基于物联网智能大棚设计方案.docx
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基于物联网智能大棚设计方案
基于物联网的农业生产管理
解
决
方
案
西安旭丰科技有限公司
2015年4月
1.项目概述..............................................................................................2
2.总体思路..............................................................................................4
3.总体设计..............................................................................................5
4.需求分析..............................................................................................7
5.解决方案..............................................................................................4
园区智能监控系统.................................................................................9
设施农业地理信息系统.........................................................................15
智能节水灌溉系统.................................................................................18
精准作业管理系统.................................................................................21
农产品安全质量溯源管理系统.................................................................27
数据中心..............................................................................................41
1.项目概述
近年来，国家大力推进农业和农村信息化建设，2005年至2012年连续八年的中央一号文件中，均明确提出了大力发展农业和农村信息化建设的任务和要求。
《农业科技发展“十二五”规划（2011-2015年）》明确提出农业信息化相关技术研究作为重大关键技术攻关，研究信息快速获取与智能处理技术，搭建农业科技信息加工利用交互平台，提高农业信息化水平。
《2006
—2020年国家信息化发展战略》指出推进农业信息化和现代农业建设，为建设社会主义新农村服务。
按照中央指示，全国各级地方政府纷纷出台政策、制定措施，积极投入到农业信息化建设的大潮中去。
为深入贯彻《中共中央关于推进农村改革发展若干重大问题的决定》，落实《2006—2020年国家信息化发展战略》的部署，充分发挥信息化在加快推进社会主义新农村建设、加快现代农业建设、推动城乡统筹发展中的重要作用，用现代信息技术改造传统农业。
推进农业信息化试点示范，普及应用信息技术，增强农业产业化龙头企业、农民专业合作组织的辐射带动作用，不断探索形成具有地方特色的农业信息化应用新典型和新模式。
积极发展优质、精准、高效和生态农业，提高农业规模化、精准化和设施化水平。
建成一批信息技术应用示范企业和农民专业合作组织。
以强化农业支撑保障能力、提高农业综合生产能力和改善农民生产生活条件为重点，突出组织实施好农业生产基地建设、重大农业建设工程和农业九大体系建设等，大力强调农业与农村信息服务体系建设，进一步提高农业部门信息化管理与服务水平。
为进一步凸显技术集聚、产业融合和推广示范的功能定位，提高现代化和信息化管理服务水平，加快农业信息化应用体系的建设步伐，将集成应用电子计算机网络、3S技术、通信技术和智能控制技术等现代农业信息技术，按照规模化、集约化、标准化、产业化的发展方向，充分应用现有基础设施设备，有步骤、有秩序地开展信息化建设和应用。
2.总体思路
1建设目标
围绕农业信息化建设与农业产业化发展需求，结合国内外现代农业信息技术发展趋势，功能定位和产业化经济发展现状，依托资源优势、区位优势和政策优势，采用物联网、云服务、溯源技术、3S技术等前沿技术手段，建设基于统一数据中心的资源管理系统、智能监控系统、多媒体展示中心和综合门户网站，形成完善的技术服务体系，将信息技术与农业生产管理实践有机融合，实现科研、生产、物流、商务全产业链一体化支撑，满足快速发展的经营管理需求。
2建设内容
以当前成熟的计算机网络技术、数据库技术、系统安全技术、GIS技术和数据交换等技术为手段，建设设施农业信息管理平台，充分利用当地已有的门户网站和服务模式，建设设施农业地理信息系统、生产信息管理与辅助决策系统和基于用户档案的信息推送系统，在设施农业建设现状摸底的基础上，掌握设施农产品生产和供给规模，引导特色种植；利用专家和当前主流的传播模式指导农户进行农事操作，为设施农业的标准化生产提供发展方向，为设施农业发展规划提供分析依据。
3.总体设计
设计原则
智能农业物联网系统平台的设计，需要遵循以下一些原则：
1、易用性原则
易用性是指系统使用的方便程度。
由于平台的面向管理者较多：
上到政府主管部门，下到应用示范企业的工作人员。
使用者的行业知识水平、对智能农业信息测控服务平台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、熟知并应用智能农业信息测控服务平台系统。
2、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。
3、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，将嵌入到试点企业的日常农业生产活动中。
一旦系统出现不稳定的情况，将会对企业正常的生产活动造成很大的影响。
因此平台和各个软件系统和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。
4、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。
5、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。
设计思路
系统建设要围绕现“十二五”规划确定的总目标，分期、分阶段推进信息化应用系统建设。
其总体建设思路是：
统一规划、坚持标准、集中整合、全面推广，建设规范化的物联网管理平台；围绕建设总目标，实施分阶段分层次建设，建设一块、应用一块、巩固一块、发展一块，建设效益型的信息管理平台；坚持创新与改革，关注业务而不只是技术，积极采纳新的业务模式，以增强履行农业信息服务职责的能力，建设知识型的信息管理平台；共享生产及事务管理公共数据，为规划决策和服务三农提供各种有效信息，建设共享型的信息管理平台。
4需求分析
开发环境及相关需求分析
（1）开发环境要求
1、系统使用B/S，用户可以浏览器根据权限访问平台应用；
2、基于成熟产品定制化开发；
3、后台数据库采用国际知名厂商的主流数据库产品；
（2）项目实际需求分析
1、可单独运行，也可通过与其它系统的接口和其它系统集成使用；
2、提供导入、导出系统数据的功能；
3、可根据需要提供开发接口程序所需的源代码和数据结构。
目标与范围
根据种植基地生产、信息化及基础建设情况和具体的业务需求，建设符合实际情况的农业智能化物联网综合管理平台。
具体设计内容为：
园区智能视频监控系统,设施地理信息系统,智能节水灌溉系统,精准作业管理系统,
农产品安全质量溯源管理系统.
5解决方案
总体架构
农业智能物联网总体框架图
园区智能监控系统
1视频监控应用系统
1.1系统概述
根据基地种植区域和蓄水池实际的情况，在基地相应位置布置视频采集点，每个视频采集节点分别把实时图像传输到物联网生产管理平台，以便能远程实时查看各基地全景和作物生长状态。
1.2系统架构
1.3系统模块说明
1.3.1道路监控
基地的视频采集部分主要采用球机对基地全景、各主要道路和办公楼以及大门进行定位监控。
实现长期的管理。
1.3.2实时显示
显示部分主要由硬盘录像机的电脑显示器和远程计算机进行运行观看。
硬盘录像机的电脑显示器上基地内的所有监控图像（后期各基地可以升级为电视墙形式的大屏一对一的摄像机监控以及通过视频矩阵进行有效切换）。
1.3.3实时记录
基地的监控系统采用数字硬盘录像机进行视频图像的存储，有利于对事件的取证和分析。
1.3.4远程操控
控制部分由硬盘录像机、高速球（数字矩阵）控制键盘组成。
在硬盘录像机上通过鼠标操作可以切换本机上的监控画面和控制本机上的高速球旋转、放大等功能。
数字矩阵主要是对电视墙上的监视器里的监控图像进行切换，可设置监控图像在监视器里自由切换、程序切换、定时切换等操作。
高速球控制键盘主要是配合高速球使用的。
控制键盘用来控制高速球比鼠标更方便，通过控制键盘还可调出高速球的菜单，实现高速球的两点扫描、巡航、花样扫描、设置预置点、调用预置点等功能。
1.3.5网络观看
数字硬盘录像机具有网络功能。
连入监控中心的局域网络，可以让局域网里的授权用户随时观看监控图像，达到可以在自己的电脑上就可以观看到高速公路上的监控实时情况。
数字硬盘录像机加装ADSL就可以连入因特网，授权用户可通过因特网访问主机，观看到监控图像。
1.3.6病虫害测报
根椐现场实际需要,室内种植管理人员可通过监控中心视频或手机远程监控查看现场农作物是否存在病虫害。
室外种植区域不仅可以通过视频监控查还可在现场安装太阳能虫情测报灯。
虫情测报灯工作原理:
1、太阳能供电。
2、采用不锈钢整体结构，符合GB/T4237。
3、采用光、电、数控技术。
4、白天自动关灯，夜间自动开灯，也可手动开关灯。
雨天自动关机。
5、在夜间工作状态下，不受瞬间强光照射改变工作状态。
6、虫体处理方式：
三层滤网分离虫体，药熏处理。
7、根据昼夜智能控制充放电及开关灯。
8、防雷装置：
能够有效防止雷击。
9、设计寿命：
≥5年（灯管和蓄电池除外）。
10、可增设时间段控制：
根据靶标害虫生活习性规律，可设定10个时间段。
太阳能虫情测报灯示意图
2智能温室环境监控系统
物联网系统根据设施农业的不同类型和生产管理要求，结合温室作物种植特点、分布特点，运用传感器网络实时采集农业生产过程中的温度、湿度、光照、二氧化碳、土壤墒情等环境因子信息，全面掌握温室作物种植过程信息，为温室智能化监控提供辅助决策指导，实现农业生产的精细化管理、精准化作业。
智能环境监控系统构成图
3智能室外环境监控系统
针对室外监测环境建设土壤温湿度和空气温湿度传感器，对室外大田生长环境的空气温湿度变化和土壤温湿度信息进行实时采集和监测，并依托有线或无线网络，实现多点监测网，将所有前端数据汇总上传至数据中心计算机进行数据的管理和分析，实时监控室外大田作物不同生长期的生长环境信息变化，为农业生产管理决策提供支持。
4室外气象站和土壤墒情采集系统
为实时监测不同区域作物生长环境的气象变化和土壤墒情变化，针对地形特征以及室外主要农作物的种植管理特点，选择具有典型代表意义的区域建立气象土壤墒情监测站，对小区域气候及土壤墒情数据进行实时监测。
监测的环境信息包括空气温度、湿度、风速、风向、辐射、降雨量、土壤温湿度和含水量等关键参数，数据通过无线通讯模块实时传输到园区的数据中心，为作物生长管理提供精准监测和科学管理。
室外气象监测站示意图
设施农业地理信息系统
1系统概述
地理信息系统（GIS）作为一项集空间物体地理分布信息采集、存储、管理、处理、检索、分析和显示等功能的成熟技术，在农业领域已有广泛深入的应用，体现在以下四个层次：
（1）作为农业资源调查的工具——主要特点是建立农业资源地理数据库，实现空间数据库的浏览、检索，绘制农业资源分布图，生成农业资源报表；
（2）作为农业资源分析的工具——以图形及数据的重新处理等分析工作为特征，用于各种目标的分析和重新导出新的信息，产生专题地图和进行地图数据的叠加分析；（3）作为农业生产管理的工具——建立各种模型和拟订各种决策方案，直接用于农业生产；（4）作为农业管理的辅助决策工具——利用GIS系统的模型功能、空间动态分析、预测能力，与专家系统、决策支持系统有机集合。
近年来，设施农业得到蓬勃发展，对其进行宏观管理和指导服务已成为农牧局的重要职责。
充分利用地理信息系统在数据采集与编辑、数据管理、空间查询与空间分析和数据输出上的优势建设设施农业地理信息系统，实现设施农业发展状况可视化展示，便于设施农业的地理分布、发展规模的直观获得，为制定设施农业发展规划提供数据支撑，为设施农业在时间、空间、产品和品质方面的统一调控提供技术支撑。
2功能组成
全面掌握设施农业建设现状的需求，该系统主要功能包括地图操作、空间查询、空间分析、专题图和空间数据管理五部分内容。
地图操作
该部分实现地图的放大、缩小、全图显示、平移、点选、框选等基本操作，以及图层管理、图例显示控制、地图输出等地图显示操作。
空间查询
该部分主要包括点图查询、模糊查询、组合查询或按属性、空间及SQL查询，实现对空间数据和属性数据的快速检索。
可以通过地图对象的一个或若干个属性查询到符合条件的地图对象，并在地图上进行精确定位，如根据设施种类、设施规模等查询到符合条件的设施农业分布，并可以查看其相关属性资料；也可以在地图上选择一个或若干个对象时查看其属性信息，如选定一座温室，可以查看其种类、规模等基础信息，以及种植品种、面积等生产信息。
空间分析
该部分包括常规统计分析和基于地图的空间分析两部分。
常规统计分析主要用于按照行政区划图进行设施农业发展现状的分类统计，如按照设施农业种类分区统计、设施农业分区个数统计等；基于地图的空间分析主要有地图数据的叠加分析、缓冲区分析；如将某种品种的设施农产品供应量和经销渠道的叠加分析，得出最佳产销搭配方式。
专题图
系统可以定制各种专题图和统计分析图。
如一定区域范围内设施农业种类分类、设施农业种植品种分类等专题图和按照设施农业种类进行的分区统计专题图和统计报表，并支持图表的输出。
空间数据管理
空间数据管理是地理信息系统应用的基础，包括基础地图数据和专题地图数据。
智能节水灌溉系统
智能节水灌溉系统主要依据土壤水分传感器对土壤水分的实时监测和用户对灌溉时间自定义设置进行工作；次调控系统依据温度、湿度、光照辐射、降雨、风力等指标计算植物一天的蒸腾蒸发量（ET）及作物允许耗水量（MAD）来进行科学补水。
将一个灌区分成几个小区，每个小区埋设一个水分探头，同一个小区的作物类型、土壤类型及地理条件应一致。
将每个土壤水分传感器需维持的土壤水分值输入计算机，不同作物的值不同，同时用户也可以自己设定灌溉时间、灌溉时长、灌溉次数、阀门开度等。
智能灌溉流程
智能节水灌溉系统可针对具体的植物种类、成熟度、土壤质地、地形坡度、灌水器类型等，通过相应的传感器包括（如温度、湿度、光照辐射、降雨、风力等），实时采集环境信息，并通过专家系统对数据进行综合分析及数据组织，并发布及时准确的生产指令，将土壤含水量保持在满足植物生长的最佳状态，又不浪费水。
系统的功能设计表
序
号
功能名称
功能说明
1
自动、手动控制功能
控制柜上设置了手动/自动开关，用户可以用这两种方式进行
灌溉施肥控制。
当自动系统出现故障时，可采用于动系统进行控
制增加了系统控制的灵活性。
2
SPAC智能控制肥水灌溉功能
根据SPAC理论，利用气候仪及土壤环境监测传感器监测作
物生长实时环境，进行自动灌溉施肥控制。
这种控制方式可实现
根据天气及土壤状况进行多个阀门的元人值守灌溉施肥控制。
3
智能化混肥功能
根据作物生长所需营养液的酸碱度pH和浓度EC，计算机
按照施肥配方的pH、EC设定值，调节营养液的pH、EC达到
作物正常生长所需的范围，以满足作物的生长要求。
（根据实际
情况设定）
4
灌溉施肥信息的统
计、查询、显示功能
该系统可记录每种作物单个阀门每天的灌概施肥量和灌溉
施肥次数，可连续存储180天记录信息。
5
水泵的恒压变频控
制功能、系统运行的
动态显示功能
水泵的恒压变频控制为系统提供一个恒定的管当系统运行
时，系统主界面显示当前正在运行网压力，使用户一目了然的掌
握系统运变化，保证系统的安全可靠供水。
运行状态显示。
6
人工干预灌溉施肥
功能
根据用户设定的不同作物多个阀门的灌溉施肥量，可实现一
次性多个阀门的自动灌溉施肥控制。
7
定时定量灌溉施肥
功能
根据用户设定的不同作物多个阀门的灌概施肥量、灌施起始
时间、灌施结束时间、灌水周期等，系统可实现一个月内多个阀
门的自动灌班施肥控制。
8
系统的安全保护功
能
当用户设置不当、系统出现异常情况时，计算机会及时发出
声光报警，提醒用户介入处理，防止对系统或作物造成更大危害。
系统的组成
喷滴灌施肥智能化控制系统由中心控制计算机、系统首部装置、田间电磁阀和控制电缆、滴灌管网系统组成。
中心控制计算机系统和PLC。
系统首部装置:
包括加压泵、施肥泵、过滤器、流量计、水肥自动泪合系统、机泵恒压变频控制柜。
田间电磁阀和控制电缆:
电磁阀采用AC24V塑料电磁阀，控制电缆采用铠装地埋控制电缆。
智能节水灌溉系统优势及特点
1、结合作物特性，采取差异化配水及需水精准分析控制，实现精量供水。
2、系统可定制及扩容，灵活性强，分区域、多路的集中或分散智能控制。
3、可实现根据天气变化智能定时及间歇灌溉。
4、多种控制连接方式，能适应多种灌溉方式。
5、利用自然降雨及太阳能有效降低成本投入。
6、有效提高灌溉效率及管理方式，解决农业用水矛盾，合理配置资源，提高作物产量。
精准作业管理系统
系统概述
精准作业管理系统是当今世界农业发展的新潮流，是由信息技术支持，根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统，其基本涵义是根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位的
“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。
传统农业的模式已远不能适应农业可持续发展的需要，产品质量问题，资源严重不足且普遍浪费，环境污染，产品种类需求多样化等诸多问题使农业的发展陷入恶性循环，而精确农业为现代农业的发展提供了一条光明之路，精确农业与传统农业相比最大的特点是以高新技术和科学管理换取对资源的最大节约。
它是一项综合性很强的系统工程，是农业实现低耗、高效、优质、环保的根本途径，是世界农业发展的新趋势，也是我国农业迈向21世纪的最佳选择。
通过分析我们可以发现在实现精确农业的道路上，现有的基于有线的智能农业系统依然存在着诸多问题，而基于无线传感网的物联网精确农业系统更具发展潜力，无线网络具有较高的传输带宽、抗干扰能力强、安全保密性好，而且功率谱密度低。
利用上述特点，可组建针对农田信息采集和管理的目的无线网络，实现农田信息的无线、实时传输。
同时，可以给用户提供更多的决策信息和技术支持，实现整个系统的远程管理。
精准作业管理系统组成：
1、无线网络传输系统
在农业控制系统中，物联网系统的温度传感器、湿度传感器、
PH值传感器、光传感器、离子传感器、生物传感器、CO2传感器等设备，检测环境中的温度、相对湿度、PH值、光照强度、土壤养分、CO2浓度等物理量参数，通过各种仪器仪表实时显示或作为自动控制的参变量参与到自动控制中，保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。
远程控制的实现使技术人员在办公室就能对多个大棚的环境进行监测控制。
采用无线网络来测量来获得作物生长的最佳条件，可以为温室精准调控提供科学依据，达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。
高清视频监控系统
系统主机统一安装在监控中心的机柜中，前端摄像机根据现场需要配置带红外的枪机或半球机，通过网络实现24小时不间断监控。
系统总体规划图如下：
智能灌溉控制系统
利用传感器感应土壤的水分并控制灌溉系统以实现自动节水节能，可以构建高效、低能耗、低投入、多功能的农业节水灌溉平台。
农业灌溉是我国的用水大户，其用水量约占总用水量的70％。
据统计，因干旱我国粮食每年平均受灾面积达两千万公顷，损失粮食占全国因灾减产粮食的50％。
长期以来，由于技术、管理水平落后，导致灌溉用水浪费十分严重，农业灌溉用水的利用率仅40％。
如果根据监测土壤墒情信息，实时控制灌溉时机和水量，可以有效提高用水效率。
而人工定时测量墒情，不但耗费大量人力，而且做不到实时监控；采用有线测控系统，则需要较高的布线成本，不便于扩展，而且给农田耕作带来不便。
因此，设计一种基于无
线传感器网络的节水灌溉控制系统，该系统主要由低功耗无线传感网络节点通过ZigBee自组网方式构成，从而避免了布线的不便、灵活性较差的缺点，实现土壤墒情的连续在线监测，农田节水灌溉的自动化控制，既提高灌溉用水利用率，缓解我国水资源日趋紧张的矛盾，也为作物生长提供良好的生长环境。
精准农业的数字化管理系统
数字化管理技术主要研究温度、化学等多种传感器对农产品的生长过程全程监控和数据化管理；结合
RFID电子标签在培育、生产、质检、运输等过程中，进行可识别的实时数据存储和管理，实现农业生产的标准化、网络化、数字化。
数字化农业管理系统集
升级会员 