148团温室大棚监控方案.docx
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148团温室大棚监控方案
148团温室大棚高效节能自动化监控系统
技
术
方
案
上海远恒信息技术有限公司
2016年5月16日
148团温室大棚高效节能自动化监控系统
1项目设计
1.1总体设计
本项目旨在建设高效节能温室大棚7座，同时建立大棚管理中心1套，建设温室大棚自动化灌溉系统、棚内空气温度检测系统、精准施肥及过滤系统、布设安装棚内灌溉管网、棚内环境数据采集（二氧化碳浓度、光照度、空气温湿度、土壤温湿度）、作物长势高清晰视频监测、自动化灌溉及卷帘自动化控制、布设安装棚内灌溉管网；建设棚区首部测控系统，系统建设完成后，各生产环节过程数据及视频信息会传送到控制中心，并进行图文数据和视频展示，系统为用户提供了集中监视功能，温室的栽培环境参数，各温室大棚的生产管理状况一目了然，进行统一管理、统一操作。
利用环境数据与作物信息，用户可以进行正确的栽培管理，以求达到作物的最佳生长条件，实现最优化管理，收到最优的经济效果，实现温室大棚控制过程自动化与信息系统自动化。
自动化项目的建设可帮助技术人员和生产管理者迅速准确地查找出生产中存在的问题，摸索新的栽培技术和生产管理方式。
系统为用户提供了高可靠性、远程监测控制功能，可使管理者和农业专家能够在管理中心同时监控和指导7个大棚，大大提高了工作效率，使设施农业真正实现高效的数字化科学管理。
温室大棚水源为管网供水，为保证灌溉有序高效，通过自动化系统对全区域灌溉进行轮灌控制。
也可根据环境采集系统控制卷帘设备，以空气温湿度、光照度为依据，自动开启或停止卷帘机。
1.1.1通讯设计
整个系统采用自建专网通讯：
1、从监控中心至7个温室大棚的测控终端设备，由于大棚内安装高清摄像机，对网络带宽要求比较高，另环境数据传感器比较多，数据量较大，所以架设光缆组建专网通讯，解决网络带宽带来的瓶颈问题。
1.1.2供电设计
电力供应有电网供电、太阳能供电等方式。
每个大棚市电和三相电均已接入，若采用其他方式供电，重复投资造成浪费，故本次项目首部测控设备采用电网直接供电；
1.1.3系统组成
系统逻辑结构分为远程管理中心、现地操作站、传感执行机构三个层次，它们之间通过通讯网络相互连接成为一个有机的整体。
第一层为远程管理中心。
它是整个系统的最高层也是系统通讯中枢、数据存储中心和运行操作调度中心。
远程管理中心通过专网监控各个温室大棚的自动化运行情况、棚内环境信息、土壤墒情、视频监控等信息。
第二层为现地操作站。
是用户操作控制系统的主要途径。
管理人员在巡检过程中可通过现地操作站或手持终端就近直接启停设备，它的实用性和便利性是用户评价整个系统优劣的重要依据。
第三层为传感执行机构。
该层次处于控制系统的最底层，这部分设备数量最多且分散。
由于直接与灌溉水接触，受灌溉系统水压变化及日照、潮湿及职工操作素质等直接影响，这部分设备的故障概率也是整个自动化系统中最高的，保证整个控制系统可靠运行的关键就在于这些传感和执行机构能否可靠运行。
各层次之间相对独立又互相关联，同一层次内的不同点之间相关数据可以相互协调，高层系统的故障不会造成下层系统的瘫痪，控制管理中心的故障不会造成整个系统无法运行。
系统在逻辑上采用集中管理分散控制的结构，高层下达的是目标性指令（如流量指标）而不是具体操作指令（如阀门开启），下层上报的是结果性数据和过程数据，而具体的操作过程由本级控制器根据上级目标指令自行完成和验证。
这种逻辑结构保证了系统最大的安全性，下级局部的故障不影响其它部分，上级的故障不影响下级现有的运行状态只是没有上级新的指令本级将按原来的指令继续运行。
根据系统组织结构划分：
1、控制中心，2、灌溉控制器、环境控制器、环境数据采集终端，3、电动设备，4、各种类传感器。
1.2设计原则
1、先进性：
可以保证系统硬件、系统软件、控制及监测系统应用软件的技术先进性，系统运行时的高度自动化，技术先进。
2、安全性：
能够保证系统运行时的高可靠性，达到系统电源、信号接口的安全保护，关键部位出错时的快速切换。
可以尽量避免硬件设备被雷电破坏，达到计算机网络安全认证，防止非法访问。
3、扩充性：
系统设备的选型和网络的结构可以满足网络扩充的需要和未来应用软件开发的需求。
4、一致性：
硬件和软件的选型可以符合将来系统的管理和维护，提供统一的人机接口界面。
5、完整性：
系统结构、硬件设备和软件开发符合整个系统的要求。
6、可靠性：
不因其本身的局部故障影响现场设备的正常运行，而且系统的可用性指标均达到国家水电、水利行业的规定。
7、开放性：
系统预制有通信接口，可实现与其它自动化控制系统根据需要实现信息共享，同时可以与上级部门连接实现信息传递汇报。
8、可操作性，在建成之后易于维护人员管理。
1.3设计依据与规范
（1）《节水灌溉工程技术规范》GB/T50363-2006
（2）《微灌工程技术规范》SL103-95
（3）《灌溉与排水工程设计规范》GB50288-99
（4）《工程建设标准强制性条文》（水利工程部分）
（5）《水利水电工程施工组织设计规范》SL303—2004
（6）《水利水电工程施工质量检验与评定规程》SL176—2007
（7）《水利水电建设工程验收规程》SL223—2008
（8）《环境影响评价技术原则水利水电工程》HJ/T88-2003
（9）《开发建设项目水土保持方案技术规范》GB50433-2008
（10）《水土保持综合治理规划通则》GB/T15772-1995
（11）《水利水电工程水情自动测报系统设计规定》（DL/T5051-1996）
（12）《水文测报装置遥测水位计》GB11830-89
（13）《工业企业通信设计技术规定》GBJ42-81
1.4系统布置图
1.5建设内容
大棚管理中心1套，建设7个温室大棚包括棚内环境数据采集（二氧化碳浓度、光照度、空气温湿度、土壤温湿度）、作物长势高清晰视频监测、自动化灌溉及卷帘自动化控制、布设安装棚内灌溉管网；
1.5.1管理中心
1、中央监控站2、棚区视频监视系统
3、数据通讯系统4、棚区自动化管理信息系统
1.5.2七座温室大棚测控系统
1、棚内空气温湿度监测子系统2、棚内光照度监测子系统
3、土壤温湿度监测子系统4、棚内二氧化碳浓度监测子系统
5、灌溉阀门控制子系统6、精准施肥及过滤系统
7、棚内作物长势高清视频监控子系统8、布设安装棚内灌溉管网
1.5.3棚区首部测控系统
1、流量、压力监测子系统2、自动反冲洗过滤器
3、水泵控制子系统
1.6系统配置
1.6.1控制中心
设备组成：
●中央监控站1套（计算机、网络硬盘录像机、管理软件、数据通讯终端）
功能说明
●以友好的人机界面显示所有运行参数。
●制定、调整灌溉控制器的灌溉计划。
●
向各个灌溉控制器下发计划
指令。
●接收土壤温湿度传感器反馈
的数据、并加以存储分析。
●接收空气温湿度传感器反馈
的数据、并加以存储分析。
●接收室内外光照度传感器反
馈的数据、并加以存储分析。
●可向管理人员发送管理短信，包括故障报警、操作提醒等。
●实时监控作物长势视频，作物长势不用亲临田间，也能及时掌握生长情况。
1.6.2七座温室大棚测控系统
（1）视频监视系统
设备组成：
●高清云台摄像机7套
设备性能：
它是基于标准的H.264MainProfile@Level4.1算法的百万像素网络摄像机。
它采用百万像素的逐行扫描图像传感器和高分辨力的自动变焦镜头，720P的清晰度可以达到720TVL以上。
夜视距离：
100米
光源模式：
自动同步可变焦红外灯
IP等级：
IP66
适用场合：
室内、室外
左右旋转范围：
360°连续旋转
左右速度：
0.1°～200°/秒
上下旋转范围：
0°～90°
上下速度：
0.1°～130°/秒
轨迹：
2条线扫轨迹,4条巡视轨2迹，每条最多可设16个预置点
工作温度：
-20°C～+50°C
功能说明
高强度双层铝合金外罩,具有隔热功能；
内置可变焦红外灯,可调红外灯或激光灯；
彻底解决黑夜无照明条件快速捕捉目标；
1组可编程线扫轨迹及1组自动线扫轨迹，水平最大速度达200°/秒；
内置浪涌及雷击保护装置；
内置温控系统，可使球机在恒定温度范围工作，提高了产品可靠性及使用寿命；
支持双码流编码，低码率高画质；
支持彩转黑，日夜型双ICR滤光片切换；
支持IE直接浏览；
（2）自动化灌溉控制系统
设备组成：
●RTU大棚测控终端（含PLC、控制软件）。
●
控制电磁阀1套。
功能说明
●每温室设置一套自动化滴灌系统。
●可自动启闭电磁阀进行灌水。
（3）棚内环境监控系统
设备组成：
●RTU大棚测控终端（含PLC、控制软件）。
●室内空气温度传感器、光照度传感器、土壤温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器。
功能说明
●监测室内环境数据值。
●以棚内空气温湿度、光照度上下限值，自动启闭卷帘机，可主动发送报警短信给管理员。
（4）棚内精准施肥机过滤系统
设备组成：
●自动比例施肥泵、碟片式过滤器
功能说明
●根据设定比例，自动按比例均匀施肥，达到精准施肥的目的。
●通过碟片式过滤器，保证每个灌区水质，防止赌阀、堵管等现象发生。
1.7传感器及执行设备
1.7.1土壤温湿度传感器
设备组成：
※土壤温湿度传感器14套。
设备规格：
测量参数
※量程：
0～100%
※单位：
%（m3/m3）
※输出信号：
0～2V（电压型）4～20mA（电流型）
※测量精度：
±3%
※互换精度：
<3%
※复测误差：
<2%
※参数类型：
土壤容积含水率
※测量原理：
频域（FDR）
硬件参数
※工作电压：
5～24V，（对于电流型，工作电压应不低于12V）
※静态电流：
<30mA
※工作频率：
100MHZ，50MHz
※响应时间：
＜1秒
※测量稳定时间：
2秒
※工作温度范围：
-30℃～70℃，（测量<0℃结冰冻土层时，水分数值会偏低，需要用户实际测量补偿）
※测量区域：
95%的影响在以中央探针为中心，直径为7cm、高为7cm的圆柱体内
物理参数
※探针长度：
7cm
※探针直径：
3mm
※探针材料：
304不锈钢
※密封材料：
环氧树脂（黑色阻燃）
※电缆长度：
标配2米（三芯屏蔽线）
功能说明：
※采用绿色阻燃环氧树脂固化，完全防水，可承受较强的外力冲击；
※表面采用抛光处理，侧边有凹凸结构，便于手持，美观耐用，采用抗静电珍珠棉包装，运输存储更安全；
※钢针采用优质材料，可经受长期电解，可经受土壤中的酸碱腐蚀；
※测量精度高，性能可靠，受土壤含盐量影响较小，可适应各种土质。
※具备电源线、地线、信号线三向保护功能，可防护因反接、错接等造成的损毁。
适用范围：
※适用于科学试验、节水灌溉、温室大棚、花卉蔬菜、草地牧场、土壤速测、植物培养、污水处理及各种颗粒物含水量的测量。
1.7.2灌溉电磁阀门
设备组成：
●电磁阀7套。
设备性能：
技术参数TechnicalParameter
产品型号ModelNO
工作压力Working-pressure0.2--0.8MPa
环境温度AmbientTemperature-15~55
相对湿度RelativeHumidity<85%
使用介质WorkingMedium清洁空气CleanAir
电压VoltageAC220VDC24V
膜片寿命DiaphragmLife喷吹100万次以上OverOneMillioncycles
公称通径OrificeØ25
连接螺纹ConnectionPortG1"
功能说明
●接受灌溉控制器控制指令。
●自动启闭电磁阀进行灌水。
1.7.3超声波流量计
设备组成：
●超声波流量计1套。
设备性能：
温度等级：
T30
水压等级：
MAP10
安装：
水平U5D3
最大允许误差:
a）低区（Q1≤Q＜Q2）最大允许误差为±5%
b）高区（Q2≤Q≤Q4）最大允许误差为±2%
1.大叶轮、低转速设计，超越了常规WS水表只能用于中小流量的限制，使之可作为主导产品大范围使用；
2.顶尖滚珠支承设计，使水表的灵敏度极大提升，一张名片可以扇动每一个水表；
3.转换磨损点技术，让自由滚动的滚珠不断转换磨损点，顶尖没有尺度上的磨损，计量寿命极大提升；
4.表壳回流腔设计，使压力损失进入水平螺翼式水表的范畴；
5.内置不锈钢滤网，５道关卡防砂，使水表基本免维护。
功能说明
●统一计量整个系统的用水量。
1.7.4棚内温湿度
设备组成：
●室内空气温湿度传感器7套。
设备性能：
空气温度测量范围：
-10~60℃
空气温度测量精度：
±0.5℃（高精度型：
±0.3℃）
空气温度分辨率：
0.1℃
空气温度重复性：
±0.2℃
空气温度漂移：
＜±0.1℃/年
空气湿度测量范围：
0~100RH%
空气湿度测量精度：
±3RH%（高精度型：
±2RH%）
空气湿度分辨率：
0.1%RH
空气湿度重复性：
±1%RH
空气湿度漂移：
＜±0.5%RH/年
测量稳定时间：
2秒
响应时间：
＜0.5秒
产品免标定互换
供电电压：
DC12V
最大功耗：
150mW
传感器免标定互换
测量方式：
数字通信
传输距离：
100米（400pF分布电容信号电缆+信号中继）；
15米（温室信号电缆+不加信号中继）
传感器出厂前经过三防处理，确保大棚高温高湿特殊环境下长期使用。
安装方式：
壁挂式
产品尺寸：
110*85*40（单位：
mm）
功能说明
●监测室内空气温度、湿度。
●向环境控制器发送空气温湿度信息。
1.7.5棚内光照度
设备组成：
●室内光照度传感器7套
设备性能：
1个单位的照度大约为1个烛光在1米距离的光亮度;
夏日晴天强光下照度为10万Lux（3～30万Lux）；
阴天光照度为1万Lux；
日出、日落光照强度为300～400Lux；
室内日光灯照度为30～50Lux；
夜里0.3～0.03Lux（明亮月光下）；
0.003～0.0007Lux（阴暗的夜晚）
输出形式：
电流型：
4---20mA
电压型：
0---5V
测量范围：
0～200000Lux
主要技术参数:
供电电压：
5VDC～18VDC
感光体：
传感器；
波长测量范围：
380nm～730nm；
测量精度：
±5%
温度特性：
±0.5%/℃；
使用环境：
0℃～70℃、0%RH～70%RH
大气压力：
80～110kPa
功能说明
●监测室内光照度。
●向环境控制器发送光照度信息。
●棚内二氧化碳监测系统
1.7.6二氧化碳传感器
1、设备组成：
二氧化碳传感器7套
设备性能：
1、采用红外传感器，NDIR测量原理，
5年以上使用寿命；
2、量程：
0~2000ppm；
3、测量精度：
<±3%F.S.；
4、壳体材料：
铝合金隔爆外壳；
5、外型尺寸：
180×130×80，整机重量：
1.8kg；
6、隔爆等级：
ExdIICT6；
7、防护等级：
IP66；
8、工作环境温度：
-20～50°C；
9、工作环境湿度:
10～95%RH非凝露；
10、模拟信号输出:
4～20mA线性输出；数字信号输出：
RS485
11、工作电压：
24VDC（12～35VDC）；
2、功能说明
监测室内二氧化碳含量。
1.7.7叠片过滤器
产品特点：
用于深度过滤以便增加过滤效率；
压差式叠片组合体；
极佳的设计；
可捕获和容纳大量的固体颗粒；
完全抗腐蚀；
不同过滤级别：
40-140目。
技术参数：
特征
标准
可选项
EC/pH控制
0.5–20m3/hour（5-90Gallon/min）
按单位度量
流量
定量供料通道
最高3x120l/hour（30Gallon/hour）
98%的酸注入x40l/hour（10G/hour）
系统压力
1–5Bar（14.5–72.5PSI）
1.7.8MixRite比例施肥泵
MixRite的主要优点：
容易安装
无须用电
易调节剂量
密封部件可更换
低水流速情况下工作
易进行现场维修
极高的耐化学腐蚀性能
安装方式：
安装工作相当简单，旁接于主管道即可。
不需要额外动力，溶液管道的内压即能保证它正常工作，旁接的优点还使得混肥泵的工作不会造成主管道上的压力损失。
性能及优点：
混和器顶部自带空气阀，能将管道内的气体自动排放，防止气阻发生。
可选择手动/自动电磁开关，溶液施加完毕后混和器改为通过清水。
水力驱动方式和自润滑结构，不会因磨损和化学腐蚀而导致混和精度下降。
外观为圆柱形，适于各种使用环境，占地面积极小，方便操作维修。
产品用途：
1.灌溉系统施加水溶肥；
2.对微灌系统进行酸洗或氯洗，防止管道、滴头或喷头堵塞；
3.在灌溉系统输入恒定浓度的土壤熏蒸剂，用于土壤消毒进行重茬种植；
4.软水或纯水系统中添加不同要求的化学溶液进行水质调整或淋洗处理等;
产品规格
旁接方式：
3/4"
直联方式：
2",2.5"
技术参数：
设计流量：
3/4"2.5方/小时，2"-15方/小时，2.5"－25方/小时；
工作压力：
0.2-6.0巴；
连接方式：
外螺纹，3/4”－2.5“
液体温度：
小于50摄氏度
最大吸程：
3米。
2软件系统
2.1系统软件平台
人机界面开发平台采用KINGVIEW，系统采用WINDOWSXP操作平台,实现窗口方式下对工艺运行状况监视和操作，利用鼠标和键盘相结合的操作方式，为用户在CRT上进行软手操提供了方便快捷的途径。
每个操作用户登录具有不同的权限：
A仅能监视（不能操作）B操作权C组态权
运行人员操作站除显示所有的参数的当前值或状态外，还可以对系统流程画面等进行显示。
CRT能综合显示字符和图象信息，给出过程变量的实时数据和运行设备的状态。
显示的颜色或图形随过程状态的变化而变化，棒状图和趋势图能显示在任意一个画面的任何一个部位上。
本系统可以显示系统所有的过程点，包括模拟量输入、数字量输入、数字量输出、中间变量和计算值。
对显示的每一个过程点，可以根据用户的要求显示其标签号（TAG）、说明、数值、工程单位、高低限等等有关这个标签的相关信息。
可根据用户要求将设备运行时的操作指导，由CRT的图象和文字显示出来。
根据用户提供的运行要求，至少可以500幅用户画面。
运行人员可通过键盘和鼠标，对画面中的任何被控装置进行软动控制。
画面上的设备正处于自动顺序状态时，模拟图上会反映出运行设备的最新状态及自动程序目前进行到哪一步。
总貌图上显示出主要设备的状态，并实时更新。
画面上可以激活可操作设备，弹出相应进行操作；允许一次击键即能调出用于监视或控制的其他显示画面；如果任何设备出现报警用改变显示颜色或闪烁来提示。
组级显示可观察某一指定设备的所有相关信息，可采用棒状图形式，或采用模拟量控制站面板的画面，并用数字的形式显示出来。
组显示能将一设备的过程参数监视和控制压缩为一幅画面，并且可提供多达200幅以上的组显示画面的能力，组级显示的范围总貌级显示要小，但更加详细。
细节显示可观察以某一但田间系统甚至阀门为基础的所有信息，细节显示画面所包含的每一个设备足够详细的信息，以便运行人员能据此进行正确的操作。
2.2软件主要界面
大范围灌溉管理与控制，不同的控制管理层级能够控制和管理不同范围内的地块。
地理范围一直细化到单一的田间系统直至单个的灌溉状态。
1.主界面
2、设备监控：
对各个大棚运行数据进行实时监控。
3、气象监测：
对项目区进行区域气象信息实时监测，指导灌溉。
4、土壤墒情：
可根据土壤的实时墒情数据与历史数据分析，对灌溉区的农作物进行停灌与补灌。
5、土壤湿度报表与曲线：
湿度日报表，月报表以及年报表保存到监控计算机上，同时建立历史曲线，可根据曲线去掌握典型地点温度变化情况。
6、信息发布：
可将灌溉项目区的信息即时发送给对应管理员与负责人。
7、系统管理：
可进行管理员身份的登入、登出，返回系统的首页与退出系统。
2.3系统功能
2.3.1通用功能
1）显示温室大棚系统管网流程画面，并为关键点设置细节画面，可以图形动画显示各阀门状态；
2）数据采集站通过无线数据传输的模式将信息返回到信息控制中心，共有两种发送方式：
A定时发送：
设备根据事先设定好的时间点或时间间隔，定时将采集到的数据发送出去；
B预警发送：
设定某项参数的上限和下限值，当现场采集到的参数值超过设定的限值时，设备将会自动将当时的采集得到的信息发送出去。
3）完成对系统设备信息查询、统计和查询并自动生成相关报表。
4）允许具有权限的用户（需密码登陆）对所有阀门进行远程操作；
5）具有实时报警功能：
当操作的阀门超时未动作，系统会给出声光报警，并报告设备或编号、位置、发生故障日期、时间及可能的原因等;
6）遥测、遥信、遥控功能：
灌溉自动化控制系统结合现代计算机和自动控制及无线通信技术，采用高可靠性的集成电路实现灌溉指令和数据的传输和控制；
7）实时数据库和历史数据库的生成、事故追忆、过程控制、报表和曲线、人工补录、系统定义及维护、参数设置、环境信息数据分析等功能，由于中心控制站采用了计算机机作为上位管理机，可以进行大量的数据处理，分析和存贮工作，使系统管理能力很强；
2.3.2联动功能
1）以土壤湿度为主参数进行自动灌溉
系统设有土壤湿度传感器对典型点的土壤湿度进行连续的测量，以多点土壤湿度指标为主要依据进行灌溉指导，灌溉量按地块面积比例均匀分配到每个轮灌区，由田间灌溉控制器自动执行灌溉任务。
湿度自适应预报数学模型
2）以预先制定程序为主进行自动灌溉
系统允许操作人员预先设定一段时间（可以是一次也可以是整个灌溉期）的灌溉计划，系统按照该灌溉计划自动进行灌溉，同时根据近期天气情况（和降雨量）对灌溉计划进行修正，最后系统将修正后的灌溉计划传给田间灌溉控制器自动执行灌溉任务。
在自动灌溉过程中系统可根据采集或输入的天气情况自动调整灌溉计划也可随时人为地更改或暂停灌溉计划。
允许以轮灌组或电磁阀为单位进行单独控制。
3）手动遥控功能
允许通过首部控制显示屏或授权的手机直接操作电磁阀进行灌溉控制、泵房运行控制、气象信息读取、湿度信号读取等。
4）手动就地灌溉功能
系统所用的每一个电磁阀都带有手动开关，在电动控制出现问题的时候可以实现就地控制，以确保灌溉不会因自动化系统故障而无法操作。
5）手持式PDA终端
系统允许通过网络，对授权用户开放监控操作，使用手持式PDA终端，连接网络，输入特定的用户名和密码，用户就可以监控系统中的每一个环节，不管走到哪里，只要有网络，随时随地查看涉笔运行等情况，真正方便每个用户。
6）以棚内温度为主参数进行自动控制风机/天窗等启停
系统设有空气温度传感器对棚内温
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