< span="">

外形尺寸：90*85*40MM

帶耳尺寸：110*85*40MM

安裝方式:壁掛式；螺絲固定

工作環境：-20～80℃，20%～90%無凝露

貯存環境：-40～105℃，20%～95%無凝露

3.4.2.2 防護型紅外二氧化碳變送器

防護型紅外二氧化碳變送器是在進口紅外二氧化碳傳感器基礎上設計的一款專門用于在農業等多種高濕場合使用的產品系列，該產品系統有電壓、4-20mA電流接口可選配。該產品采用多重防護，確保內部的傳感器不受外界高濕等環境影響，確保傳感器可靠穩定工作。產品具有更低的供耗，信號輸出更加穩定，并且嵌入了自動校準模式，確保長期工作穩定性和精確度。

技術指標：

量程：0~2000PPM

精度：＜?30ppm(25℃)

重復性：<1%fs< span="">

預熱時間：≤1min(可以操作)

穩定性：<1% RH /年，/<0.1< span="">℃ /年

輸出信號：4-20mA

供電電源：DC/AC 12-24V

工作環境：溫度：0℃~50℃

濕度：≤80%RH

功耗：峰值≤200mA  平均≤80mA

安裝方式：壁掛式

外形尺寸：125?80?60 MM

4.  監控系統軟件平臺（軟件功能可定制）

農業溫室大棚智能監控系統的軟件管理功能主要包括用戶管理模塊、數據實時顯示模塊、歷史數據管理模塊、報警數據管理模塊、曲線分析模塊、網絡信息發布及資源共享模塊等功能。

4.1用戶管理模塊

本系統可設置具備用戶管理模塊，通過該模塊可設置不同用戶的使用權限，根據不同監控點的職權對用戶權限進行分級。

4.2實時數據顯示模塊

數據實時顯示模塊主要是將各種傳感器實時采集到的環境參數、設備運行狀態進行顯示，以滿足人們對溫室環境監測的需求。

4.3歷史數據管理模塊

用戶可通過訪問系統服務器，遠程檢索回放站端的任意歷史數據。系統提供了智能化快速檢索回放歷史數據的功能，可按時問、異常情況等進行檢索，大大降低了檢索時間和復雜程度，使用戶可以迅速地查找到需要的歷史資料。

4.4報警數據管理模塊

通過該模塊，用戶可以實現全方位的報警信息通報。在線報警欄中的報警信息，在每一個監控頁面都是相同的，無論在中心還是辦公網絡內的客戶端，可以讓操作人員最短時間內發現報警信息，解決故障。

4.5曲線數據分析模塊

一個好的農業大棚溫室智能監控系統，不僅在于它能實時、遠程監控系統，關鍵還要能夠提供曲線數據．通過對曲線數據的分析，從中找出對溫室中農作物生長最為有利各種參數，并通過與農業專家系統的接口．提供一個農作物生長最為有效的模型。

4.6網絡信息發布及資源共享模塊

    位于監控中心的監控服務器與廠區內的局域網絡連接，在局域網內進行信息發布，這樣廠區管理層的人員都可以在它自己辦公室里的計算里隨時通過IE的方式訪問主機服務器內的全部數據和畫面。

    每位瀏覽者都將擁有唯一的用戶名和密碼的身份驗證，它的用戶名決定它的監控范圍。雖然是采用IE的方式訪問現場數據，但所看到的全部數據及畫面與信息中心服務器的內容完全相同、效果也完全一樣。速度方面也不會任何的延時。

    通常廠區辦公管理網絡允許被連接到互聯網，這樣即使出差在外地的領導也同樣可以連回廠內訪問現場的數據。

5.  系統優勢

本系統采用分布式控制結構，依據分散采集數據。集中操作管理，相對獨立的設計思想，綜合運用計算機網絡通信和模糊控制技術，實現了單個溫室的智能控制以及多個溫室的聯網監控。控制系統可根據溫室內溫度、濕度、二氧化碳濃度等參數的變化，按照預先設定的條件對風機、灌溉、二氧化碳發生器等設備進行全自動控制，系統具有功能強大、性能優越、配置靈活、安全可靠等優點。

01、全天候不間斷在線監測，無論晴雨雷雪，均可實現數據的持續采集，讓數據具有連續性，對農業溫室環境參數的歷史分析和技術優化變得更加有效。

02、所有數據實現無紙化記錄，歷史可查，可根據客戶的需求定制各種分析報表和打印格式，使該系統更加人性化和實用性。

03、真實有效的現場數據給政府、企業的管理上帶來的可追溯、可衡量的標準，降低了管理的難度。

04、降低環境對監測的影響，無論是有毒有害的環境還是障礙物，都可實現信號的遠程無線采集，降低現場巡檢的難度，提高巡檢和參數記錄的難度。

05、大大降低人力成本，通過該系統的運用，減少了人員的投入，實現讓更少的人管理更多的設備和安全領域。

06、實現了防患于未然，該系統會對歷史運行數據和安全警戒值進行掃描判斷，當變化達到臨界值時會自動通過手機短信方式通知用戶，讓用戶及時對設備和安全隱患進行及時處理，做到早發現早處理。

07、良好的功能擴展性，使得該系統能隨時適應客戶需求的變化，做到及時的調整和優化，順應客戶的變化而變化。

08、加密的數據和多層安全保護，讓客戶對數據的管理更加安全可靠，不會擔心數據被劫持和破解。