智能農(nóng)業(yè)信息化管控系統(tǒng)解決方案

一、 項目功能及目標

　　在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中。人們獲取農(nóng)田信息的方式非常有限，主要手段是人工測量，獲取過程需要消耗大量的人力物力。同時傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，大量農(nóng)田設施的操作也多憑借經(jīng)驗、依靠人工完成，這樣的方式不但操作不便，而且無法實現(xiàn)大規(guī)模地、準確地、標準化地操作。

　　本項目將通過應用無線傳感器網(wǎng)絡技術，使用大量的傳感器節(jié)點構成監(jiān)控和執(zhí)行網(wǎng)絡， 通過各種傳感器采集各種相關農(nóng)業(yè)信息， 以幫助人們及時發(fā)現(xiàn)問題、準確地確定發(fā)生問題的位置并及時遠程處置。這樣農(nóng)業(yè)將有可能逐漸地從以人力為中心、依賴于孤立機械的生產(chǎn)模式轉向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，從而大量使用各種自動化、智能化、遠程控制的生產(chǎn)設備。

　　具體地，本項目將針對一定區(qū)域農(nóng)田監(jiān)控及管理的應用，通過ZigBee、wifi等無線傳感器網(wǎng)絡技術，將大量的無線傳感器節(jié)點構成大型監(jiān)控和執(zhí)行網(wǎng)絡，通過各種傳感器采集諸如溫度、空氣濕度、光照度、土壤濕度、pH值等相關農(nóng)業(yè)信息，以幫助管理人員及時發(fā)現(xiàn)問題并確定發(fā)生問題的位置，并通過無線節(jié)點控制執(zhí)行機構遠程完成相應的農(nóng)田管理功能。此外，本系統(tǒng)還具有實時視頻采集、傳輸?shù)墓δ埽芨鶕?jù)管理人員需要在遠程隨時查看農(nóng)田現(xiàn)場視頻信息，以獲得直觀、準確的現(xiàn)場情況。本項目采用標準化、模塊化、可裁剪的思想進行研發(fā)，研發(fā)的技術和產(chǎn)品可用于農(nóng)田、溫室、苗圃等的遠程監(jiān)控和管理，并在數(shù)據(jù)采集和自動遠程控制上具有很好的適用性和推廣性。

二、系統(tǒng)構成

　　該系統(tǒng)主要由無線傳感網(wǎng)絡、監(jiān)控中心、農(nóng)業(yè)環(huán)境調控設備網(wǎng)組成：

　　無線傳感網(wǎng)絡：該網(wǎng)主要由土壤水分自動檢測儀、溫濕度傳感器、光照度傳感器、CO2濃度傳感器、土壤養(yǎng)分分析儀等多種傳感器及音視頻設備組成，主要對作物生長所需的綜合環(huán)境的數(shù)據(jù)信息進行采集。

示范系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

　　無線傳感器網(wǎng)絡是系統(tǒng)的基礎，傳感器網(wǎng)絡采用無線組網(wǎng)技術。其中協(xié)調器充當某塊農(nóng)田區(qū)域現(xiàn)場總控制器，管理該區(qū)域內的無線網(wǎng)絡，負責區(qū)域網(wǎng)絡的建立和維護，接收區(qū)域內傳感器數(shù)據(jù)以及設備狀態(tài)等信息，同時發(fā)送控制命令，管理區(qū)域內的執(zhí)行機構。協(xié)調器還具有路由功能，負責轉發(fā)其他區(qū)域協(xié)調器發(fā)往網(wǎng)關的數(shù)據(jù)信息。傳感器網(wǎng)絡中的終端設備包括無線傳感器節(jié)點和無線執(zhí)行器控制節(jié)點，它們分別負責采集、發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送給本區(qū)域網(wǎng)絡協(xié)調器并接收來自協(xié)調器的控制命令驅動控制本節(jié)點執(zhí)行機構完成控制任務。多協(xié)議網(wǎng)關作為本地無線傳感器網(wǎng)絡的匯聚節(jié)點，將來自各區(qū)域協(xié)調器的傳感數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計并通過Ethernet或串口或USB口上傳至本地控制中心計算機。

　　監(jiān)控中心：本地監(jiān)控中心是一臺集成專家系統(tǒng)的管理計算機(工控機)，它通過遠程傳輸網(wǎng)絡(可以是Internet或GPRS或3G等公共固定或移動網(wǎng)絡)將數(shù)據(jù)傳送到遠程服務器。本地控制中心還可以給用戶提供數(shù)據(jù)管理、專家咨詢和輔助決策等處理功能。遠程用戶則可通過Internet遠程訪問本地控制中心，了解溫室群的相關情況。在視頻監(jiān)控網(wǎng)絡中，帶有無線傳輸功能的攝像頭將采集到的實時視頻數(shù)據(jù)通過星形的WIFI網(wǎng)絡傳輸至多協(xié)議網(wǎng)關，再由網(wǎng)關上傳至本地控制主機，實現(xiàn)視頻監(jiān)控功能。遠程主機同樣可以通過網(wǎng)絡訪問獲得實時視頻數(shù)據(jù)。

　　監(jiān)控軟件是監(jiān)控中心的核心組成部分，可實現(xiàn)如下功能：

　　1、界面友好，操作方便;

　　2、實現(xiàn)對相關環(huán)境檢測數(shù)據(jù)的存儲;

　　3、實現(xiàn)對相關環(huán)境檢測數(shù)據(jù)的歷史查詢;

　　4、實時顯示檢測參數(shù)的曲線圖;

　　5、實現(xiàn)Internet遠程查看、傳遞數(shù)據(jù)及顯示檢測參數(shù);

　　6、對采集的數(shù)據(jù)進行專家分析，并根據(jù)分析判斷結果發(fā)送控制命令。

　　農(nóng)業(yè)環(huán)境調控設備網(wǎng)：該網(wǎng)主要實現(xiàn)監(jiān)控中心根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結果對設備進行智能控制，其主要由調節(jié)土壤含水量、空氣濕度、光照度、CO2濃度、土壤養(yǎng)分的相關設備組成，如自動灌溉裝置、水簾裝置、通風機、光簾裝置、自動加肥器等。

　　該系統(tǒng)網(wǎng)絡結構示意圖如下：

　　1、傳感器節(jié)點在采集傳感器數(shù)據(jù)的同時通過無線或者有線的通信網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)網(wǎng)關。

　　2、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關可根據(jù)實際情況選擇有線或者無線的方式連接監(jiān)控中心，監(jiān)控中心將統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行處理.

　　3、監(jiān)控中心將根據(jù)處理信息傳輸給interent網(wǎng)或者根據(jù)需要控制調控設備。

三、系統(tǒng)功能

　　該系統(tǒng)主要實現(xiàn)的是對農(nóng)業(yè)的智能感知和控制功能，其主要功能就是通過傳感網(wǎng)絡采集農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)并對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，根據(jù)處理后的結果由系統(tǒng)的智能控制器對其調控設備進行智能控制，該系統(tǒng)除主要功能外還需具備演示功能，以滿足農(nóng)業(yè)示范中特殊環(huán)境的演示以滿足該項目的示范演示作用。

1、智能控制功能

農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)框架圖

　　(1)溫度控制模塊

　　降溫功能：夏季采用自然和強制通風降溫的方式進行降溫。由控制器根據(jù)目標溫度與實際室溫的偏差以及室溫的變化率進行模糊計算。首先開啟頂開窗系統(tǒng)進行自然通風調整溫室內的溫度，經(jīng)過時間判斷后，如果溫度值還不能降低，再開啟側窗系統(tǒng)。如自然通風不能降低溫室內的溫度值，則由電腦關閉自然通風，采用強制通風的方式來控制室內溫度。如果溫度還下不來，則開啟濕簾水泵，如溫度還降不下來，則計算機會開啟溫度過高報警，提示用戶需增加降溫設備。

　　自動升溫功能：冬季采用暖氣加溫的方式，由控制器根據(jù)目標溫度與實際室溫的偏差以及室溫的變化率進行模糊計算，通過調節(jié)暖氣恒溫閥的開合度來控制室內溫度。

　　溫度控制范圍及精度分別為 20-30℃，±1℃。

　　(2)通風控制模塊

　　由室內傳感器采集室內部的上，中，下三部溫度值來進行模糊計算出室內的溫差值，如果溫差值過大，則自動開啟循環(huán)風機。同時采集室內的濕度值，如果濕度值偏差過大，也自動開啟循環(huán)風機，以平衡室內的濕度偏差值。還可以根據(jù)二氧化碳濃度選擇開啟或者關閉循環(huán)風機。

　　新風換氣機可由電腦操作人員通過控制進行人工操作，也可以進行定時通風來達到通風換氣的目的。

　　(3)光照控制模塊

　　遮光控制功能：在光照較高時，計算機通過室外氣象站系統(tǒng)采集的高靈敏度光照值，與計算機設定的控制目標進行對比，如高于計算機設定目標值，則自動展開外拉幕，進行遮光。如低于計算機設定目標值，則自動收攏外拉幕。也可以由控制器定時進行遮陽，或者由工作人員通過控制器操作。

　　補光控制功能：計算機通過室內數(shù)據(jù)采集器傳回來的高靈敏度的光照值，與設定目標值進行對比，如高于設定目標值，則自動關閉補光燈。如低于設定目標值，則自動打開補光燈。同時，內部有一個光照累積時間的設置值，如累積時間不夠的話，則補光燈會在選定時間打開補光燈，進行補光?？赏ㄟ^ 30組定時器，來設置不同時間，開啟補光燈，開多長時間。

　　(4)水分控制模塊

　　自動控制：計算機內部有一套根據(jù)土壤濕度傳感器采集的值，與設定目標值進行對比，如高于設定目標值，則自動關閉灌溉閥門。如低于設定目標值，則自動打開灌溉閥門。

　　定時控制：輪灌方式，可設定在某個時間段，進行灌溉的方式，可每個小時，灌溉一次，同時也可設定灌溉的次數(shù)。有效的保護了水泵，同時也使土壤更好的吸收水分。

　　(5)濕度控制模塊

　　自動控制：計算機內部有一套根據(jù)室內濕度傳感器的值，與設定目標值進行對比，如高于設定目標值，則自動關閉噴霧閥門。如低于設定目標值，則自動打開噴霧閥門，將其濕度調整到優(yōu)狀態(tài)。

　　定時控制：輪灌方式，可設定在某個時間段，進行噴灌的方式，可每個小時噴灌一次，同時也可設定噴灌的次數(shù)。有效的保護了水泵，同時也使土壤更好的吸收水分。

　　(6)視頻監(jiān)控模塊

　　該功能模塊可用于探測農(nóng)作物的生長情況，病蟲害情況，并可以監(jiān)管其他環(huán)境調控設備是否在正常執(zhí)行命令等。

　　(7)其他控制模塊

　　該系統(tǒng)設計了多個節(jié)點，以便隨時可以添加所需的傳感器和調控設備，從而完成多種功能融合。

　　說明：上面所有的控制過程都配有延時和穩(wěn)定判斷時間和動作穩(wěn)定時間，以保證設備不頻繁進行開啟關閉動作。更好的保護設備。

2、演示功能

　　演示設備包括降水演示、自然風演示、光強度演示等;

　　降水演示：由噴灌設備完成，在實驗區(qū)配置帶支架的噴嘴，模擬降雨，提供道面狀況監(jiān)測儀，土壤水分自動監(jiān)測儀、雨量計、濕度傳感器的演示;

　　自然風演示：配備小型高度可調移動設備架和小型鼓風機，模擬不同大小、方向的自然風;

　　光強度演示：利用小型高度可調移動設備架加遮光簾完成光照強度大小調節(jié)，供光照強度傳感設備的演示。

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