基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚管理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析

◆王 浩

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院 山西 030620)

基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚管理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析

◆王 浩

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院 山西 030620)

物聯(lián)網(wǎng)在溫室大棚管理控制中的應(yīng)用起到了非常突出的效果，對(duì)溫室的濕度、溫度、通風(fēng)、光照等可進(jìn)行詳細(xì)的分析。本文針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚管理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案做出了進(jìn)一步探究，全面介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的智能化溫室工程整體方案、具體方案、關(guān)鍵技術(shù)分析給出了指導(dǎo)與建議。

物聯(lián)網(wǎng)；溫室大棚；管理系統(tǒng)；設(shè)計(jì)方案

0 引言

溫室大棚管理系統(tǒng)中，要對(duì)大棚內(nèi)部的溫度、濕度、二氧化碳含量、光照強(qiáng)度、土壤情況實(shí)時(shí)進(jìn)行掌握，可有效保障內(nèi)部農(nóng)作物在良好的環(huán)境下生長(zhǎng)。目前，較多的大棚采用的不同的設(shè)備來保障好農(nóng)作物的生長(zhǎng)。例如：通風(fēng)系統(tǒng)、外遮陽、暖風(fēng)機(jī)等。但這些設(shè)備皆需要人工進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控操作，有很多不方便之處。目前，為了給農(nóng)作物提供更好的生長(zhǎng)環(huán)境，對(duì)大棚內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的調(diào)控，逐步建立起智能大棚管理控制系統(tǒng)，對(duì)各項(xiàng)參數(shù)實(shí)施有效的智能調(diào)節(jié)，進(jìn)行自動(dòng)化管理。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介

物聯(lián)網(wǎng)是目前發(fā)展非常迅速的一種網(wǎng)絡(luò)信息體系，其構(gòu)成的主要模塊有RFID射頻識(shí)別模塊、GPS體系和不同的傳感單元【1】。無線網(wǎng)絡(luò)屬于一種傳輸信息的媒介，是實(shí)施智能化的感知識(shí)別系統(tǒng)，互聯(lián)傳輸以及信息計(jì)算處理。

物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)體系層次通常分為：

（1）感知層。處理信息的系統(tǒng)收獲各種需要進(jìn)行監(jiān)控或者處理的信息，利用RFID技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)傳感器來實(shí)現(xiàn)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。該層的主要功能負(fù)責(zé)對(duì)信息進(jìn)行傳輸，其中包含網(wǎng)絡(luò)傳感器的相關(guān)信息和上層模塊傳送的控制信息。

（3）應(yīng)用層。應(yīng)用底層獲取的感知數(shù)據(jù)與不同的應(yīng)用進(jìn)行結(jié)合，完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理以及管理。

在農(nóng)業(yè)這一領(lǐng)域中，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入，可將傳統(tǒng)的管理模式改變?，F(xiàn)代的科技水平將人力和機(jī)械改革為智能化信息管理系統(tǒng)，將農(nóng)業(yè)管理的水平進(jìn)行了全面提升，并且使農(nóng)作物得到了更好的進(jìn)行生長(zhǎng)環(huán)境，提高產(chǎn)量。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化溫室工程整體方案

2.1 溫室基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

溫室利用條形的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，以磚石架構(gòu)為砌體進(jìn)行砌筑。凍層低于挖深，將苯板以直立的形態(tài)放置于基礎(chǔ)的內(nèi)側(cè)實(shí)施保溫，骨架結(jié)構(gòu)是立柱鋼管。

2.2 溫室覆蓋材料

在智能溫室的頂部，覆蓋的浮法玻璃厚度為4mm，具有90%的透光率。頂部和四周的材料采用專用的鋁型材料【2】，用橡膠條將其密封好，這樣的施工使大棚具有采光和密封性能好、強(qiáng)度比較高和阻燃能力強(qiáng)的特征。

2.3 溫室通風(fēng)系統(tǒng)

利用機(jī)械進(jìn)行通風(fēng)的形式，選擇負(fù)壓實(shí)施排風(fēng)，在溫室中設(shè)立等距離的進(jìn)風(fēng)口。選用構(gòu)造簡(jiǎn)單，可靠牢固、噪聲比較小的軸輪式風(fēng)機(jī)。其優(yōu)勢(shì)在于安裝非常便捷，通風(fēng)效果非常突出，安全性強(qiáng)。在進(jìn)風(fēng)口處加設(shè)濕簾，可起到調(diào)節(jié)溫度的作用。

2.4 內(nèi)遮陽保溫系統(tǒng)

該項(xiàng)系統(tǒng)利用對(duì)光照進(jìn)行調(diào)節(jié)，有效的改變了內(nèi)部的整體環(huán)境。在裝置中有進(jìn)行遮光的材料，可以將過強(qiáng)或者過多的光線進(jìn)行濾除。并且，保溫材料構(gòu)成的封閉空間，可很好的起到保溫的功效。

2.5 自然通風(fēng)裝置

在溫室大棚的頂部架設(shè)自動(dòng)開閉窗裝置，也就是在每一個(gè)屋脊處架設(shè)電驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)窗。利用定時(shí)控制以及人工對(duì)其發(fā)出的指令進(jìn)行開閉的操作，在合適的自然通風(fēng)環(huán)境下，室內(nèi)溫度可以得到很好的把控，更加適合農(nóng)作物的生長(zhǎng)。

2.6 溫室灌溉系統(tǒng)

灌溉的模式一般采用噴灌與滴灌互相結(jié)合。其中，噴灌是在一定的壓力條件下將水和養(yǎng)分利用驅(qū)動(dòng)噴頭旋轉(zhuǎn)均勻的進(jìn)行灌溉。滴灌利用塑管將水以及養(yǎng)分利用毛管分支上的滴頭實(shí)施局部灌溉。

2.7 室內(nèi)補(bǔ)溫系統(tǒng)

基于溫室的建設(shè)環(huán)境是在我國(guó)的華北地區(qū)，因此對(duì)溫室進(jìn)行補(bǔ)溫非常重要?？刹捎玫怄u燈，燈距控制在3m左右，在深冬時(shí)節(jié)便可進(jìn)行補(bǔ)溫。

2.8 溫室控制系統(tǒng)

在溫室內(nèi)可直接引入溫室控制系統(tǒng)?，F(xiàn)代的溫室控制系統(tǒng)皆可以進(jìn)行遠(yuǎn)程對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行控制，構(gòu)成良好的灌溉環(huán)境。

2.9 施肥控制系統(tǒng)

在溫室內(nèi)該項(xiàng)系統(tǒng)也可以直接引入，可結(jié)合自身溫室的條件對(duì)不同的施肥控制系統(tǒng)進(jìn)行選擇。目前的施肥控制系統(tǒng)皆可以通過自適應(yīng)的施肥單元將肥料注入到灌溉管道中，之后再通過滴灌的模式進(jìn)行施肥【3】。施肥控制系統(tǒng)已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了定時(shí)進(jìn)行施肥以及定量進(jìn)行施肥的功能。

2.10 傳感單元

傳感單元可以設(shè)置在溫室的四周墻壁、屋頂以及土壤中，對(duì)周圍的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，有效對(duì)溫度、濕度、環(huán)境情況進(jìn)行控制。

3 溫室大棚系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)系統(tǒng)主要的功能包括傳感器對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的收集和查詢、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、參數(shù)設(shè)置以及知識(shí)庫系統(tǒng)等。

傳感器查詢系統(tǒng)：每一個(gè)傳感器皆有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史查詢的功能，利用列表的形式進(jìn)行展現(xiàn)，按時(shí)間默認(rèn)進(jìn)行排序。該系統(tǒng)可以按照不同的時(shí)間段進(jìn)行查詢，利用以時(shí)間為橫軸，傳感器的數(shù)據(jù)為縱軸的二維趨勢(shì)圖，這樣更加方便進(jìn)行查看。

預(yù)警通知預(yù)處理系統(tǒng)：該系統(tǒng)在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)會(huì)進(jìn)行一系列的例行檢測(cè)，當(dāng)設(shè)備存在異常現(xiàn)象時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將信息發(fā)送至相關(guān)責(zé)任人的手機(jī)中【4】。在系統(tǒng)對(duì)溫室實(shí)施自動(dòng)調(diào)節(jié)控制之后，內(nèi)部的數(shù)據(jù)參數(shù)如果仍然超出設(shè)定的數(shù)據(jù)，也會(huì)將警報(bào)信息發(fā)送至聯(lián)系人的手機(jī)中，以便責(zé)任人能夠快速對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理。

設(shè)備遠(yuǎn)程控制以及參數(shù)設(shè)置：遠(yuǎn)程控制分為手動(dòng)以及自動(dòng)控制，其中手動(dòng)控制是利用PC終端，手機(jī)智能終端等對(duì)PLC電機(jī)、遮陽簾、側(cè)壁薄膜卷簾以及PVC管、噴頭等實(shí)現(xiàn)通風(fēng)降溫以及遮陽。自動(dòng)控制系統(tǒng)既為系統(tǒng)的對(duì)電機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，設(shè)備參數(shù)的設(shè)置主要是對(duì)遠(yuǎn)程收集設(shè)備以及照相裝置實(shí)施參數(shù)設(shè)置。

系統(tǒng)用戶管理：該系統(tǒng)可以進(jìn)行用戶登錄、角色和權(quán)限管理等功能。例如：用戶可在該項(xiàng)系統(tǒng)中進(jìn)行增加、刪除、更改、查詢。用戶可以利用系統(tǒng)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)取，并且可以控制溫室內(nèi)的相關(guān)設(shè)備。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

溫室大棚系統(tǒng)硬件依據(jù)進(jìn)行控制的流程可以分為三部分：收集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、執(zhí)行控制處理。（如圖一所示)利用AT89S52單片機(jī)為核心關(guān)鍵主操控器，對(duì)溫室內(nèi)的FM-KWS溫濕度傳感器、BF-FC-GZ光照傳感器、wi10171土壤溫濕度傳感器以及LC02-A1二氧化碳濃度傳感器實(shí)施參數(shù)收集。收集數(shù)據(jù)的部分應(yīng)用單片機(jī)，將有待測(cè)量的不同數(shù)據(jù)變化的電流進(jìn)行收集，之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致的處理，最后通過無線網(wǎng)絡(luò)將其傳送到數(shù)據(jù)中心，應(yīng)用檢驗(yàn)平臺(tái)實(shí)施算法分析，制定最后的決策，以便自動(dòng)將命令發(fā)出。這樣便能很好的對(duì)溫室內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，使溫室內(nèi)的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境處于最佳的狀態(tài)，提升農(nóng)作物的質(zhì)量和品質(zhì)。

圖1 硬件組成框圖

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

由于溫室內(nèi)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)對(duì)線路傳輸速率沒有較高的要求，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了替代，使其更具有操作可行性【5】。ZigBee技術(shù)具有較多的優(yōu)勢(shì)，其中包括距離短、復(fù)雜程度低、功耗消耗低、成本低以及雙向通信等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于分布式的網(wǎng)絡(luò)，由在監(jiān)控范圍內(nèi)部署的大量傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。傳感器在網(wǎng)絡(luò)可靈活設(shè)置，可隨意更換位置，利用無線的形式構(gòu)成多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。利用傳感器的強(qiáng)大功能，對(duì)監(jiān)控范圍內(nèi)被感知的對(duì)象實(shí)施數(shù)據(jù)收集，以便之后進(jìn)行處理和傳輸。

4.2 溫室大數(shù)據(jù)分析

溫室內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)收集的農(nóng)作物各項(xiàng)生長(zhǎng)參數(shù)，會(huì)在大數(shù)據(jù)分析中心存儲(chǔ)。大量的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)組成了農(nóng)作物生長(zhǎng)情況監(jiān)控，異常情況警報(bào)、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)分析、決策支持的來源數(shù)據(jù)。利用對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，結(jié)合分析之后的情況制定最佳參數(shù)設(shè)定值，可對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)變化進(jìn)行預(yù)測(cè)以及常見災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警（如圖2所示）。

圖2 溫室大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

4.3 實(shí)施數(shù)據(jù)收集顯示分析以及參數(shù)的設(shè)置

大棚內(nèi)的數(shù)據(jù)收集主要應(yīng)用傳感器定時(shí)上傳數(shù)據(jù)系統(tǒng)、視頻以及圖像動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)有設(shè)置在棚內(nèi)的監(jiān)控點(diǎn)負(fù)責(zé)采集獲取的，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集數(shù)據(jù)，將傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)過匯聚節(jié)點(diǎn)輸送至數(shù)據(jù)中心，利用WEB等形式顯示出來，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的具體流程（如圖3所示）。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流程圖

5 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)是目前信息發(fā)展的重要方向，可以應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)將人工管理改革成智能管理，加快我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的腳步。我國(guó)是科技大國(guó)，更是農(nóng)業(yè)大國(guó)，將傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)管理利用高科技進(jìn)行改變，可有效的提升農(nóng)作物的產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的大豐收。此外，農(nóng)業(yè)的巨大發(fā)展空間為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的使用提供了更加廣闊的平臺(tái)。因此，隨著該項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展，能夠幫助農(nóng)業(yè)發(fā)展的腳步加快，實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)以及管理，全面將我國(guó)農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展水平進(jìn)行提升。

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[3]文燕.基于物聯(lián)網(wǎng)智能溫室大棚系統(tǒng)的構(gòu)建[J].信息與

[4]王懷宇，趙建軍，李景麗，張玉新.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015.

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