智能农业温室大棚管理系统项目计划书

智能农业温室大棚管理系统项目计划书

一、项目背景

近年来，农业温室基础设施发展迅速，但是在自动监控方面仍存在着诸多问题。温室监控区域较大，需要大量的传感器节点构成大型监控网络，通过各种传感器采集诸如温度、空气湿度、光照度、土壤湿度、EC值、pH值等信息，实现自动化监控。传统温室监测与控制系统多采用有线连接，布线复杂，往往造成温室内线缆纵横交错、使用不便、安装维护困难、可靠性差等问题。

无线传感器技术被认为是满足温室应用需求且代替有线连接的最好方式。惠企物联科技结合最新的ZIGBEE无线技术，将传感器整合到无线传送网络中：通过在农业大棚内布置温度、湿度、光照、等传感器，对棚内环境进行检测，从而对棚内的温湿度，光照等进行自动化控制。通过更加精细和动态监控的方式，来对农作物进行管理，更好的感知到农作物的环境，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平。

二、现存问题

?首先是成本较高。一般来讲，一套智能化的控制系统成本主要包括硬件成本、运行成本和维护成本。硬件成本包括各仪器仪表、通信线缆等。整个系统也不能自由组合或者裁剪应用于不同的对象，使得难以得到推广和普及。同时，由于系统复杂、布线繁多、故障率高而且使得故障后的维修成本极大。另外，系统庞大造成的运行成本也不是一笔小费用。

?其次是布线复杂。温室中有大量分散的传感器和执行机构，这些设备可能随着作物的改变而进行调整，同时错综复杂的线缆也需要重新铺设，工作量较大。为了科学、合理地实现大面积温室环境参数的自动检测与控制，电子检测装置和执行机构的设置不仅数量大而且分布广，连接着各个装置与机构的线缆，也因此纵横交错。当温室内生产的果蔬作物更替时，相应的电子检测装置和执行机构的位置常常需要调整，连接着各个装置与机构的线缆有时也需要重新布置。这不仅增大了温室的额外投资成本和安装与维护的难度，有时也影响了作物的良好生长。

?第三，故障解决难。当数据无法正常接收时，检查人员不知道是线路问题还是节点故障。另外，目前的控制系统多采用基于现场总线的分布式模式，当总线出现故障时，虽然各控制节点尚能正常工作，但是上位机却无法正常管理整个网络，专家控制策略无法实施。

三、项目意义

(1)实现广范围的测量，需求传感器节点多

当前温室生产的首要特点就是监控区域很大，普通单个连栋温室都有几千平方米，而一个园区温室群的面积可能会在几百亩以上，因此需要大量的传感器节点构建传感器网络，在每个温室中采集诸如空气温度、空气湿度、光照强度、土壤湿度、营养液EC值、pH值以及室外天气参数等信息，除此以外，目前对作物生理参数的检测也逐渐受到人们的重视，因此将会有更多的传感器节点被用于温室生产。另外，用于驱动温室中执行机构的控制节点的数量也不能忽略。由此可见，温室对其监测与控制系统的首要需求就是网络容量大。

(2)检测点位置灵活变动

温室中大量分散的传感器，但随着作物的生长而需要不断调整位置；或者当温室内生产的作物更替时，相应的电子检测装置和执行机构的位置也常常需要调整；另外，温室的利用结构也会经常根据用户需要而不断改变，这就要求系统中各个节点能根据需要随意变换位置而不影响系统工作。

(3)节点数目可随意增减

作物生长阶段不同，环境因子对作物的影响可能也不同，生长初期可能对温度比较敏感，而后期可能对光照比较敏感，这就要求系统可以随意改变节点的类型和数量。除此以外，随着作物的生长，用户可能还需要对植物的生理参数进行监测而需要不断增加传感器节点。在某些科研温室中，也经常需要改变传感器节点的类型和数量，以达到精确监测与控制。上述这些情况都需要所用的监控系统的节点能随意增减。

(4)系统可靠性

系统故障而造成的经济损失不可估量。如果系统出现问题而未能被及时发觉和修复，那么可能对作物造成致命的伤害，尤其在一些恶劣的天气例如高温和寒冷气候条件下，这将直接影响产量和收益。另外，温室内湿度高、光照强、具有一定的酸性，都会导致线缆的腐蚀、老化，从而降低系统的可靠性和抗干扰性，这对于检查系统故障造成困难。例如，当数据无法正常接收时，检查人员不知道是线路问题还是节点故障，这对及时发现和解决故障带来不便。因此，温室测控系统必须要可靠。

四、项目介绍

4.1 ZIGBEE技术介绍

ZIGBEE技术是IEEE(美国电子和电气工程师协会)研发的新一代无线通讯技术。可应用在固定、便携或移动设备上的，低成本、低功耗的低速率无线连接技术；2001年8月，美国HONEYWELL等公司发起成立了ZigBee联盟，他们提出的ZigBee技术被确认为IEEE 802．15．4标准；现联盟内有众多的成员企业。

ZIGBEE技术现已被非常的应用，诸多的芯片厂家，如TI,三星，飞利浦等等，都生产出了与该协议技术兼容的芯片，并被大量的应用。

ZIGBEE属于微波段2.4GHZ频率，可实现远距离（0~1000米）传送给路由器；一般有3部分组成：ZIGBEE传感器标签、ZIGBEE路由器、ZIGBEE协调器组成，需外接2.4~3.7V的电源，当标签检测到现场的数据后，通过电磁波的传导，远距离的无线传输给路由器，路由器在已同样的原理传输给协调器，协调器一方面可以将数据通过串口传送给电脑，以供系统分析控制，一方面可以通过内置的单片系统处理、分析、控制所接受的数据。整个传输过程均通过无线传输，传送速率在250K/s,且在传送过程中对数据的加密保护，实现了快速、安全的现场数据采集。

ZIGBEE在无线传输的过程中，可以自动的实现自组网、多跳、就进识别的功能，当现场的单个路由出现问题时，其他路由会自动的寻找其他的线路，不会耽误系统的运行；

4.2系统简介

温室大棚对环境的要求非常高，温度、湿度、光照、CO2、等一系列的参数均对其影响重大。优秀的温室大棚管理，即对于以上环境变量的严格管理。

在本系统中，我们采用不同的传感器来实现对环境的监控，像无线温度传感器、无线湿度传感器、无线光照度传感器、无线CO2传感器等。以无线温度传感器为例，该传感器采用3大模块组成：1、温度传感器模块；2、单片机系统模块；3、无线发送模块。温度传感器模块检测到现场的温度数据后，将数据交由单片机处理，单片机通过模拟转数字-数字转模拟的处理，最终驱动无线发送模块将数据无线发出。此无线温度传感器的传输距离可达120米。

无线温度传感器将数据向外发送，安装在室内的或室外的路由器接受该数据，并将数据整理后，发送给ZIGBEE协调器，协调器会将数据整理并通过串口上传电脑，电脑即根据现场的数据，与温度标准值进行比较，如若超出标准值，电脑则控制温室内外的：天窗、侧窗、内遮阳保温幕、外遮阳幕、风机、等开启。同时，温室内的传感器时时检测现场数据，当现场温度达到标准值后，电脑即关闭控制。

4.3系统硬件组成

系统硬件按照控制的流程分3大部分：数据采集部分、数据传输部分、控制部分。

4.3.1数据采集部分

?温度传感器：该传感器采用3大模块组成：1、温度传感器模块，采用美国进口的DS18B20模拟头，精度等级在± 0.5℃；2、单片机系统模块；3、无线发送模块。4、长待机电池。温度传感器模块检测到现场的温度数据后，将数据交由单片机处理，单片机通过模拟转数字-数字转模拟的处理，最终驱动无线发送模块将数据无线发出。每只传感器都带有一个ID 号，而此ID号是有24位的字母、数字组成，可以实现无限的序号组合，即可实现全球唯一ID号；每只标签的ID号与其所在的位置是相对应的，这个可以在系统建数据库时，位置绑定在该ID号的信息中。即当系统读取到序号为“1234567”的ID号时，系统即会知道该标签是处于：第几号温室？那个位置段？，如该标签测量的数据较高时，系统就会知道具体的位置。此无线温度传感器的传输距离可达120米。

?湿度传感器：该传感器采用3大模块组成：1、湿度传感器模块，采用美国进口的SHT11模拟头，精度等级在± 3%RH；2、单片机系统模块；3、无线发送模块。4、长待机电池。湿度传感器模块检测到现场的湿度数据后，将数据交由单片机处理，单片机通过模拟转数字-数字转模拟的处理，最终驱动无线发送模块将数据无线发出。每只传感器都带有一个ID 号，而此ID号是有24位的字母、数字组成，可以实现无限的序号组合，即可实现全球唯一ID号；每只标签的ID号与其所在的位置是相对应的，这个可以在系统建数据库时，位置绑定在该ID号的信息中。即当系统读取到序号为“1234567”的ID号时，系统即会知道该标签是处于：第几号温室？那个位置段？，如该标签测量的数据较高时，系统就会知道具体的位置。此无线湿度传感器的传输距离可达120米。

?光照度传感器：该传感器采用3大模块组成：1、温度传感器，采用美国德州仪器的传感器，可测量0~20万lus；2、单片机系统模块；3、无线发送模块。4、长待机电池。光照度传感器模块检测到现场的温度数据后，将数据交由单片机处理，单片机直接将接受到的传感器数字信号处理，并驱动无线发送模块将数据无线发出。每只传感器都带有一个ID号，而此ID号是有24位的字母、数字组成，可以实现无限的序号组合，即可实现全球唯一ID 号；每只标签的ID号与其所在的位置是相对应的，这个可以在系统建数据库时，位置绑定在该ID号的信息中。即当系统读取到序号为“1234567”的ID号时，系统即会知道该标签是处于：第几号温室？那个位置段？，如该标签测量的数据较高时，系统就会知道具体的位置。此无线光照度传感器的传输距离可达120米。

? CO2传感器：该传感器采用美国（Telaire）公司产品，该传感器采用红外光谱形式，

0-2000PPM 的量程能满足植物研究的所有需求。传感器对科研型温室高温、高湿不敏感。此传感器采用有线传输。该只传感器与其所在的位置是相对应的，这个可以在系统建数据库时，位置绑定在该ID号的信息中。即当系统读取到序号为“1234567”的ID号时，系统即会知道该标签是处于：第几号温室？那个位置段？，如该标签测量的数据较高时，系统就会知道具体的位置。

?雨量传感器：本仪器反斗部件翻转灵敏，性能稳定，工作可靠。承雨口采用不锈钢皮整体冲拉而成，光洁度高，滞水产生的误差小。仪器外壳用不锈钢制成，防锈能力强，外观质量佳。此传感器采用有线传输。该只传感器与其所在的位置是相对应的，这个可以在系统建数据库时，位置绑定在该ID号的信息中。即当系统读取到序号为“1234567”的ID号时，系统即会知道该标签是处于：第几号温室？那个位置段？，如该标签测量的数据较高时，系统就会知道具体的位置。

?降雨感知传感器：探头为美国德州仪器TI 公司产品，主要用于探测是否有降雨，该产品具有判断降雨和结露的不同情况，具有工作可靠，价格便宜等特点。此传感器采用有线传输。该只传感器与其所在的位置是相对应的，这个可以在系统建数据库时，位置绑定在该ID号的信息中。即当系统读取到序号为“1234567”的ID号时，系统即会知道该标签是处于：第几号温室？那个位置段？，如该标签测量的数据较高时，系统就会知道具体的位置。

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风速风向传感器：风速风向传感器”选用美国Davis（戴维斯）公司产品（Davis6410）。“风速风向传感器”内部装有精密旋转运动部件，这些机械部件的稳定性非常好，能在恶劣环境下保持传感器的测量精度。，外壳高强度特殊工程塑料具有极好的抗紫外老化作用。此传感器采用有线传输。该只传感器与其所在的位置是相对应的，这个可以在系统建数据库时，位置绑定在该ID号的信息中。即当系统读取到序号为“1234567”的ID号时，系统即会知

道该标签是处于：第几号温室？那个位置段？，如该标签测量的数据较高时，系统就会知道具体的位置。

?土壤湿度传感器：采用水利部认证传感器，该传感器采用先进的“时域反射原理”，杆式设计，感应部分48cm，适用于测量任何类型土壤的体积含水量，测量精确，性能稳定可靠，此传感器采用有线传输。该只传感器与其所在的位置是相对应的，这个可以在系统建数据库时，位置绑定在该ID号的信息中。即当系统读取到序号为“1234567”的ID号时，系统即会知道该标签是处于：第几号温室？那个位置段？，如该标签测量的数据较高时，系统就会知道具体的位置。

?水暖水温传感器与土壤温度传感器：采用美国DALAIS 公司温度传感器，外套“密封不锈钢铠甲”。特性：一致性好，精度高，密封性好，此传感器采用有线传输。该只传感器与其所在的位置是相对应的，这个可以在系统建数据库时，位置绑定在该ID号的信息中。即当系统读取到序号为“1234567”的ID号时，系统即会知道该标签是处于：第几号温室？那个位置段？，如该标签测量的数据较高时，系统就会知道具体的位置。

?液面湿度传感器: 主要测量植物表面的叶面蒸发程度及植物表面的湿度情况，适用于高档花卉。例：一品红，该系列传感器适用于农业、园林、气象、环保等领域对温度和湿度的测量，经过绝缘封装等加工工艺，可在高温高湿等恶劣环境中长期稳定地工作。此传感器采用有线传输。该只传感器与其所在的位置是相对应的，这个可以在系统建数据库时，位置绑定在该ID号的信息中。即当系统读取到序号为“1234567”的ID号时，系统即会知道该标签是处于：第几号温室？那个位置段？，如该标签测量的数据较高时，系统就会知道具体的位置。

以上的诸多品种传感器，可直接安放在温室内，或温室外。其中最为常用的传感器为温度传感器、湿度传感器、光照传感器，在本系统中针对此3种传感器，我们采用无线的传输方式，用无线模块将数据送至无线路由器。其他种类传感器因考虑用量较少，用无线传输方式成本较高，暂时用有线传输数据。

4.3.2数据传输部分

?无线路由器：识读标签；微波2.4~2.5GHz微波频段；吊挂式或固定支架安装，防尘防水，与标签的读写距离0~300米。

无线路由器的信号覆盖到无线传感器的接收范围内时，路由器即能采集到标签过来的数据信息；

因现场需要检测不同位置的环境，会安装较多的传感器，路由器接收的数据具备冗长性，通过数据融合，将多个无线传感器数据整理成更精准的数据，无线发送给协调器；

路由器除接收并发送无线传感器的数据外，还可以作为其他路由器的上位路由，其他路由可以借此路由进行与协调器的通讯。

?无线协调器：识读中继器，接收中继传送过来的信息，并将数据用串口上传工控机；识别距离0~300米可调；微波2.4~2.5GHz频段；吊挂式或固定支架安装，工业RS485串口，防尘防水。

协调器是最终连接电脑的设备，它前端采集路由数据，后端向电脑传送数据。当现场数据较大，较多时，亦不会产生数据的拥堵。

4.3.3控制部分

?工控机：采用工业PC机，较强的功能与性能，具备工业级别的串口通讯、I/O口输入输出。

内置强大的软件控制功能：稳定的数据采集、基于实际应用的数据分析、专家数据库、精准的控制逻辑。

? PLC控制：采用西门子公司的S7系列PLC；多路稳定的I/O控制、工业级别的串口通讯、精准的控制时序、

?驱动控制：电机、气缸、电磁阀

?现场执行单元：内遮阳，外遮阳，顶开窗，侧开窗，湿帘外开窗，湿帘水泵，湿帘风机，2组风机，内循环风机，补光灯，喷雾，微喷等设备。（甲方单独配置）

4.4系统软件

本系统软件着重分析了温室中的：空气温度、空气湿度、土壤温度、光照度，4大参数，这是温室环境控制中最重要的4个参数。

4.4.1空气温度控制

4.4.1.1现场数据采集

在温室内安放多个无线传感器，因传感器无线发送数据，所以不用担心布线的繁杂，可以将传感器安放在温室内的任何一个地方，并且可以随意的调整位置。传感器还内存有ID号，每个传感器的ID是全球唯一，是代表该传感器的身份。传感器安放好后，传感器的ID号、采集的数据、所在位置等信息会一并的传给路由。

温度管理一般把一天分为午前、午后、前半夜和后半夜4个时段来进行温度调节。午前以促进光合作用、增加同化量为主；午后光合作用呈下降趋势；日落后以促进体内同化物的运转；夜温以抑制呼吸、减少消耗、增加积累；传感器内置单片控制系统，因此可以设置传感器检测和外发数据的周期，就可以设置传感器外发数据的周期为1次/小时、1次/分钟、或1次/30秒等，一来可以根据现场的实际需求而定，二来可以为传感器节省电能，使用的时间更长久。

4.4.1.2数据传输

传感器将采集到的数据无线发送给室内的路由器，路由器接收并转化传感器的数据，标签是利用电磁波形式传递数据，路由接收后，解调该数据。

在同一时间会有多个标签向路由发送数据，路由会将接收到的数据进行融合，整理成较精准的数据发出。如：

路由器除接收并发送无线传感器的数据外，还可以作为其他路由器的上位路由，其他路由可以借此路由进行与协调器的通讯。如图：

协调器是最终连接电脑的设备，它前端采集路由数据，后端向电脑传送数据。工业RS485串口连接电脑，防尘防水。

4.4.1.3控制时序

A、温度高于标准值：每种植物都有不同的温度生长曲线，植物在不同的时间段都会有不同的适宜生长温度，如在每一天中，植物对于温度的需求就有4种，这是因为其处于不同的时段，会有不同的转化机能。当温室内的空气温度高于标准值时，系统会自动比较在某时段标准值与实际值的差异，进而来控制不同设备进行降温。

"如：ID号为“123456789”的传感器，检测到现场的温度数据为35.4℃时，数据经由无线路由，无线协调器，最终将数据上传给工控机。

"系统为保证该温度值不是瞬间的值，会在第一次接收到该ID号的数据后延时0~90秒，再取值比较，借以准确的判断该值是一个趋势值。

"系统会调出在该段时间的标准值27℃，并与现场数据比对，判断比现场的温度高8.4℃，即会控制降温设备开启。

"控制降温设备的开启顺序：系统在一定的时间内（0~99秒可调）判断当前温度值不能降低到目标值时，会顺序开启降温设备；当现场温度与目标温度相差较大时，系统控制跳跃开启其中的某项设备。

λ天窗：分段开启顶开窗系统;通过室外自然温室调整温室内的温度，依此原理，直至顶开窗系统为100%。

λ侧窗：再分段开启侧窗通风系统；依此原理，直至侧开窗系统为100%。

λ强制降温过程：自然通风不能降低温室内的温度时，系统自动关闭自然通风相关设备，采用强制通风的方式来控制室内温度。延时后，关闭天窗，其次关闭侧窗。

λ湿帘外翻窗：开启湿帘外翻窗。

λ一组风机：开启第一组风机。

λ湿帘水泵：开启湿帘水泵。

λ二组风机：开启第二组风机。

λ循环风机：在一定的时间内判断当温室内的温室不均匀时，开启循环风机。

λ喷林或喷雾：开启屋顶喷淋系统。

λ报警：判断温度降不到目标值,则计算机会开启温度过高报警，提示用户需增加降温设备。

系统会时时检测现场温度，当现场温度趋于目标温度时，系统即关闭降温设备。

B、温度低于标准值：

"如：ID号为“123456789”的传感器，检测到现场的温度数据为20℃时，数据经由无