智能化温室大棚技术方案.docx
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智能化温室大棚技术方案
方案设计：
澳大利亚和欣控制东北办事处
日期：
2015年03月
1.国内外温室控制系统的现状
1.1智能化大棚的现状
智能化温室是集农业科技上的高、精、尖技术和计算机自动控制技术于一体的先进的农业生产设施，是现代农业科技向产业转化的物质基础。
它能营造相对独立的作物生长环境，彻底摆脱传统农业对自然环境的依赖性。
目前，计算机控制在温室种植中得到了越来越广泛的应用，并正在成为温室控制的核心。
智能化温室研究是当今兴起的一门横跨生物学、计算机科学、电子科学、机械设计和环境控制等几大学科的综合了多种高新技术的边缘学科。
1.2智能化大棚的监控特点
温室智能监控系统集传感器、自动化控制、通讯、计算等技术与专家系统于一体，通过预装多种作物生长所需的适宜环境参数，搭建温室智能化软硬件平台，实现对温室中温度、湿度、光照、二氧化碳等因子的自动监测和控制
本系统可以模拟基本的生态环境因子，如温度、湿度、光照、CO2浓度等，以适应不同生物
生长繁育的需要，它由智能监控单元组成，按照预设参数，精确的测量温室的气候、土壤参数等，并利用手动、自动两种方式启动或关闭不同的执行结构（遮阳幕、加热器、湿帘水泵及风机、通风系统等），程序所需的数据都是通过各类传感器实时采集的。
该系统的使用，可以为植物提供一个理想的生长环境，并能起到减轻人的劳动强度、提高设备利用率、改善温室气候、减少病虫害、增加作物产量等作用。
本控制系统具有的特点：
1、预测性：
通过对气候参数的分析，可以预测控制设备的运行情况，提高设备的利用率，降低能耗。
2、强大的扩展功能：
通过选用不同的外围设备，可以控制温室环境及灌溉、施肥等。
3、完善的资料处理功能：
通过中央控制软件，可以不问断地记录各种传感器的信息以及各种控制设备的动作记录等。
4、远程监控功能：
即使工作人员不在现场，也可以通过远程监控系统对温室内的设备参数进行监视和控制。
2.系统概述
2.1设计原则
✧系统性能稳定，运行可靠。
✧操作简单，维护方便。
✧整个系统易于扩展。
✧运行经济节能，维护费用低。
✧性能价格比高。
3.温室智能监控系统的建设
3.1系统整体架构
本系统采用上、下位机控制方案，下位机为系统前端控制器，实施对温室大棚环境参数的检测与环境调整机构的控制；上位机为系统远程监控，采用可视化编程语言设计界面友好的环境监测与管理系统，实现对温室的远程监控与管理操作。
采用的澳大利亚和欣（Hysine）能源管理系统，为业主打造高性能、舒适易用、高性价比的监控管理平台。
3.2设计范围
本系统主要针对如下子系统进行控制及监视：
Ø大棚内的温度、湿度
Ø大棚内的光照度
Ø大棚内的二氧化碳浓度
Ø太阳能发电系统
3.3用户需求分析
本项目建筑面积庞大、建筑功能比较复杂，为此配置了大量的机电设备，以保证整个建筑良好农作物生长环境。
而大量机电设备的使用，必将引起管理人员的增加、能耗费用的巨额支出和管理工作的复杂。
因此，对楼宇自动控制系统来说，必须实现以下功能要求：
3.3.1全面监控设备运行的需求
如前所述，本工程的楼宇自动控制系统对开窗系统、拉幕等供电设备实现监控管理。
因此，系统能够根据设定的参数要求、合理控制设备的运行，监视各类设备和系统的运行状态，以保证温室大棚内受系统监控的设备运行正常。
3.3.2节省人力的需求
由于智能化温室控制系统采用集散式的控制管理模式，在投入使用后可以大量减少运行操作人员和设备维护维修人员，并能及时处理设备出现的问题。
在没有智能化温室控制系统的建筑物中，设备的开关、维护及保养都需要人去操作，这样不可避免地要求建筑配置庞大的人员队伍，而采用了自动控制系统的后，用户可方便清晰的获得报警事件并对其进行处理，通过中央监控系统提供所有的报警记录外，还有用户自定义的报警声音提醒、报警自动跳图等功能。
所有报警信息都在记录在数据库中，以备查询或打印报表文件，同时根据条件过滤或权限设定，不同的操作员接受并处理不同的报警记录。
同时本系统还有强大的数据报表功能，能提供多种专业的、标准的设备运行数据报表，可以用选择的方式配置所需要表格的的形式，系统提供预置表格：
报警/事件查询、报警间隔、档案数据、点的属性、点的交叉引用等。
只需要点击相应按钮就可产生相应的报表，并可输出到指定的一台、数台或网络打印机上。
同时也将数据保存到硬盘，并可根据要求传送到其他计算机。
上述工作均由楼宇自动控制系统根据预先设计好的程序自动完成，大批的人力将被减少下来，首先节约了管理上的开支，同时也减少了由于管理众多人员所引起的一系列问题。
3.3.3延长设备使用寿命的需求
通过配置的智能化温室控制系统，设备的运行状态始终处于系统的监视中，楼宇自动控制系统可提供设备运行的完整记录，同时可以定期打印出维护、保养的通知单，这样可以保证维护人员及时进行设备保养，因此可以使设备的运行寿命加长，大大降低了整个温室大棚的运行费用。
3.4温室大棚智能监测系统部分
3.4.1传感器部分
传感器用来对温室内的温度、湿度、光照强度进行实时数据采集。
根据温室作物生长特点和环境要求，选择精度较高、运行稳定，性价比较高的传感器是十分有必要的。
在该项目所采用的传感器类别如下：
✧.土壤湿度传感器
.土壤湿度传感器由不锈钢探针和防头构成，可长期埋设于堤坝内使用对表
层和深层土壤进行墒情的定点监测在线量。
项目中采用土壤水分传感器，该土壤水分传感器的根据土壤介电常数随含水率的变化而特点，采用驻波比原理设计成。
其为
土壤湿度传感器特点：
土探针采用316L特种钢材，耐腐蚀性强；
信号采用差分输出，稳定性好；
测量精度高，相应速极快
受土壤质地影响小，应用区广泛；
土壤湿度传感器性能参数为：
测量参数：
土壤容积含水量；
量程：
0～100%（m3/m3）；
精度：
50％以内误差为1~3%，标定后可达到1%以内；
测量区域：
90%的影响在围绕中央探针直径为3cm、长为6cm圆柱体内；
工作电压：
12VDC/24VDC；
输出信号：
输出电压信号范围为0~2V/0～2.5V，输出电流信号时范围为，输出电流信号时范围为0~20mA/4~20mA。
✧土壤温度传感器
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为10～40oC（土壤热容积较大，温度变化不很明显），安装在温室内土壤中，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。
根据温室的规格、种植作物的不同选择传感器的布设方式。
项目中采用土壤温度传感器，该传感器采用精密铂电阻探头制成，来确测量采用精密铂电阻探头制成，来确测量土壤表层、浅深温度，仪器具有多种信号输出制式可与采集监测系统配套使用
土壤温度传感器特点为：
热响应时间少、减了动态误差；
直径小、长度不受限制；
测量精度高、使用寿命长；
采用进口薄膜电阻元件，性能稳定。
土壤温度传感器性能参数为：
量程：
0~40℃/0~100℃
精度：
0~40℃时精度为±0.5℃，0~100℃时精度为±1.0℃
分辨率：
0.1℃
工作电压7.5~35VDC7.5~35VDC
电流输出：
1~5mA（负载电阻<500<500Ω）4~20mA（负载电阻<150<150Ω）
材料：
防腐、水，全密封不锈钢结构
电缆长度：
标准为2.5m，最长为50m
✧空气温湿度传感器
空气温湿度传感器是根据具有感湿特性的电介质介电常数随相对湿度而变化的特质设计而成，用来检测温室内的环境温湿度，一般有效的温度范围在-40～100oC,有效的湿度范围在0～100%。
项目中采用空气温湿度传感器，其特点与性能参数如下：
空气温湿度传感器特点：
采用不锈钢外壳，具备螺纹接口体积小巧适合与空间内测量使；
前端对流口安装有滤网，可效阻挡污物保护传感器；
采用澳大利亚高精度温湿传感器芯片，测量稳定性好。
空气温湿度传感器性能参数为：
温度范围：
-40~100℃
温度精：
±1℃
测湿范围：
0-100%RH100%RH100%RH
测湿精度：
±1%RH
工作电压：
7.5～35VDC35VDC
输出信号：
0～2.5V或4-20mA
外形尺寸：
110110×90×32mm（Φ16×125mm）
✧光照传感器
光照传感器是用于检测作物生长环境的光照辐射强度，从而决定是否需要采取遮阳或补光操作，调节温室内的光照强度，以满足作物生长对光照的需求。
项目中采用光照传感器，可测定太阳辐射或光照的值，其特点和参数为：
光照传感器特点
传感器采用硅光原理，可测量全部太阳和天空向下的辐射；
传感器接收的信号经过余弦修正，精度更高；
在传感器的电缆上加载了一个阻，使得微安级流转换成毫伏压信号；
光照传感器性能参数
光谱范围：
400-1100nm1100nm
稳定性：
＜±2%变化/超过1年
精度：
自然光照下的绝对误差最大±5%
测定范围：
0-2000W
工作湿度范围：
0-100%
尺寸：
2.4x2.6cm2.4x2.6cm2.4x2.6cm；
重量：
35g
3.4.2执行机构部分
✧通风系统
温室通风系统主要通过通风机将室外新风引入温室。
通风对温室的使用和种植是非常有必要的，它可以有效调控室内气温、湿度和C02浓度，达到满足室内栽培植物正常生长需求的需要，而且通风所需的通风设备投资费用不高，运行管理费用低，不妨碍温室内的生产作业。
温室通风系统只需要控制通风机启停即可实现智能控制，因此是我们这个温室智能监控系统组建的首选。
利用上位机软件对数据采集控制模块下达指令，通过继电器控制通风系统风机的启停，从而实现通风系统的自动化，智能化。
✧拉幕系统
温室拉幕系统主要用于连栋温室的外遮阳和内保温系统中，利用具有一定遮光率的材料将多余的光照进行遮挡，或者利用保温材料使温室内部形成局部的封闭空间，起到调节光照、降温或保温作用。
随着技术进步，拉幕系统中帘幕的材料也由尼龙、无妨布发展到目前的塑料编织幕和缀铝遮阳保温幕。
拉幕系统按照驱动机构的类型可分为齿轮齿条拉幕机构、钢索拉幕机构和链式拉幕机构等，其中在现代温室中最常见的是前两种。
由于齿轮齿条拉幕系统受齿轮齿条长度和安装方式的限制，对于行程大于5m或安装条件受限的场合不适合。
在该系统中我们采用钢索拉幕系统。
钢索拉幕系统组要由减速电机、驱动轴、卷线套筒、驱动钢索、换向轮、幕布驱动边等部件组成。
其原理是驱动轴与减速电机、卷线套筒相连，驱动钢索经过拉幕梁两侧的换向轮两端，固定并缠绕在卷线套筒上。
当减速电机输出轴转动时，驱动轴带动卷线套筒转动，卷线套筒转动带动钢索行走，幕布驱动力与钢索相连。
因而，在减速电机往复转动时，幕布驱动力变可实现往复运动。
当遮阳幕一段固定在梁柱出，另一端固定在与钢索相连的驱动边上时，就可实现这样幕的展开、收拢动作。
利用上位机软件对数据采集控制模块下达指令，通过继电器控制拉幕系统减速电机的正反转，从而实现外遮阳系统和内保温系统开关的自动化，智能化。
✧.温室灌溉系统
温室灌溉系统的功能主要是将灌溉用水从水源提取，经适当加压、净化、过滤等处理后，有输水管道送入田间灌溉设备，最后由温室田间灌溉设备中的灌水器对作物实施灌溉。
一套完整的温室灌溉系统通常包括水源工程、首部枢纽、供水管网、田间灌溉设备、自动控制设备等五部分。
根据田间灌溉设备中灌水的不同，温室灌溉系统主要有管道灌溉系统、滴灌系统、微喷灌系统、渗灌系统等。
考虑到实际情况，本项目中主要采用滴灌系统和微喷灌系统。
低温季节在温室中采用滴灌，能避免其他灌溉方法灌水后室内湿度过大而使作物染病的弊端，因此滴灌通常是温室灌溉系统中的首选。
采用滴灌系统还具有省工、省水、节能、优质、增产等优点，还可以配合施肥设备精确地对作物进行随水追肥和农药等作业。
微喷灌系统喷洒水与空气接触面积达，采用微喷灌能够显著增加温室内湿度、降低温室内温度、调节温室气候，有利于高温干燥季节作物的连续生长。
在温室生产中将滴灌系统和微喷灌结合使用，低温季节采用滴灌系统进行灌溉，高温干燥季节结合微喷灌进行降温加湿、调节温室气候，从而获得更好的收成。
利用上位机软件对数据采集控制模块下达指令，通过继电器控制灌溉系统的喷淋泵和喷淋水阀的开关，从而实现温室内灌溉系统的自动化，智能化。
系统监测、控制画面如下：
3.4.3温室其他执行机构
除了以上的通风系统、拉幕系统、灌溉系统，根据需求我们可给温室配备相关的补光系统（农用钠灯）、采暖系统、太阳能发电系统等，这些也可通过上位机对数据采集控制模块下达指令的方式，控制相应系统开关从而实现各统的自动化、智能化。
3.5温室大棚智能控制系统的网络结构
本工程的自控系统采用集散型控制方式，即现场区域控制，局域网通讯，最后进行集中监视、管理的系统控制方式。
这种控制方式保证每个子系统都能独立控制，同时在人机控制界面上又能做到集中管理，使得整个系统的结构完善、性能可靠。
A.控制站：
本工程自控系统网络结构可分为三级，第一级为控制站，即控制中心，由Hysine7寸触摸屏及控制柜组成，是自控系统的核心，整个大棚内所受监控的机电设备都在这里进行集中管理和显示，它可以直接和通讯网相连。
B.无线网络通讯：
GPRS通讯模块为中央监控及通讯网络的重要装置，能够通过系统内部通讯网络，将分布在大棚各处的控制模块连接，并透过局域网数据通讯网络与其它网络控制器保持紧密联系。
直接与数据通讯网络及其它现场PLC控制器连接。
C.PLC控制器：
自控系统的PLC控制器是用于监视和控制系统中有关机电设备的控制器，它是一个完整的控制器，具备应有的固件及硬件，能完全独立运行，不受到网络或其它控制器故障的影响。
PLC控制器可作为智能控制器独立运行，控制现场设备，监视现场环境，从而成为控制网络的一部分，与其它系统实现智能集成。
PLC控制器内包含了DI、AI、BO、AO等4种接线端子，分别对应监控数字输入、模拟输入、数字输出、模拟输出等4类监控点。
和欣公司配套的PLC产品，其DI、AI两种端子可通用，合称UI。
PLC控制器负责实时采集末端传感器所采集的信号，并上传到人机控制界面。
其中，GPRS通讯模块及PLC控制器构成了本系统的第二级。
D.传感器及执行机构：
系统配备了多种传感器及执行机构，如：
室内温湿度传感器、器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、二氧化碳变送器、室内照度传感器、水管温度传感器、防冻开关等。
它们共同构成了本系统的第三级：
现场传感器及执行机构。
本系统采用最新技术的视窗图形用户界面，形象地监控各机电设备，将采集到的模拟量/数字量等数据在图形相应位置中实时显示运行工况。
同时采用多任务、多用户实时操作系统方式，操作员可在屏幕上观察不同的任务视窗信息，并在视窗之间进行切换。
收集和分析采样数据，系统自动生成图表，包括历史数据、进行数据传输。
人机控制界面可显示整个温室大棚的自动控制系统界面、控制界面、报警界面等，直观显示受控设备的位置，同时自动记录各种参数、状态、报警、并记录其它历史数据等。
一旦报警，显示器立即显示相应的图形界面，系统记录报警时间和报警数据，为保证系统运行的安全性，系统监控软件采用当代最先进且符合业界标准的软件技术，运行在多任务多线程主流的操作系统之上。
具有功能强大的可扩展的人机接口图形界面，能够对设备系统进行完善的集成监控和管理。
采用面向对象的图形界面，操作界面和相关的文档采用简体中文描述。
系统监控软件包含运行该软件所需的操作系统和其他相关软件平台。
4．Hysine系统特点
4.1澳大利亚Hysine自控系统特色
技术先进性/开放性：
Hysine自控系统的结构遵照ANSI/ASHRAE135-1995标准（欧洲CENTechnicalCommittee247），这种标准为非专用的开放的数据通讯协议。
具有互操作性（Interoperability）。
系统屏弃了使用网关接入自控网的做法，而是将系统设计成在它的各层均使用自控网。
系统是一个真正的自控网、并具有完全可编程的高性能系统。
系统的安全性：
完全实现分散控制，PLC控制器独立运行，独立下载程序，控制逻辑实现不依赖于通讯，也不依赖于上位机。
因此，系统通讯中断或上位机瘫痪，完全不影响设备的正常运行。
系统有极高的安全性。
系统带有掉电保护功能，停电后数据永久保存，不会丢失。
系统兼容性：
和欣公司（Hysine）有完整的系列产品支持全部符合标准的系统，而且过去多年来生产的产品均可纳入网络中。
新旧系统完全兼容而不需要改变系统结构。
并且可以兼容任何符合BACnet协议的设备及网络。
也可以轻松集成MODBUS及其他通讯协议的设备。
系统的稳定性：
完全按照工业级标准设计，整个系统通讯自适应波特率，可以保证各种应用环境的正常通讯质量。
在线编程：
可以在线编程，并在网络上传送
软件监控能力：
对所有工作点全面监控
编程语言：
面向用户图形化编程语言，具有在线编程能力。
系统操作权限级别：
10级。
对不同级别的操作人员规定不同的操作性质。
例如低级别的操作者只能浏览系统的工作状态或趋势数据，高级别的操作者可以对系统进行控制或编辑等。
强大的节能控制管理功能：
●能够通过软件编程实现各子系统的自动控制，避免能源的浪费。
●警报程序-提供实时警报讯息、警报记录并自动拨号通知重要人员。
●历史数据及趋势记录程序—提供对特殊监控点图形及文字趋势记录。
●报表及打印程序—丰富的报表内容提供检视及虚拟系统操作效率。
4.2PLC控制器介绍
现场PLC控制器都是可编程的，因而能够脱离系统对设备进行就地控制，避免了由于系统故障导致设备无法正常运行的严重后果。
现场PLC控制器的点数也是经过对楼宇系统的深入研究和实践后确定的。
Hysine现场控制器：
ECM-301可编程控制器
功能与特点
∙
输入输出特点
10路10位分辨率通用输入，4路数字量输出，3路8位分辨率模拟量输出。
∙互操作性
在MS/TP局域网上与BACnet完全兼容，通讯速度可达76.8kbps
∙多功能
可编程与可独立操作，用于中央设备系统（冷冻站，热力站）空调机组以及其它控制设备。
∙高可靠
4层印制板整体滤波,全部程序数据在FLASH中备份。
∙快速
内部逻辑环周期仅为100毫秒
应用和功能
和欣控制的ECM-301是一个高性能可编程的通用控制器，可用于中央设备系统，空调机组，大型末端设备或其他过程控制设备。
ECM-301是一个自带BACnetMS/TP接口的控制器，因此不需要专用的芯片组就可紧密地集成到BACnet系统。
ECM-301使用标准BACnet协议在一个BACnetMS/TP局域网上进行通讯，通讯速度可达76.8Kbps。
ECM-301可作为独立的控制器使用。
它可以支持和欣的OP-500智能显示操作器，这个智能显示操作器带5’液晶显示屏，能够显示ECM-301现场控制器的数据并能修改其设定值和发送控制命令。
ECM-301使用和欣控制的简单易学的编程语言──Viewlogic。
这个编程语言自带的函数库可以使你完成整个灵活的控制策略。
一个ECM-301可以包括巨大的运算回路，这些控制回路可以控制设备的各个部分或单元。
控制器处理速度高，内部执行时间为100毫秒，可编程计时器分辨率也保持100毫秒。
10位高分辨率的通用输入，通过跳线设定为热敏电阻、干触点、4-20mA、0-10VDC的输入信号。
8位分辨率模拟量输出，通过跳线设定为4-20mA或0-10VDC输出信号。
数字输出带LED显示反映设备开关状态，单独的MS/TP局域网通讯状态指示灯。
技术参数
电源：
24VAC@10VA.电源采用半波整流,这样保证了可以使用同一交流24VAC变压器给多个BCU控制器供电。
24VADC电源和控制器共地。
通用输入：
10路10位分辨率通用输入，输入通道为热敏电阻、数字量、4-20mA或0-10VDC输入。
数字量输出：
4路继电器输出，每个触点负载能力277VAC,2A。
模拟量输出:
3路8位分辨率通用模拟量输出。
通过跳线（AO0---AO2）可以配置输出通道为0-10VDC
0-10VDC输出的最小负载电阻为500ohm。
24VDC输出:
2个接线端子，最大负载能力24VDC，200mA给传感器和其他设备供电。
处理器:
AVRCMOS处理器（带FLASH，EEPROM，RAM）
尺寸:
（180mm）H×（110mm）W×（77mm）D
接线端子:
可插拨接线端子，2.5mm.
环境:
-17-70℃.0-95%RH,不结露。
通讯:
BACnetMS/TP网络,速率可达76.8kbps。
BACnet一致性性:
标准BACnet协议
遵从标准:
EMCGB/T17626
尺寸[mm]
4.3系统软件说明
操作界面是控制系统不可缺少的部分，通过操作界面，操作人员可以进行各项资料的存取和监控。
操作界面为中文，简单易学，不会给操作员在使用时带来困难。
多方面资料的显示：
操作界面有能力在同一时间内以多重窗口方式显示多方面的资料，以便容易对多种不同运行状态进行全面分析。
密码的保护：
多级别的密码将为业主及管理人员提供一个有效的保护工具，管理及限制不同部门人员使用自控系统，同时防止系统被非有关人员使用。
安全：
用户必须通过登陆验证，需要输入用户名和密码正确才能进入系统。
登陆界面如下：
自动控制系统拥有数据库备份功能，可实现完全备份，或增量备份。
可备份网络上的所有操作单元的数据库到一个普通的网络服务器上，从而保证了系统数据的安全性。
控制软件
PLC控制器能进行下列各项控制模式：
●通/断控制
●比例控制
●比例加积分控制
●比例加微积分控制
●控制回路的自动调节
●控制软件对大负荷重型装置提供一个延迟开启的功能，用以防止因电流冲击过大而造成损坏。
节能软件
软件程序能在系统内自动运作而不需要操作人员的介入。
同时软件有足够的灵活性，允许用户根据现场情况而作出相应的修
●最佳启/停功能
●夜间设定点自动调节控制
●焓值切换功能
●温度设定点的重置
报警管理
●显示所有报警监控点的有关详细资料，包括发生的时间及日期。
●根据严重性报警可分为三级，以便更有效及快速处理严重的报警。
用户可以为报警决定严重性的级别。
●报警发生后根据用户的事前安排，自动导向至指定的操作站上，若原来的操作站发生故障，报警自动导向至其它指定的后备装置上。
●在严重性级别最高的报警或特定的报警发生后，这些报警可以通过电话系统自动传到其它地方，包括建筑物以外的有关单位，使报警得到适当及时的处理。
整个传送程序是自动进行的，不需操作员的介入。
报警画面如下：
A.监控点历史记录
系统内所有监控点的历史都自动存放在有关的网络控制器内。
模拟量输入监控点通常每半小时（该时间间隔用户也可自己定义）采集一次，过去24小时的记录随时可以被用户提出来以供分析研究。
至于通/断状态的输出及双位输入信号在过去十次的改变亦记录在网络控制器内，以便随时调作参考之用。
升级会员 