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
Revised as of 23 November 2020
智能农业温室大棚管理系统项目分析与设计
目录
第一章绪论
项目背景
智能温室大棚是农业物联网的一个重要应用领域，是以全面感知、可靠传输和智能处理等物联网技术为支撑和手段，以温室大棚的自动化生产、最优化控制、智能化管理为主要目标的农业物联网的具体应用领域，也是目前应用需求最为迫切的领域之一。温室大棚以日光温室为主，温室结构简易，环境控制能力低。我国温室大棚的技术装备尽管有了较大发展，但是温室大棚种植普遍存在管理粗放、技术设施落实不到位、智能化水平低，导致单位生产效率低、投入产出比不高、农业产品质量安全水平起伏较大的现状，在温室环境、栽培管理技术、生物技术、人工智能技术、网络信息技术等方面和发达国家存在着较大差距。我国建设在南方的大型智能温室以生产花卉为主，北方的则以栽培蔬菜为主，少部分智能温室用于栽培苗木。四川省成都市温江区响应国家号召，政府投资，在温江区实施高科技农业示范区，示范区位于成都市温江区，当地气候为亚热带季风气候，四季分明，七月份平均气温35℃，平均降雨量400mm,一月份平均气温9℃，平均降雨量300mm。全区占地面积为：24m*32m=768平方米，已经装有混凝土拱架塑料大棚，作为有机蔬菜以及园艺种植区域，产品规格为栋宽12米，间距4米，天沟（雨水槽底部局柱底高度）5米，顶高（屋脊到柱底高度）米，屋面角度25度，外遮阳高度米；排列方式为屋脊走向为：南北12m*4跨=48米，侧墙长（南北）：4米*8榀=32米。现计划在该整片温室大棚种植区域安装基于物联网技术的全方位随时监控管理的智能温室大棚系统，作为农业示范区域，以便以后在整个成都片区实行推广。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。
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。
2、方案概述?
本系统结构及配套设施：主体骨架为热镀锌型组装、覆盖材料、自然通风系统强制通风系统、内遮阳系统、外遮阳系统、环流风机系统、加热系统、补光系统、配电系统、监控系统、智能控制系统。
智能化大棚是一个半封闭系统，依靠覆盖材料形成与外界相对隔离的室内空间，一方面要以通风换气创造植物生长优于室外自然环境的条件；另一方面，室内产生的高温高湿和低二氧化碳浓度，通过通风换气来调控，创造植物生长的最佳环境。
3、系统功能描述?
、智能温室大棚物联网感知层?
智能温室大棚物联网的应用一般对温室的七个方面进行监测，即通过土壤、气象、光照等传感器，实现对温室的温、水、肥、电、热、气、光进行实时调控与记录，保证温室内的有机蔬菜和花卉生产在良好的环境中。
、智能温室大棚物联网传输层?
一般情况下，在温室内部通过无线终端，实现实时远程监控温室环境和作物生长情况。通过手机网络和短信的方式，监测温室传感器网络所采集的信息，以作物生长模拟技术和传感器网络技术为基础，通过常见蔬菜生长模型和嵌入式模型的低成本智能网络终端。通过中继网关和远程服务器双向通信，服务器也可以进一步做出决策分析，对所部署的温室中灌溉等装备进行远程管理控制。
、智能温室大棚物联网智能处理层?
通过对获取信息的共享、交换、融合，获得最优和全方位的准确数据信息，实现对智能温室大棚作物的施肥、灌溉、播种、收获等的决策管理和指导。基于作物长势和病虫害等相关图形图像处理技术，实现对大棚作物的长势预测和病虫害监测和预警功能。还可以将监控信息实时地传输到信息处理平台，信息处理平台实时显示各个温室的环境状况，根据系统预设的阈值，控制通风/加热/降温等设备，达到温室内环境可知、可控。
4、系统架构?
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5、系统网络拓扑
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6、各子系统设计?
6、1感知层
（1）无线传感网络
无线传感器网络（WSN）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。
Zigbee网络组网网关：Zigbee—3G
ZigBee节点是可以组建Mesh网络的，设置一个ZigBee节点为网络协调器，其他每个ZigBee节点都可以当做路由节点来使用，也可以设置为终端节点但是就失去了路由功能。
（2）视频监控?
摄像机：WIFI传感网络，对检测到的图像信息使用WIFI进行传输（3）设备供电
设备供电系统由最新的太阳能供电，AC220V、DC12V或者太阳能供电。
6、2传输层
（1）网关：
3G无线网关：将Zigbe信号转化为3G信号进行传输（2）路由器交换机
3G无线路由器、交换机，用于传输局域网和广域网的数据（3）供电设备：采用标准220V电源供电
6、3网络层
(1)终端服务器：采用电脑作为服务器终端(2)云服务平台：
采用云服务器，对大量的信息进行处理和保存(3)监控中心：
采用球机型无线WIFI摄像机对温室大棚的情况进行采集(4)供电方式：
采用220V标准电压供电?
6、4应用层
(1)电脑终端：
采用台式电脑或者笔记本电脑作为应用层终端(2)手机终端：
采用智能手机作为终端，对采集的信息进行处理(3)供电方式：220V标准供电7、工程造价表