智能農業信息化管控系統解決方案

一、 項目功能及目標

　　在傳統農業中。人們獲取農田信息的方式非常有限，主要手段是人工測量，獲取過程需要消耗大量的人力物力。同時傳統農業中，大量農田設施的操作也多憑借經驗、依靠人工完成，這樣的方式不但操作不便，而且無法實現大規模地、準確地、標準化地操作。

　　本項目將通過應用無線傳感器網絡技術，使用大量的傳感器節點構成監控和執行網絡， 通過各種傳感器采集各種相關農業信息， 以幫助人們及時發現問題、準確地確定發生問題的位置并及時遠程處置。這樣農業將有可能逐漸地從以人力為中心、依賴于孤立機械的生產模式轉向以信息和軟件為中心的生產模式，從而大量使用各種自動化、智能化、遠程控制的生產設備。

　　具體地，本項目將針對一定區域農田監控及管理的應用，通過ZigBee、wifi等無線傳感器網絡技術，將大量的無線傳感器節點構成大型監控和執行網絡，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值等相關農業信息，以幫助管理人員及時發現問題并確定發生問題的位置，并通過無線節點控制執行機構遠程完成相應的農田管理功能。此外，本系統還具有實時視頻采集、傳輸的功能，能根據管理人員需要在遠程隨時查看農田現場視頻信息，以獲得直觀、準確的現場情況。本項目采用標準化、模塊化、可裁剪的思想進行研發，研發的技術和產品可用于農田、溫室、苗圃等的遠程監控和管理，并在數據采集和自動遠程控制上具有很好的適用性和推廣性。

二、系統構成

　　該系統主要由無線傳感網絡、監控中心、農業環境調控設備網組成：

　　無線傳感網絡：該網主要由土壤水分自動檢測儀、溫濕度傳感器、光照度傳感器、CO2濃度傳感器、土壤養分分析儀等多種傳感器及音視頻設備組成，主要對作物生長所需的綜合環境的數據信息進行采集。

示范系統網絡結構圖

　　無線傳感器網絡是系統的基礎，傳感器網絡采用無線組網技術。其中協調器充當某塊農田區域現場總控制器，管理該區域內的無線網絡，負責區域網絡的建立和維護，接收區域內傳感器數據以及設備狀態等信息，同時發送控制命令，管理區域內的執行機構。協調器還具有路由功能，負責轉發其他區域協調器發往網關的數據信息。傳感器網絡中的終端設備包括無線傳感器節點和無線執行器控制節點，它們分別負責采集、發送傳感器數據并發送給本區域網絡協調器并接收來自協調器的控制命令驅動控制本節點執行機構完成控制任務。多協議網關作為本地無線傳感器網絡的匯聚節點，將來自各區域協調器的傳感數據信息匯總并通過Ethernet或串口或USB口上傳至本地控制中心計算機。

　　監控中心：本地監控中心是一臺集成專家系統的管理計算機(工控機)，它通過遠程傳輸網絡(可以是Internet或GPRS或3G等公共固定或移動網絡)將數據傳送到遠程服務器。本地控制中心還可以給用戶提供數據管理、專家咨詢和輔助決策等處理功能。遠程用戶則可通過Internet遠程訪問本地控制中心，了解溫室群的相關情況。在視頻監控網絡中，帶有無線傳輸功能的攝像頭將采集到的實時視頻數據通過星形的WIFI網絡傳輸至多協議網關，再由網關上傳至本地控制主機，實現視頻監控功能。遠程主機同樣可以通過網絡訪問獲得實時視頻數據。

　　監控軟件是監控中心的核心組成部分，可實現如下功能：

　　1、界面友好，操作方便;

　　2、實現對相關環境檢測數據的存儲;

　　3、實現對相關環境檢測數據的歷史查詢;

　　4、實時顯示檢測參數的曲線圖;

　　5、實現Internet遠程查看、傳遞數據及顯示檢測參數;

　　6、對采集的數據進行專家分析，并根據分析判斷結果發送控制命令。

　　農業環境調控設備網：該網主要實現監控中心根據數據分析的結果對設備進行智能控制，其主要由調節土壤含水量、空氣濕度、光照度、CO2濃度、土壤養分的相關設備組成，如自動灌溉裝置、水簾裝置、通風機、光簾裝置、自動加肥器等。

　　該系統網絡結構示意圖如下：

　　1、傳感器節點在采集傳感器數據的同時通過無線或者有線的通信網絡將數據傳輸到物聯網網關。

　　2、物聯網網關可根據實際情況選擇有線或者無線的方式連接監控中心，監控中心將匯總數據進行處理.

　　3、監控中心將根據處理信息傳輸給interent網或者根據需要控制調控設備。

三、系統功能

　　該系統主要實現的是對農業的智能感知和控制功能，其主要功能就是通過傳感網絡采集農業信息數據并對采集到的數據進行分析處理，根據處理后的結果由系統的智能控制器對其調控設備進行智能控制，該系統除主要功能外還需具備演示功能，以滿足農業示范中特殊環境的演示以滿足該項目的示范演示作用。

1、智能控制功能

農業控制系統框架圖

　　(1)溫度控制模塊

　　降溫功能：夏季采用自然和強制通風降溫的方式進行降溫。由控制器根據目標溫度與實際室溫的偏差以及室溫的變化率進行模糊計算。首先開啟頂開窗系統進行自然通風調整溫室內的溫度，經過時間判斷后，如果溫度值還不能降低，再開啟側窗系統。如自然通風不能降低溫室內的溫度值，則由電腦關閉自然通風，采用強制通風的方式來控制室內溫度。如果溫度還下不來，則開啟濕簾水泵，如溫度還降不下來，則計算機會開啟溫度過高報警，提示用戶需增加降溫設備。

　　自動升溫功能：冬季采用暖氣加溫的方式，由控制器根據目標溫度與實際室溫的偏差以及室溫的變化率進行模糊計算，通過調節暖氣恒溫閥的開合度來控制室內溫度。

　　溫度控制范圍及精度分別為 20-30℃，±1℃。

　　(2)通風控制模塊

　　由室內傳感器采集室內部的上，中，下三部溫度值來進行模糊計算出室內的溫差值，如果溫差值過大，則自動開啟循環風機。同時采集室內的濕度值，如果濕度值偏差過大，也自動開啟循環風機，以平衡室內的濕度偏差值。還可以根據二氧化碳濃度選擇開啟或者關閉循環風機。

　　新風換氣機可由電腦操作人員通過控制進行人工操作，也可以進行定時通風來達到通風換氣的目的。

　　(3)光照控制模塊

　　遮光控制功能：在光照較高時，計算機通過室外氣象站系統采集的高靈敏度光照值，與計算機設定的控制目標進行對比，如高于計算機設定目標值，則自動展開外拉幕，進行遮光。如低于計算機設定目標值，則自動收攏外拉幕。也可以由控制器定時進行遮陽，或者由工作人員通過控制器操作。

　　補光控制功能：計算機通過室內數據采集器傳回來的高靈敏度的光照值，與設定目標值進行對比，如高于設定目標值，則自動關閉補光燈。如低于設定目標值，則自動打開補光燈。同時，內部有一個光照累積時間的設置值，如累積時間不夠的話，則補光燈會在選定時間打開補光燈，進行補光。可通過 30組定時器，來設置不同時間，開啟補光燈，開多長時間。

　　(4)水分控制模塊

　　自動控制：計算機內部有一套根據土壤濕度傳感器采集的值，與設定目標值進行對比，如高于設定目標值，則自動關閉灌溉閥門。如低于設定目標值，則自動打開灌溉閥門。

　　定時控制：輪灌方式，可設定在某個時間段，進行灌溉的方式，可每個小時，灌溉一次，同時也可設定灌溉的次數。有效的保護了水泵，同時也使土壤更好的吸收水分。

　　(5)濕度控制模塊

　　自動控制：計算機內部有一套根據室內濕度傳感器的值，與設定目標值進行對比，如高于設定目標值，則自動關閉噴霧閥門。如低于設定目標值，則自動打開噴霧閥門，將其濕度調整到佳狀態。

　　定時控制：輪灌方式，可設定在某個時間段，進行噴灌的方式，可每個小時噴灌一次，同時也可設定噴灌的次數。有效的保護了水泵，同時也使土壤更好的吸收水分。

　　(6)視頻監控模塊

　　該功能模塊可用于探測農作物的生長情況，病蟲害情況，并可以監管其他環境調控設備是否在正常執行命令等。

　　(7)其他控制模塊

　　該系統設計了多個節點，以便隨時可以添加所需的傳感器和調控設備，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和穩定判斷時間和動作穩定時間，以保證設備不頻繁進行開啟關閉動作。更好的保護設備。

2、演示功能

　　演示設備包括降水演示、自然風演示、光強度演示等;

　　降水演示：由噴灌設備完成，在實驗區配置帶支架的噴嘴，模擬降雨，提供道面狀況監測儀，土壤水分自動監測儀、雨量計、濕度傳感器的演示;

　　自然風演示：配備小型高度可調移動設備架和小型鼓風機，模擬不同大小、方向的自然風;

　　光強度演示：利用小型高度可調移動設備架加遮光簾完成光照強度大小調節，供光照強度傳感設備的演示。

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