设施蔬菜种植物联网系统.docx
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设施蔬菜种植物联网系统
节能日光温室环境智能监控系统
建
设
方
案
技术支持：
浙江托普云农科技股份有限公司
第一章托普简介及企业资质
公司简介
浙江托普云农科技股份有限公司（原浙江托普仪器有限公司）位于素有“人间天堂”美誉的杭州。
杭州市国家信息化试点城市、电子商务试点城市、电子政务系统试点城市、数字电视试点城市和国家软件产业化基地、集成电路设计产业化基地。
优越的天时地利人和环境助长了托普的飞速发展。
浙江托普云农科技股份有限公司是一家致力于中国农业信息化发展的国家高新技术企业，创新地将物联网、云计算等最新信息技术运用于农业领域，助推我国农业现代化发展。
公司以先进的感知监测产品，前沿的云计算运用，领先的物联网技术及其系统集成为核心，为种植业（大田，联栋温室大棚）、水产养殖、畜牧养殖及食品安全溯源等领域提供标准、个性化的解决方案。
托普云农科技股份有限公司潜心十年，专注于农业领域，立足农业物联网关键技术的研发，通过应用示范，探索农业物联网的产业化应用。
如今我司已在全国各地实施了近百个农业物联网示范基地，拥有（顶层设计-方案制定-实施应用-技术支持）全套服务的丰富经验。
是国内农业物联网领域拥有核心技术和丰满实践经验的先行者，更是我国“智慧农业”建设的倡导者和推动者。
公司目前拥有员工300余名，其中研发技术人员近百人，项目施工及售后50余人。
迄今已荣获国家发明专利2项、国家实用新型专利25项、产品软件着作权30余项、软件产品登记证书13项，拥有大量完全自主知识产权的技术和产品。
目前正在筹建院士工作站和博士后工作站。
与时俱进，开拓创新，托普云农将与您一起携手为中国农业的现代化和信息化不懈努力。
公司资质:
设施栽培物联网智能监控与精准管理关键技术与装备一等奖
中国通信工业协会物联网行业分会常务理事单位
中国通信工业协会物联网行业分会常务理事单位
农业物联网产业技术创新战略联盟理事会理事单位
ISO9001质量管理体系认证
IS18001职业健康管理体系认证
ISO14001环境管理体系认证
国家高新技术企业
AAA信用等级证书
科技型中小型企业
农业环境监测系统火星计划
全国农业技术推广中心副理事单位
全国农业技术推广中心推荐产品
产品荣誉：
全国农业技术推广服务中心合作证明（土壤墒情及农业环境监测）
软件产品登记证书（土壤墒情）
软件产品登记证书（农业坏境监测）
软件着作权登记证书（虫情）
软件着作权登记证书（墒情）
软件着作权登记证书（农业环境监测）
第二章项目建设背景
设施农业是利用现代工程技术和工业化生产方式，为动、植物提供适宜的生长环境，充分发挥土壤、气候和生物潜能，在有限的土地上使用较少的劳动力，以获得较高的产量、品质和经济效益的一种现代高效农业生产方式。
其中设施环境控制依托现代工程技术和生物技术,将植物置于人为调控环境之下，最大程度地满足并协调植物生长对光、热、水、气和营养物质的需要，提高农业生产力，实现绿色生产，保障农业的可持续发展。
近十多年来，加快推进农业信息化，利用现代信息与通信技术推进新的农业科技革命，已经受到世界各国和我国政府与科技界的广泛重视。
2007年中央一号文件以《积极发展现代农业，扎实推进社会主义新农村建设》为主题，标志着我国农业正从传统农业进入现代农业快速发展的新阶段，要求“用现代物质条件装备农业”，“提高机械化和信息化水平”，“提高土地产出率、资源利用率和劳动生产率”，“提高农业素质、效益和竞争力”。
党的十七届三中全会进一步提出要建立“高产、优质、高效、生态、安全的现代农业体系”。
建设现代农业,要大力提升我国农业科技的自主创新能力。
近年来，关于“物联网”概念的出现令人瞩目。
它拓展了互联网应用的发展空间，推进了传感器、Rfid、Zigbee、大数据、云计算等新兴产业技术的发展和应用领域技术的创新研究。
特别是面对后经济危机时代的挑战，各国都在寻求新的经济增长点和着力培育具有新竞争优势的新兴产业。
迄今，“物联网”的应用，“互联网＋”的发展模式等，正如雨后春笋，如早晨朝阳，前景光明，空间广阔。
我国相关核心科学技术的研究居于国际研究发展前列，面临着促进电子信息与通信新兴产业与现代信息服务业发展的极好机遇，面临着促进信息化与行业现代化的融合，转变众多行业的产业发展方式，提升自主创新能力，培育新兴产业和经济增长点，利用信息高新技术改造传统产业的极好机会。
在我国耕地资源日益减少、水资源严重短缺、人口不断膨胀、需求快速增加、环境问题日益突出的大背景下，要保障粮食安全和农业可持续发展，使农业产量及品质与农业投入同步匹配增长，实现农业“高产、高效、优质、生态、安全”的协调发展目标，必须依靠科技进步，大力发展现代农业，努力提高农业生产的技术装备水平，进而大幅度提高农业单产水平、生产效率和资源利用效率，确保我国可持续的农业综合生产能力。
其中物联网技术的深入应用将会成为设施农业发展的主要推动力。
第三章 项目概述
项目介绍
本项目位于甘肃省酒泉市农业科技示范园肃州区银达非耕地设施农业产业园，由甘肃省酒泉市农业科学研究院委托本公司进行示范点建设，并合作研发，解决智能控制系统与节能日光温室的基础设备配套及设施匹配问题，推动设施农业数字化、智能化发展。
为了将现代设施农业种植技术以及最新生物科研技术应用到农业生产，特建设一个集科研、生产、示范为一体的现代设施农业示范园区，选用示范园区的2个节能日光温室为示范点，将现代设施工程和信息工程技术、物联网技术、互联网技术、现代园艺栽培技术成果进行有机结合，指导种植人员进行科学种植、精准种植、高效种植。
最终实现农产品产量与品质以及农户效益的多丰收。
项目建设内容
在甘肃省酒泉市肃州区及敦煌市选择2个示范基地，每个基地选择2座节能日光温室，在每个温室安装空气温湿度、土壤温度、土壤水分、光照强度、二氧化碳等环境监测无线传感器、高清摄像头及温室设施环境控制设备。
监测信息以无线方式进行发送与传输，远程终端的软件系统接收到前端的数据后会自动进行分析与处理，根据作物实时需求，自动对温室环境进行调节控制。
管理人员也可以根据环境信息数据进行手动调节，比如手动控制定时定量浇灌。
注：
项目一期先建设肃州基地、待肃州项目安装调试完毕，系统稳定运行且符合预期效果，再建设敦煌基地。
项目建设要求
A.实现远程数据无线接收与查看（空气温湿度、土壤温度、土壤水分、光照强度、二氧化碳等），设施生产数字化；
B.实现远程视频可查看与存储，生产过程可视化；
C.实现远程设备精准可控（通风、灌水系统、卷帘），设施生产智能化；
D.可实现信息分析与统计；
E.可接入专家系统，生产技术精准化；
F.权限管理，信息在有限范围内共享；
G.手机可查看数据、视频、并可远程控制设备。
第四章智慧农业物联网系统解决方案
方案设计原则
从客户需求情况分析本系统，制订设计原则，以指导我们的方案设计：
A．易用性原则
易用性是指系统使用的方便程度。
由于本系统的使用者比较多：
上到职能主管部门，下到应用企业的工作人员。
使用者的行业知识水平、对农业物联网系统的了解程度都大不相同。
这就要求系统界面需要尽量简洁易懂，使系统使用者能够在短期内接受、了解、熟知并应用农业物联网应用系统。
B.经济实用性原则
系统使用的经济实用性是指系统使用成本经济，并且在使用功能上能够满足实际工作要求。
在系统开发时，需要对系统进行合理规划，确保系统在满足用户的业务要求的同时，以简单、方便、快捷、经济实用为目标，面向具体的工作应用需求。
在系统使用技术上，使用成熟、经济的技术，而不是单纯考虑技术的先进性；在系统数据显示深度上，根据实际需要确定，而不是越深越好，应该注重实用性。
C．稳定性原则
系统稳定性是指系统保持正常运行的能力。
由于系统一旦建立，将嵌入到日常农业生产活动中。
一旦系统出现不稳定的情况，将会对农业生产管理活动造成很大的影响。
因此系统配置的各类硬件设备必须安全、稳定、可靠。
系统应该采用容错性设计，使得系统局部出现问题不会影响到整个系统的使用。
D．安全性原则
系统安全性是指保护系统内重要机密信息不泄露，防御外部恶意攻击的能力。
此系统设计时需要考虑使用多重的安全体系，对于数据的安全和保密应该进行相应的处理，提高系统对于恶意攻击的防护能力，并保证与其它应用系统或异构系统间数据传输的安全可靠和一致性，确保不会有非授权操作和意外的非正常的操作，保证系统数据的安全完整。
E．可扩展升级原则
可扩展升级是指系统在使用过程中、随着实际的需要进行进一步功能扩展或升级的能力。
一是随着系统覆盖面的扩大，参与企业数量增加，系统在信息存储计算能力上的扩展升级；二是随着农业物联网技术要求的发展，此工程可能会承担更多的管理功能，因此在系统功能上需要进一步扩展。
数据量的增加和服务功能的扩展，都需要硬件和系统软件的升级或增加，为了保证用户的原有系统平台在系统升级过程中能够平滑过渡，就要求系统在最初设计时就考虑系统软硬件的可扩展性。
F.先进性原则
采用先进的设计思想，选用先进的软硬件设备，保证项目整体在未来一定时期内的技术领先性。
G.开放性原则
所提供的软硬件提供开放协议。
H.差异化原则
系统硬件选材充分考虑到甘肃西部地区冬季严寒、夏季酷热、昼夜温差大、大风级数高等特点，以及温室内部温度变幅大、湿度大的情况，所选设备都必须具有良好的耐高温高湿以及耐低温性能。
智慧农业方案框架图（温室种植）
肃州温室
敦煌温室
敦煌温室
肃州温室
方案框架图
.方案组成部分
智慧农业物联网系统由以下子系统组成：
A.环境信息采集子系统（气象、土壤）
B.环境信息传输子系统
C.远程视频监控子系统
D.温室设施智能控制子系统
E.本地控制室
F.远程决策控制中心
G.智慧农业手机操控软件
子系统介绍
根据节能日光温室种植要求及以往项目建设经验，500-1000M2的日光温室，布置2套无线环境信息传感器为宜，主要监测指标为：
空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤水分、光照强度及二氧化碳。
高精度无线传感器将定时、自动、全天候监测环境参数，并且将监测到的即时数据无线传输到远端智能接收一体机，接收机里的计算机系统会将传感器传输回来的最新监测数据与预先设定的作物适宜生育环境参数进行比较，如发现传感器监测到的数据偏离预设区间，计算机智能控制系统即发出启动指令，与控制系统相连接的通风装置、卷帘设备、灌溉设备等随即开始工作，对设施环境进行自动调控，直到设施环境数据达到系统预设数据范围，相关设备即停止工作。
也可以设定为手动控制模式，设施管理员根据最新监测数据，根据不同作物不同季节的具体生育指标，人工判断是否需要对设施环境进行干预。
比如，根据设施空气温湿度参数人工判断是否要对大棚进行通风，依据土壤水分参数判断是否需要定时定量浇灌。
拥有设施自动监测与智能控制系统，我们对农作物的冷暖饥渴就能够了然于心，并且会照顾得无微不至，从而有效保障了农作物快速健康的生长，提高了农产品产量与品质，提高了生产经营效益。
托普高精度农业环境传感器全天候监测大棚内的环境信息
示范点节能日光温室环境（地上、土壤）参数都是通过无线传感器采集经由无线中继节点传输至终端接收机的计算机系统，简单、方便、快捷，避免了有限传输的布线困扰。
有了托普农业环境智能调控系统，大棚内蔬菜、瓜果生长茂盛
日光温室设施可远程精准操控
在肃州示范点园区中央安装一个360°远红外全景高清摄像头，可鸟瞰整个示范区全景；同时在肃州及敦煌的每个示范温室内分别安装1个固定式摄像头，图像信息通过无线网桥进行传输。
有了远程视频监控系统，种植管理人员及农业职能部门专家通过电脑和手机就能随时随地查看温室内作物长势、温室电气设施运行状态，并可远程直观诊断作物病虫害情况，同时还可以了解掌握整个种植区的安防情况。
监控设备及实时图片
智能控制系统根据设施环境信息系统的监测、采集数据自动调节温室环境和土壤参数，即测即知，即测即控，实行精准调控，最大限度满足作物生育需求。
肃州、敦煌两个基地各示范点暂设1个智能温室控制器，单个控制器可控制16路开关量输出，基本能满足2-3日光温室的电气设备控制。
托普温室智能控制器
Ａ．温度自动控制系统
节能日光温室的温度调控通过温室通风口的开启闭合和加装必要的加温设备实现。
根据分布在温室内的空气温度传感器自动、连续监测数据，控制系统即时判读是否要对温室气温进行调节。
夏天气温升高，如果系统发现某个温室内空气温度传感器监测数据超出系统预设范围，系统即自动启动通风设备进行降温，直至温室气温监测数值达到预设区间。
同样，北方冬季严寒，如果系统发现设施气温监测数据低于系统预设的报警值，就会提醒短信通知管理人员采取人工干预措施，给温室加温。
B.湿度自动调节系统
节能日光温室的湿度调控通过其上下通风口的开启闭合实现。
分布在温室内的空气湿度传感器，进行自动、定时、全天候监测，控制系统对其数据进行研判，如发现设施内湿度过高，即开启通风口进行通风降湿，直到满足作物生长要求范围。
C.光照强度调节系统
每个日光温室设置2个光照强度传感器，对应于自动补光系统，只要光照传感器监测数据与控制系统预设值发生偏差，系统就会自动启动干预调节，直到满足作物所需（本系统光照调节主要依靠卷帘的时控来实现。
）
D.温室上下放风系统
本示范项目为每个示范温室安装上下通风口，并安装电机进行自动控制，通风设备控制模式分为手动与自动两种模式。
手动模式：
由温室管理人员根据温室内气温、湿度及室外的天气情况综合判断，然后确定通风口的开启与关闭，手动进行适度控制操作。
自动模式：
控制系统根据温室内空气温度和湿度、卷帘的状态参数，对比预设方案来判定通风口的开启与关闭。
如：
卷帘已经完成，温室内地上温度和湿度升高，达到系统预设值时通风口开启。
当温室内温度稳定在预先设定的适合作物生长的温度区间内时通风设备不动作。
一旦温室内气温降到预设值以下，通风口随即开始闭合动作。
E.温室卷帘机控制系统
温室卷帘机控制分为手动与自动控制两种模式。
手动模式：
与原有人工现场操作模式唯一的区别是，本示范项目给每个温室的卷帘配置了4个限位装置，上端和底端分别为两个，当卷帘机卷（放）到限位装置所在位置，立即触发限位开关，自动切断电机供电线路，电机停止，达到限停、安全效果。
卷帘机自动运行模式：
卷帘机自动运行前须检测上下放风设备的状态，只有放风口处于关闭状态下，卷帘机才能开启动作。
卷帘机的自动运行可以在软件系统里关联温室的空气温度、光照强度；亦可根据不同季节在系统内设定卷帘的开启与关闭时间。
F.自动灌溉控制系统
根据不同作物在不同时段对土壤水分的不同需求，智能灌溉系统在系统内预设土壤水分控制参数区间。
温室内土壤水分传感器即时监测土壤水分参数，系统接收监测数据信息后即与预设参数相比较，如发生偏离则控制系统自动启动灌溉电磁阀进行精确控制，实现即测即知，即测即控，确保控制区域土壤水分全天候符合作物生育要求；还可实施水肥一体化，对作物水肥需求进行个性化、差异化、精细化管理。
托普智慧农业系统可结合水肥一体化技术，对作物实施水肥远程精准浇灌
基地现场控制室
本地控制室设有触摸式终端接收机、硬盘录像机、操作台等设备，主要用来实时显示存储各大棚的环境参数和通风设备、卷帘设备、水泵等大棚设施的运行状态，查看大棚内农作物的涨势以及病虫害信息，以及现场处理突发状况。
在基地外网不通的条件下，基地管理人员可以通过现场控制室的终端机查看本基地温室环境与土壤数据，可通过现场控制室的硬盘录像机查看温室内作物长势照片与视频，可在现场手动或自动控制温室水泵、卷帘等电气设施（敦煌、肃州各设一个本地控制室）
远程决策控制中心
远程决策控制中心设在酒泉市农业科学研究院，主要由LED显示屏、查看电脑、软件系统等组成。
用以收集相关农业科研数据，远程查看各基地现场数据及视频、远程操控个基地电气设备、发布政策及预警信息等。
实现以上功能必须同时具备以下条件：
1.各基地的终端机与互联网接通，带宽最好20M以上（确保视频查看流畅）；
2.基地各电气设施通电，且设施工作状态设定为“自动”；
3.远程决策控制中心的宽带网络畅通。
实时显示监控数据及视频
中央控制室全景
设施农业系统手机操控版（可实现手机查看数据、视频、远程控制温室的水泵、卷帘等电气设施）
第五章 产品介绍
硬件介绍
本系统采用zigbee低功耗无线传感系统，主要用于设施农业、库房、热通等场合环境数据测量，产品采用高度集成超低功耗微功率单向发射无线传感器模块，其采用了超低功耗单片机和高性能低功耗发射芯片，提供空气温湿度、土壤温度、土壤水分、光照强度、二氧化碳浓度等关键因子测量。
无线传感器由两节2号电池供电可工作12个月以上，信号有效传输距离达800米（空旷无障碍）。
温室环境信息采集设备
A.温室传感器参数：
传感器
技术参数
图片
二氧化碳
范围：
0～2000ppm或0～5000ppm；
精度：
±（50ppm+测量值×3%）；
分?
辨?
率：
?
1ppm；
二氧化碳
空气温度
范围：
-40℃～120℃
精度：
±%
分辨率：
℃
温湿度
空气湿度
范围：
0～100%RH
精度：
±3%
分辨率：
1%RH
光照强度
范围：
0-200000Lux
精度：
±2%
分辨率：
1Lux
光照强度
土壤温度
范围：
-40℃-120℃
精度：
±%
分辨率：
℃
土壤温度
土壤水分
范围：
0-100%（m3/m3）
精度：
±%
分辨率：
%
土壤水分
采用树型网络，传感器节点按照modbus协议向无线路由节点传送数据，无线路由节点与远端无线数传模块通讯，无线数传模块通过USB或RS485方式与上位机软件进行通讯。
简单、双向的数据传输网络结构进一步降低系统功耗，延长网络寿命，路由节点采用太阳能供电系统，同时节点之间传输距离达到1千米，并且可扩展多级，在空旷无障碍的环境里总传输距离可达10千米以上，适合在塑料大棚、连栋温室以及规模日光温室环境中使用。
系统具有功耗低、成本低、稳定性高、适用性强等特点，能够满多种工作场合的应用。
中继路由节点
..3视频监控模块设备技术参数：
模块
产品名称
技术参数
前端设备
360°高清红外智能球形摄像机
不低于130万像素高清高速智能球机，采用1/3"CCD或CMOS传感器，水平解析度不小于700TVL（彩色），750TVL（黑白）；支持PAL/NTSC信号输入；最低照度至少（彩色），（黑白）；支持23倍光学变焦，焦距为4mm-92mm，支持16倍数字变焦；水平范围支持360°连续旋转，水平键控速度:
°～300°/s,速度可设，水平预置点速度:
540°/s；垂直范围为-5°～185°（自动镜像），垂直键控速度:
°~240°/s,速度可设，垂直预置点速度:
400°/s；支持256个预置点；支持模拟视频输出[p-p]/75Ω,PAL或NTSC,BNC头；支持2路报警输入，2路报警输出，支持报警联动；提供RS485控制接口，支持PELCO控制协议；防护等级为IP66，TVS4000V防雷、防浪涌、防突波，符合GB/，最大红外探测距离为100米。
发送网桥
工作温度-40°~55°；
工作湿度：
0~95%；
供电方式：
以太网供电（PoE）
传输距离：
无障碍覆盖距离大于3千米；
传输方式：
点对点，点对多点。
控制终端
接收网桥
硬盘刻录机
采用视频编码技术，支持硬盘盘组管理，不同通道可设定不同的录像保存周期，支持冗余录像，支持四路同时回放。
硬盘
容量为2T的希捷高速硬盘
软件平台介绍
设施农业自动监控平台
登录主页
数据实时监控
可以选定自动、手动和视频监控模式，第一时间掌握大棚内外的气象参数、土壤参数、病虫数据、植物生理数据。
气象参数实时监测
土壤参数实时监测
24小时实时监测植物本体生理参数
实时监控视频与环境参数显示
可清晰显示作物长势、农业设施工作状态以及相应地块的环境、土壤参数
可对数据进行备份和导出，对历史数据进行查询、分析比对，比便做出科学决策。
历史数据可查询
数据对比分析
对日光温室的加温系统、通风设备、电磁阀、卷帘机等电气设备进行精准控制
温室电气设施远程在线精准可控
专家系统
专家系统的接入，可为基地种植人员提供设施环境智能调控、水肥精准化管理、病虫害绿色防控等农技指导、诊断与交流，保障农业高产高效。
专家系统接入
报警提示
当大棚的环境参数瞬间出现异常、虫情数据超限、设备被盗或者出现故障时，系统会通过短信，网页字体变色等信息发出报警信号，提醒工作人员及时采取处理措施，以免影响作物生长，减少损失。
报警提示（数据和设备异常时报警）
权限管理
系统管理员可根据实际要求设定不同权限的账号，以便在保障系统平稳运行和系统数据安全的前提下达到信息公开与共享。
添加新的用户名
第6章 项目预算清单:
日光温室智能控制项目预算清单（敦煌点）
系统
设备名称
型号
单位
数量
单价
合计
温室智能控制系统
（敦煌）
温室智能控制器
TP-ASE-K8C8
套
1
19800
19800
输出智能扩展板
TP-ASE-DO16
套
1
6800
6800
触摸屏
工业级
套
1
5000
5000
配电控制箱
工业级
套
1
4900
4900
辅材（一等品）
电线，管材
批
2
4000
8000
小计
温室基础设施改造
（敦煌）
限位开关
进口
个
26
300
上下放风设备
电机+钢管
套
2
5050
10100
水肥设备
水泵+水罐
套
2
1685
小计
环境信息采集系统
（敦煌）
无线空气温湿度传感器
TP-ATH-Sen
个
4
1080
4320
无线土壤温度传感器
TP-ST-Sen
个
4
1250
5000
无线土壤水分传感器
TP-SM-Sen
个
4
1350
5400
无线光照传感器
TP-I-Sen
个
4
1480
5920
无线CO2传感器
TP-C02-sen
个
2
1900
3800
无线通信模块
TP-TX-SEN
个
18
2050
36900
信息传输中继节点
TP-ZJ-SEN
个
1
6500
6500
安装支架
定制
个
15
260
3900
小计
视频监
控系统
（敦煌）
室外全方位红外球型摄像机
海康
个
2
7800
15600
网络视频服务器
国产
个
2
1800
3600
大功率无线发送网桥
通达
个
2
3800
7600
安装设备
定制
套
2
1600
3200
交换机
DPLINK
个
2
380
760
防雨综合控制箱
定制
个
2
350
700
插板
公牛
个
2
65
130
附件
线缆、线材
批
1
2000
2000
小计
基地现场控制室
（敦煌）
二联操作台
定制
台
1
4500
4500
触摸式终端一体机
定制
台
1
15800
15800
硬盘录像机
海康
套
1
5200
5200
显示器
联想
块
升级会员 