花卉智能大棚物联网应用方案.docx

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花卉智能大棚物联网应用方案

花卉基地大棚

物联网应用方案

二零一一年一月

一、项目概况

本方案适用于通过物联网平台，建立一套应用于花卉种植基地区域内大棚的自动化与信息化的解决方案。

研究农作物生长调节的目的，就是要提高单位面积的产量。

而要提高单位面积的产量，就必须提高光合作用的效率。

影响光合作用效率的外界条件主要有以下几点：

●光照：

光合作用是一个光生物化学反应，所以光合作用的效率随着光照强度的增加而加快。

在一定范围内几乎是呈正相关。

但超过一定范围之后，光合作用效率的增加转慢；当达到某一光照强度时，光合作用效率就不再增加，这种现象称为光饱和现象。

●二氧化碳

陆生植物光合作用所需要的碳源，主要是空气中的二氧化碳，二氧化碳主要是通过叶片气孔进入叶子。

大气中的二氧化碳含量，如以容积表示，仅为0.03%，对植物的光合作用来说是比较低的。

但光合过程中需要相当多的二氧化碳，二氧化碳是光合作用的原料，对光合作用的效率影响很大。

如果空气中的二氧化碳浓度降低，光合速率会急剧减慢。

●温度

光合作用过程是由酶所催化的化学反应，而温度直接影响酶的活性，因此，温度对光合作用的影响也很大。

除了少数的例子以外，一般植物可在10~35℃下正常地进行光合作用，其中25~30℃最适宜。

●矿质元素

矿质元素直接或间接影响光合作用。

矿物元素是合成叶绿素生物合成所必需的物质，缺乏时便影响碳水化合物的转变和运输，这样也就间接影响了光合作用；同时，矿物元素也参与光合作用中间产物的转变和能量传递，所以对光合作用影响很大。

●水分

水分是光合作用原料之一，缺乏时可使光合速率下降。

叶子要在含水量较高的条件下才能生存，具体来说，缺水使气孔关闭，影响二氧化碳进入叶内，使光合速率下降。

因此，采用基于自动控制、智能传感等技术手段的智能温室系统可以便捷地对温室中的单项环境因子进行控制，可以大幅提升温室作物的产量和品质，并且可以调节作物生长周期，满足反季节作物的生产需求。

智能温室控制主要是根据外界环境的温度、湿度、二氧化碳含量、光照以及风速、风向、雨量等气候因素，来控制温室内的温度、湿度、通风、光照，创造出适合作物生长的最佳环境，同时还需对影响作物生长的各种矿物元素进行动态的配方管理。

在这种控制中，温度、湿度、二氧化碳含量、光照等被控量之间存在着强烈的相互关系，某个被控量的改变，会影响到其他被控量的变化。

针对智能温室的特点，智能温室控制系统应是一种具有良好控制精度、较好的动态品质和良好稳定性的系统。

对植物生长不同阶段的需求制定出监测的标准，对温室环境监测，将测得的参数进行比较后进行调整和统计，探索一条花卉生产的标准化路线。

根据种植基地的现场情况以及与使用方充分沟通之后，本方案将实现以下四个功能：

●信息采集信：

包括棚内温度、湿度、光照信息采集与区域内气象参数的采集等；

●信息传输与处理部分，主要功能是将采集的信息转换成计算机可识别的标准量信息进行处理，输出决策的指令；

●执行器部分，控制移动喷淋系统、遮光帘卷扬系统及温棚的开关卷扬等系统，使植物的生长实现工厂化的生产控制过程。

●无线网络接入部分，主要功能是通过移动GPRS网络，使用移动终端对现场环

境参数，设备运行状态进行访问。

二、方案设计简述及产品定位

结合近年新技术的广泛使用，我们设想将整个控制、监视、信息的传输作为一个整体过程，除了符合工艺划分要求，还要结合总线技术的技术特性、动力配电等因素，做出合理的控制配置。

2.1设计依据

●锦苑花卉大棚相关控制要求

●智能温室种植工艺要求

2.2设计相关标准

本设计方案严格执行控制系统设计相关的国家标准。

部分相关标准和规范目录如下：

中华人民共和国国家标准

●GB/T4064-1983电气设备安全设计导则

●GB/T14050-1993系统接地的型式及安全技术要求

●GB/T5226.1-1996工业机械电气设备第1部分：

通用技术条件

●JB/T10297-2001温室加热系统设计规范

2.3设计原则

在本系统技术方案的设计中，着重考虑到系统的先进性、可靠性、可操作性、可维护性、扩展性、安全性、经济性。

对软件系统进行改动，优化，升级；以及硬件系统扩容的同时，设备能够保持正常运行；该系统的运行状态在自动，手动，闭锁之间切换的时候应该做到无缝切换；软件系统要求上手容易，有足够的冗余量以便将来的扩容，开发运行功能同时具备；

●先进性

●可靠性

●可维护性

●可操作性

●扩展性

●安全性

●经济性

三、系统构成及实现方式

本系统方案以感知层、传输层、应用层三层网络为主线，分布式I/O为集成架构，全集成自动化为目标，并利用无线移动通信技术,通过无线移动终端设备访问传感器设备同时回写指令改变参数控制传感器，在充分理解花卉智能温棚生产工艺和用户实际需求的基础上构建管控网络系统。

3.1系统结构图

3.2系统描述

大棚自动控制系统由气象参数采集站，室内环境参数传感器，执行器，分布式控制系统，集中监控中心，无线网络接入设备组成。

●气象参数采集站：

用于采集室外环境参数（室外温度、室外湿度、室外光照辐射、风速、风向、雨雪信号等）

●环境传感器：

室内多点温度、室内多点湿度、室内光照强度。

●执行器：

内遮光帘，移动喷淋机，开关棚系统。

●分布式控制器：

由处理器，通讯模块，输入输出模块，电源模块组成，是整个控制系统的核心部分。

●集中监控中心：

对温室的环境数据、设备的运行状态进行图形化显示、记录并自动生成数据报表和曲线图。

3.3控制策略

设备控制层是与设备直接联系，通过控制器和智能仪表对各工艺段、单机设备进行过程控制，完成设备具体的控制要求和联动关系，以此满足生产的工艺要求。

3.3.1控制功能

●自动控制：

控制系统在自动方式下，按照权限进行集中或现场操作，实现对各执行机构的自动控制；同时，采集相关设备的温度、湿度状态、电机状态等过程工艺参数和设备状态，按设定算法调节控制变量最终满足各工艺参数的要求。

其动作次序按照生产工艺确定，减小设备同时起动对电网的冲击。

●单机控制：

控制系统提供单机操作功能，实现人工对各执行机构的电机进行启动/停止操作以及主机设备所必需的维护、测试等操作。

3.3.2控制系统

系统包括温度控制，湿度控制，照度控制，等子系统：

1.温度控制子系统：

当温度高于设定值时，控制器启动开关棚卷扬，开启通风帘，引入室外空气，排出热空气，室温温度降低，达到设定值；当温度低于设定值时，控制器同时启动开关棚卷扬，关闭大棚通风帘。

2.湿度控制子系统：

当湿度高于设定值时，控制器开启通风帘，引入室外空气，排出湿气，室温湿度降低，达到设定值；当湿度低于设定值时，控制器启动移动喷淋机同时关闭大棚通风帘，使温室湿度上升，达到设定值。

3.喷淋自动控制子系统：

控制器根据设定程序启动/停止移动喷淋机，对大棚进行例行灌溉或者在发生病害时喷洒药液，同时以棚内实时图像为依据，确保无喷淋死角。

同时也可以使用单机模式，对棚内某个区域进行喷淋。

4.照度控制子系统：

当照度高于设定值时，控制器启动遮光帘卷扬系统，打开遮光帘，增加室内照度，达到设定值；当照度低于设定值时，控制器启动遮光帘圈养系统，关闭遮光帘，减少室内照度，达到设定值。

5.水肥控制子系统

水肥控制子系统为顺序控制，即按照设定好的程序启动变频器，驱动水泵输送肥水或者清水，这是一套相对独立的系统，这里暂不做详细说明。

3.4无线终端应用

该部分的应用分为短信应用和终端C/S程序应用以及移动应用服务器的数据应用。

无线终端应用是基于温室计算机控制系统而实现的，是智能温室控制系统的延伸和扩展。

3.4.1短信应用

●短信查询

系统支持利用手机通过短信网关发送相应的查询指令进行实时查询当前传感器的各个参数，并返回参数数值到手机；

例如：

在手机终端编辑“wdcx”发送至“106573488540”进行温度查询。

其中，“wdcx”是控制信号，“106573488540”是SP通道号码。

●短信控制

系统支持利用手机通过短信网关可以发送相应的控制指令进行实时的更改传感器设备的参数数值以达到远程控制传感器的目的，并返回更改成功的提示信息。

例如：

在手机终端编辑“jsp#0”发送至“106573488540”进行停止加湿器。

其中，“jsp#0”是控制信号，“106573488540”是SP通道号码。

●故障反馈短信

另外系统若有故障发生，将以短信方式实时返回故障参数数值到手机。

3.4.2终端C/S程序应用

利用无线智能终端（WindowsMobile6.0以上操作系统）通过MAS机进行操作实时查询、控制传感器，同时并回传响应参数到无线智能终端。

通过无线智能终端能够实时的查询温度、湿度、二氧化碳浓度，照度以及水肥灌溉的传感器参数值。

同时可以主动设置新的传感器参数值并会回写到控制系统，从而改变各个传感器设备的参数数值。

以温度控制为例说明：

●参数查询

点击“获取”按钮，该指令通过MAS机传到监控系统，并提取当前温度数值后回传并显示到文本框中。

主界面温度控制页面

●参数控制

点击“恢复默认”按钮，系统将把大棚的温度重置到预先设定的默认温度数值——25°（该温度根据实际设定）。

设置温度功能提供从下拉框选中温度，完后点击“确认设置”。

从而达到远程改变大棚温度的目的。

3.4.3移动应用服务器的数据应用

移动应用服务器负责从网络中接收监测检的数据，同时接收用户的无线终端用户的访问。

另外，在SP通道的帮助下，可以接收用户的短信请求，并把用户需要的信息通过短信的方式发送的用户手中，其具体功能如下：

●接收所有的监测节点数据

通过摄像头实时监控各个监测点，若监测点的数据发生发生变化，则按不同的传感器设备产生记录，记录包括传感器名称，时间点，原始数据值以及更改后数据值。

●历史记录查阅（图形方式）

以图形方式实时的展示传感器设备的历史记录情况。

●网络拓扑显示

利用网络拓扑图实时模拟显示各个传感器设备的运行状态。

●用户短信响应

接受用户的短信，并将其作相应的监测记录后，将短信的查询或者控制指令传递给控制系统。