蔬菜大棚智能自动控制系统的信息管理系统的系统设计.docx

1、蔬菜大棚智能自动控制系统的信息管理系统的系统设计第1章 绪 论 选题目的和意义中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要环节就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如:空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。大棚内的温度、湿度与

2、二氧化碳含量等参量，直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施已经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测试软件。而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和

3、水果早熟、优质、高效能的重要环节。目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。所以急需一种高效实时的监控设备，能实现大棚的实时监控，迅速了解大棚内的环境状态。 国内外相关研究综述 国外状况世界发达国家如荷兰、美国、以色列等大力发展集约化的温室产业，温室内温度、光照、水、气、肥实现了计算机调控，从品种选择、栽培管理到采集收包装形成了一整套的规范化技术体系。美国是最早发明计算机的国家，也将计算机应用于温室控制和管理最早、最多的国家之一。美国有发达的设施栽培技术，综合环境控制技术水平非常高。环境控制计算机主要用来对温室环境（气象

4、环境和栽培环境）进行监测和控制。以花卉温室为例，温室内监测项目包括室内气温、水温、土壤温度、锅炉温度、管道温度、相对空气湿度、保温幕状况、通风状况，泵的工作状况、二氧化碳浓度、Ec调节池和回流管数值，pH调节池和回流管数值；室外监测控制项目包括大气温度、太阳辐射强度、风向风速、相对湿度等。温室专家系统的应用给种植者带来了一定的经济效益，提高了决策水平，减轻了技术管理工作量，同时也为种植带来了很大的方便。以园艺业著称的荷兰从20世纪80年代以来就开始全面开发温室计算机自动控制系统，并不断地开发模拟控制软件。目前，荷兰自动化智能玻璃温室制造水平处于世界先进水平，拥有玻璃温室万多平方米，占世界四分之

5、一以上，有85的温室用户使用计算机控制温室环境。荷兰开发的温室计算机控制系统是通过人机交互界面进行参数设置和必要的信息显示，可绘制出设计参数曲线、修正值曲线以及测量的数据曲线，可以从数据库内调出设定的时间段参数以便于必要的数据查询，并能直接对计算机串行口进行操作，完成上位机与下位机之间的通讯。上位机软件集参数设置、信息显示、控制等功能于一体，同时还能够很好地完成温室灌溉和气候的控制盒管理。此外，国外温室业正致力于向高科技方向发展。遥测技术、网络技术、控制局域网已逐渐应用于温室的管理与控制中。控制要求能在远离温室的计算机控制室就能完成，即远程控制。另外该网络还连接有几个通讯平台，用户可以在遥远的

6、地方通过形象、直观的图形化界面与这种分布式的控制系统对话，就像在现场操作一样，给人以身临其境之感。 国内状况我国农业计算机的应用开始于20世纪70年代，80年代开始应用于温室控制与管理领域。20世纪90年代初期，中国农业科学院农业气象研究所和作物花卉研究所，研制开发了温室控制与管理系统，并开发了基于windows操作系统的控制软件；90年代中后期，我国科学家研制开发了温室软硬件控制系统，能对营养液系统、温度、光照、二氧化碳、施肥等进行综合控制，是目前国产化温室计算机控制系统较为典型的研究成果。在此期间，中国科学院石家庄现代化研究所、中国农业大学、中国科学院上海植物生理研究所等单位也都侧重不同领

7、域，研究温室设施的计算机控制与管理技术。“九五”期间，国家科技攻关项目和国家自然科学基金均首次增设了工厂化农业研究项目，并且在项目中加大了计算机应用研究力度，其中“九五”国家重大科技产业工程“工厂化高效农业示范工程”中，直接设置了“智能型连栋塑料温室结构及调控的优化设计及实施”的专题。 我国温室存在的主要问题 科技含量和总体发展水平较低。我国设施栽培起步晚、基础差，没将其作为整体工程问题研究。从设施设备到栽培技术的生产管理不配套，生产不规范，难以形成大规模商品生产。 我国现有的温室控制系统仍以控制一个温室为主，没有基于温室群控制系统。这样降低了生产管理效率。 温室测控系统的通信仍然采用有线方式

8、。温室测控系统的通信主要有485总线以及C总线等有线方式。这些有线通信方式不仅使得温室内的信号线和动力线错综复杂，而且导致系统的可靠性降低，安装维护工作量变大，同时也不利于农业机器人等移动设备的作业，难以达到温室生产的“工厂化农业”水平。 缺少基于农业专家知识的上位机管理系统。我国目前的温室控制系统中，一些上位机只限于存储数据，没有根据农业专家知识的实时控制管理系统。 设施水平低，抵御自然灾害的能力差。我国目前部分温室的建筑材料主要是钢材和玻璃。但没有形成国家统一的标准和工厂系列的产品，且应用率仅占设施栽培面积10，而绝大部分由农民自行建造的塑料日光温室业只能起到一定的保温作用，根本不能实现对

9、温度、湿度、光照等环境因子的调控。 机械化水平低，调控能力差，作业主要依靠人力。生产管理主要靠经验和单因子定性调控。 设计内容和设计方法本课题主要是设计一种基于伊犁河谷蔬菜大棚智能自动化控制系统的管理信息系统，依靠低功耗的无线射频F、节水灌溉、物联网和传感器等技术实时监测和控制大棚内的温度、空气湿度、土壤湿度以及光照度等环境参数，通过该控制系统通过手机通信等途径通知用户，再通过用户使用自动化控制系统来控制相关环境参数，从而使生物生长在最适宜的环境下，达到农作物能够增产的效果。温室是蔬菜栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类蔬菜对温度及湿度等生长所需条件的要求也不尽相同，为它们提供一个更适宜其生

10、长的封闭的、良好的生存环境，以提早或延迟花期，最终将会给我们带来巨大的经济效益。随着现代科技的发展，电子计算机已用于控制温室环境。该系统可根据需要，通过按键将环境信息输入MCU，根据情况可随时调节环境。温室环境自动化控制系统在大型现代化温室的利用，是设施栽培高新技术的体现。研究方法是通过企业系统规划法来设施的， 目的是通过这次毕业设计，让我们将课本知识与实践相结合，更加深刻的理解自动控制的信息管理系统的运作模式及意义，也能够将所学知识和技能更多的运用于生活和工作中，学以致用。第2章 基于伊犁河谷蔬菜大棚智能自动控制系统的信息管理系统的系统分析 系统分析 系统目标本系统基于自动化农业的思想，采用

11、低功耗的无线射频F、节水灌溉和物联网等技术，根据当地实际情况设计出一个实时监测和控制大棚内的温度、空气湿度、土壤湿度以及光照度等环境参数，并将数据传输到远程终端服务器上位PC机上进行分析、管理及远距离测控,构成多个蔬菜大棚的智能自动化控制信息管理系统，以改善以往管理者应用传统经验对大棚内的农作物进行灌溉、加温、降温、加湿、排湿和采光等人工控制,保证了棚内的湿度、温度、光照强度,具有通风时间、卷帘时间、灯光光照时间的自动控制和系统报警等功能,可自动监测调节农作物环境的温湿度、光照、O2浓度、通风、卷帘升降、滴灌控制、门禁、巡更等参数，通过HMI（自动化成套控制系统）系统显示输出帮助种植者作全面细

12、致的数据分析，将数据通过网络和相关的通讯协议传递给上位数据存储和显示区域，实现远程的数据采集。并采取可靠的光纤通讯网络实现远程的设备的操作和相关数据的报警提示等。以及根据目前国家提倡的环保节能的标准对每个大棚都有相关的能源的计量装置，方便了种植者对自己所用资源的调配和对运行参数的维护。 系统要求 详细调查概述伊犁河谷蔬菜产业的现状 （1） 基础条件 伊犁河谷地处祖国的西北边陲，东西长350公里，南北宽280公里，土地面积平方公里。光热资源丰富，年日照时数达3150小时，积温丰富，昼夜温差大，降水量是全疆平均水平的2倍，气候湿润。丰富的水土资源和良好的自然环境十分适宜农作物生长 （2） 发展现状

13、 近年来，伊犁州大力发展无公害、反季节、名特优蔬菜。2009年，蔬菜种植总面积达万公顷，总产量达94万吨。2008年，新增温室大棚万座，蔬菜种植面积将达万公顷，总产量达148万吨，设施农产品出口10万吨。 2010年上半年，伊宁二类口岸出口水果、蔬菜万吨，贸易额万美元，与去年同期相比分别增长和。近年来，哈萨克斯坦国内对水果、蔬菜等农产品的消费需求不断增加。加之今年以来，在有关部门不断出台优惠措施的前提下，出口企业纷纷把目光投向果蔬出口贸易，蔬菜产业对外贸易规模不断扩大。 近年来，种子管理部门对蔬菜种子的质量监管更加严格，各种子经营企业名优种子销售比例明显提高。此外，相关部门也高度重视无公害蔬菜

14、安全生产技术规程的落实，加大农药安全使用的宣传教育和监管工作，各主要蔬菜生产乡镇积极举办无公害蔬菜栽培技术培训班，农民对新技术、新品种的接受能力越来越强，科学种菜水平不断提高。 可行性分析报告（1） 系统简述温室智能自动控制系统采用当前比较热门的无线传感器网络技术、ARM嵌入式技术和传感器技术相结合的方式，精准采集温室内部环境的各项指标，驱动相应执行器件（风扇、加湿器、加热器）平稳自动控制温室内部环境的变化。能根据用户设定的参数即温室内的土壤湿度、土壤温度、时间等参数来自动控制电磁阀和水泵等的自动动作，通过空气温度、空气湿度、二氧化碳等参数来自动控制循环风机、加温设备、二氧化碳发生器等的自动动

15、作。（2） 项目目标目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。因此，该项目的目标就是实现温室大棚的智能自动化控制。蔬菜大棚智能自动化控制的信息管理系统在农业领域中有着广泛的应用。我们从农产品生产不同的阶段来看，无论是从种植的培育阶段和收获阶段，都可以用物联网智能自动化控制的技术来提高它工作的效率和精细管理。 在种植准备的阶段，我们可以在温室里面布置很多的传感器，分析实时的土壤信息，来选择合适的农作物。 在种植和培育阶段，可以用物联网的技术手段采集温度、湿度的信息，进行高效的管理，从而应对环境的变化。比如说通过采集设备，比

16、如说降温了，我可以给他在温室里加热。 在农产品的收获阶段，我们也同样可以利用物联网的信息，把它传输阶段、使用阶段的各种性能进行采集，反馈到前端，从而在种植收获阶段进行更精准的测算。 提高效率，节省人工，如果是几千亩的蔬菜大棚，要对各大棚进行浇水施肥，手工加温，手工卷帘，那要用大量的时间和人员来操作。如果应用了物联网技术，手动控制也只需点击鼠标的微小的动作，前后不过几秒，完全替代了人工操作的繁琐。 温室测控自动化注重于节省劳动力，提高温室生产的效率和技术水平，实现温度、湿度的测量记录和卷帘、滴灌等设备的自动化控制，实现农机和农艺的有机结合。从而大幅度提高温室生产的技术水平，协助推进设施农业向精品

17、、高端、高效方向发展。（3） 所需资源、预算和期望效益到目前为止物联网技术在研究上比较成熟，并且物联网技术在当今农业生产中的具有一定的范围，随着科技的进步，物联网技术必将成为温室蔬菜大棚智能自动化控制的趋势。物联网技术为本系统提供了一定的理论基础。根据伊犁河谷当地的自然环境以及优越的地理位置大力推广智能自动控制蔬菜大棚生产必将取得良好的经济和社会效益 可行性分析要素（1） 经济可行性伊犁河谷蔬菜大棚智能自动控制系统的信息管理系统具有较大的本地和区内市场空间，能够为企业带来良好的经济效益。伊犁州直拥有263万人口，占全疆人口的%。每年淡季净菜消费量在30万吨左右，目前的实际生产能力只有14万吨，

18、尚缺口16万吨以上，近年来每年淡季从内地调进6万吨左右的鲜菜和果品。随着人口的增长和人们消费能力、生活水平的不断提高，对反季节蔬菜、瓜果的需求量还会增加，当地有着现实和潜在的大市场。就疆内市场而言，预计全疆淡季净菜消费量在250万吨左右，目前的实际生产能力119万吨，尚缺口130万吨以上，这为州直设施鲜活农产品生产发展提供了较大的市场空间。若是企业为本系统投入研发资金，那么企业的将会获得更好的利润收入。（2） 技术可行性到目前为止无线射频技术在研究上比较成熟，并且无线射频技术在当今农业生产中的具有一定的范围，随着科技的进步， 无线射频技术必将成为温室蔬菜大棚智能自动化控制的趋势。无线射频技术为

19、本系统提供了一定的理论基础。（3） 管理可行性本系统的研究对象是企业和消费者，故此本系统的开发会得到政府、企业的支持。 组织结构和功能结构(1) 组织结构和管理功能调查通过前期对伊犁河谷当地现有的蔬菜大棚种植情况的调查，经过自己的实地考察和后期的整理为系统作出了智能自动控制系统的蔬菜大棚组织结和功能结构图如下所示：基于伊犁河谷蔬菜大棚智能自动化控制系统的管理信息系统设计计实时监测和数据采集系统统数据通信系统环境因子自动化控制系统温湿度监测系统照明监测系统视频监测系统二氧化碳补气系统供暖系统灌溉施肥系统防雷系统供电系统局域网远程访问与控制系统GPRS网络访问系统空气循环系统风机湿帘降温系统图 蔬

20、菜大棚组织结和功能结构图 数据流程一、 数据流程调查过程中需收集的资料温室智能自动控制系统采用当前比较热门的无线传感器网络技术、ARM嵌入式技术和传感器技术相结合的方式，精准采集温室内部环境的各项指标，驱动相应执行器件（风扇、加湿器、加热器）平稳自动控制温室内部环境的变化。实现了如下功能并从整个系统所要达到的功能来看，可以得出某些所要实现功能的数据流程图和节点原理图如下：（1） 温湿度监测功能：温湿度采集节点配有温湿度传感器SHT10，实时监测温室内部空气的温度和湿度。测湿精度可达%RH，测温精度可达（在25）控制加湿器给空气加湿，如果温室内空气湿度小于设定值，系统会启动加湿器。图2。2 温湿

21、度工作原理图图 温湿度工作流程图（2） 照明监测功能：光照度采集节点采用光敏电阻来实现对温室内部光照情况的检测，其实时性强，应用电路简单，便于管理者操作。温室补光灯，也叫植物补光灯，是依照植物生长的自然规律，根据植物利用太阳光进行光合作用的原理,使用灯光代替太阳光来提供给温室 植物生长发育所需光源的一种灯具。 图 灯具（3） 视频安防监测功能：这项功能由网关中的摄像头来完成。摄像头实时捕获温室内部的画面，而后通过USB接口将画面数据传输给网关处理。我们既可以在触屏液晶显示器上看到温室内部的实时画面，又可以通过PC机远程访问的方式来观看温室内部的实时画面。当温室周边有人出现时，安防信息采集节点便

22、向主控中心发送信号，同时声音报警。安防信息采集节点采用的传感器为人体红外感应模块，它检测的最远距离为7米，角度在100o左右。图 视频安防监控系统原理视频安防监控系统可基于网络及视频技术实现实时监控温室内部画面，并能达到实时显示、定时截图及自动传送等功能于一体的图像系统。视频安防监控系统前端包括一台或多台网络摄像头；通过网络视频服务器对视频进行压缩并存储于本地硬盘中，亦可通过RJ45网线、光缆以及基于3G/ADSL网络发送终端，将所记录画面主动/被动上传到FTP服务器，达到用户远程监控的目的。（4） 二氧化碳补气功能：植物光合作用需要光照和二氧化碳。当光照度达到系统设定值时，系统会自动开启风扇

23、加强通风，为植物提供充足的二氧化碳。 图 温室CO2浓度测控系统结构（5） 供暖系统功能：控制加热器给环境升温功能：当温室内温度低于设定值时，系统便启动加热器来升温，直到温度达到设定值为止。供暖系统可以采用两种方法：温室热风机供暖和水暖加热供暖水暖加热，室温均匀，散热慢。图 水暖加热进行供暖实物图（6） 灌溉施肥功能，采用计算机肥水灌溉运筹系统。根据作物区的需要，对水培区的营养液成分，PH和EC值进行综合调控。对基培和土培区主要是根据作物生产需要，设定基质、土壤的水势值，自动调节滴灌、喷灌系统的灌溉时间和次数。 图 施肥灌溉原理图（7） 防雷功能，温室防雷为三级，在温室在温室总电源进线处加装雷

24、电保护器。钢结构做防雷接地。室外气象站防 雷接地。（R）抗震设防：7级（8） 供电系统功能：供电系统主要是给无线射频RF模块、主控模块以及电池阀提供稳定电压，并且不间断供电。无线节点的所有供电均来自太阳能电池板，太阳能电池板将太阳能转化为电能存储于蓄电池中，供无线节点各个模块使用，真正实现无线物联网的无线传输与无线控制。电力系统自动化中，电力系统运行与控制、无功补偿与有源滤波、调度自动化系统设计。（9） 局域网远程访问与控制功能：物联网通过网关加入局域网。这样用户便可以使用PC机访问物联网数据，通过操作界面远程控制温室内的执行器件，维护系统稳定。图 局域网远程访问与控制功能图（10） GPRS

25、网络访问系统功能：物联网通过网关接入GPRS网络。用户便可以手机来访问物联网数据，了解温室内部环境的各项数据指标（温度、湿度、光照度和安防信息）。（11） 控制参数设定及浏览功能：对所要实现自动控制的参数（温度、湿度）进行设置，以满足自动控制的要求。用户既可以直接操作网关界面上的按钮来完成系统平衡参数的设置，又可以通过PC机或手机远程访的方式完成参数的设制。（12） 显示实时、历史数据曲线功能：实时趋势数据曲线可将系统采集到的温室内的数据以实时变化曲线的形式显示出来，便于观察系统某时间段内整体的检测状况。可显示出温室内各测量参数的日、月、年参数变化曲线，根据该曲线可合理的设置参数，可分析环境的

26、变化对植物生长的影响。 图 历史数据曲线图（13） 空气循环系统功能：模拟自然送风：通过均匀的压力送风系统，可有效形成棚内空气微循环，减少叶面结露，降低病害发生，减少农药用量，为无公害蔬菜生产创造了条件 。均衡温室作物生长环境：通过温室内空气微循环，使温室各处环境达到一致均衡。 图 空气循环系统原理图图 空气循环系统数据流程图(14) 风机湿帘降温系统功能：当需要降温时，通过控制系统的指令启动风机，将室内的空气强行抽出，造成负压；同时水泵将水打在对面的湿帘墙上。室外空气被 负压吸入室内时，以一定的速度从湿帘的缝隙穿过，导致水分蒸 发、降温，冷空气流经温室，吸收室内热量后，经风机排出，从而达到循

27、环降温的目的。 图 卷帘功能原理 线传感器网络节点智能温室自动化控制系统以自动控制原理为理论基础，应用传感器与执行器件构成闭环控制系统。数据采集节点配有传感器感知植物的生长环境，控制节点配有执行器件控制执行器件改善植物生长环境。数据采集节点与控制节点相互配合，共同为植物提供适宜的生长环境。物联网智能温室控制实训系统的无线传感器网中共有五个节点，即四个数据采集节点，一个控制节点。节点的主控芯片为CC2430。它是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的 ISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能 DSSS(直接序列扩频)射

28、频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。CC2430的设计结合了8Kbyte的RAM及强大的外围模块，并且有3种不同的版本，他们是根据不同的闪存空间32，64和128kByte来优化复杂度与成本的组合。各节点分布在温室内部。如下所示：数据采集节点：数据采集节点由传感器、ZigBee无线通信芯片（CC2430）和转接板组成。传感器负责采集环境的数据指标；ZigBee无线通信芯片（CC2430）负责收集数据并将数据经路由传输到协调器；转接板则在传感器与芯片之间架起了数据传输的桥梁，起到了连接传感器与芯片的作用，同时为整个模块提供电源。（1） 温度采集节点 温度传感器节点配有采集温度参数的

29、传感器，负责采集环境的温度数据指标。数据采集完成后再将数据经路由器传输到协调器。这样温度采集节点便完成了一次工作周期（2） 湿度采集节点湿度采集节点配有采集湿度参数的传感器，负责采集环境的湿度数据指标。同样，数据采集完成后也要将数据经路由器传输到协调器。这样湿度采集节点也完成了一次工作周期（3） 光照度采集节点 光照度采集节点配有采集光照度参数的传感器，负责采集环境的光照度数据指标。与前两个节点一样，数据采集完成后也要将数据经路由器传输到协调器。这样光照度采集节点也完成了一次工作周期。（4） 控制节点 控制节点则由控制电路和ZigBee无线通信芯片（CC2430）组成。控制节点负责执行上级AR

30、M平台发送的指令完成相应的操作。无线通信芯片通过控制这三个继电器的通断来控制执行器件的工作状态，如下图所示。例如，当环境温度降低时，控制节点会接通与加热器相连的继电器来启动加热器。 数据字典建立为了对数据流程图中的各个元素作出详细的说明，有必要建立数据字典。数据字典的内容主要是对数据流程图中的数据项、数据结构、数据处理逻辑、数据存储和外部实体等六个方面进行具体的定义。数据流程图配以数据字典，就可以从图形和文字两个方面对系统的逻辑模型进行完整的描述。（1） 数据项又称数据元素，是数据的最小单位。分析数据特性应从动态和静态两个方面去进行。在数据字典中，仅对数据的静态特性作了定义，具体包括：(1)数

31、据项的名称、编号、别名和简述；（2）数据项的长度；（3）数据项的取值范围【例】 数据项的定义 数据项编号：10201 数据项名称；大棚内各种环境因子编号 别 名；环境因子编码 简 述：某种因子的代码 类型及宽度；字符型，4位 取 值 范 围；”00019999”数据结构定义：表：蔬菜成长要求环境及信息表：该表是为统计蔬菜成长四个时期所要求的环境参数及状态的表，包括温度、湿度、光照、空气中二氧化碳含量、土壤湿度、状态、色泽、等属性。表环境参数及状态的表字段说明类型备注WD_LIMITS温度folat不为空SD_LIMITS湿度folat不为空GZ_LIMITS光照folat不为空HL_LIMITS空气中CO2含量folat不为空TRSD_LIMITS土壤温度folat不为空SHAPE形态folat不为空COLOUR色泽folat不为空该表是为统计蔬菜生物和地理信息而建，包括种子类型、种子编号、采摘时间大棚号码、主要营养成分四个属性。表蔬菜生物和地理信息字段说明类型备注seed_type种子类型Nvarchar(20)不为空seed_num种子编号int主键 不为空PICK_TIME采摘时间Varchar(20)不为空HOUSE_ID大棚号码int不为空