基于物联网温室大棚种植监测控制系统的设计与实现

基于物联网温室大棚种植监测控制系统的设计与实现

摘要：针对传统人工采集费时费力和有线监控布线复杂、维护困难的局限性，将传感器与ZigBee 无线网络技术相结合，提出了无线传感网络的智能温室大棚监控系统的设计方案。该系统利用ZigBee技术实现对采集数据及信息的无线收发，通过公共网关接口CGI将数据和控制信息传送到互联网。操作人员可从远距离的PC机上实时查看数据、实施控制，从而实现了真正意义的远程监控。

随着物联网技术的不断发展和农业物联网建设的不断展开，智能温室大棚种植监测控制系统已经开始广泛应用于温室大棚智能化管理中。智能农业基于软件平台的温室大棚种植监测控制系统，结合当前新兴的物联网技术实现高效利用各类农业资源和改善环境这一可持续发展目标，不但可以最大限度提高农业现实生产力，而且是实现优质、高产、低耗和环保的可持续发展农业的有效途径。

一、概述

精确农业（Precision Agriculture ）是当今世界农业发展的新潮流，它最大的特点就是“精确”，利用卫星全球定位系统、遥测遥感技术、计算机自动控制技术和物联网等高新技术于农业生产，用以提高产量，降低能耗。精确农业的推广不但可以最大限度提高农业生产力，而且是实现优质、高产、低耗和环保的可持续发展农业的有效途径。

随着农业技术的不断发展，温室大棚已经相当普及，随之而来的温室大棚智能监控管理平台搭建的需求愈发强烈。传统的温室大棚多为人工通过简单的温湿度计量设备或者简单的仪器仪表获取环境状态参数，并根据经验手动控制各个调节阀。此种方式效率低下，控制效果也无法达到智能自动的要求，因此传统的监控管理方式已显示出诸多局限性。

二、智能温室监测系统设计原则

可扩展性——系统在设计过程中除满足当前需求外，还需为日后的系统扩展留有足够的接口，所有功能模块均为可组态化设计，可以灵活的增加或者删除。

可集成性——系统在设计过程中需具备高度集成性，满足于第三方平台的实时交互集成需求。

可控制性——系统建成后，要求对温室中的温湿度、光照强度、喷灌装置等设备可实现远程自动、手动控制，保证温室作物处于最优的生长环境中。

三、智能温室监测系统设计目标

根据现场实际需求，温室大棚智能监控管理系统需要满足一下设计目标：

1、系统可实现各个温室大棚的空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳浓度、光照强度等数据

的采集和汇总。

2、系统可实现对各个温室大棚的智能控制，需配套合适的控制策略实现对风机、喷淋灌溉、遮阳调光等设备的远程控制。

3、系统需要保证温室大棚的内环境最适宜作物的生长，为作物的高产、优质、高效、安全创造条件。

4、系统数据除了满足汇总归纳分析的需求，还可实现远程浏览，可通过手机、PDA等移动终端实时对现场环境实现监控管理。

智能温室监测系统构成图

四、温室大棚种植监测控制系统组成

为了实现上述设计目标，本系统包括现场采集传感终端、控制终端、无线通信网络终端、监控中心系统平台4部分组成。

1、传感终端

温室大棚环境信息采集单元主要由各种环境信息传感器组成，包括以下几类

1）数字温湿度传感器

该传感器可实现相对温度和湿度的环境信息测量，具备专业的数字化集成技术和温湿度测量技术，保证数据的真实有效性。传感器自身符合超低功耗设计，单线或者两线串行接口连接方式，可直接与控制器连接实现数据传输。

2）土壤水分传感器

该传感器可实现长期无人值守的土壤含水量监测，外壳抗腐蚀能力强，可长期深埋在土壤中而不会受到损坏，具备高精度、高灵敏度等特点。可实现表层土壤和深层土壤墒情的定点监测和在线测量，数据可直接由水分监测仪获取，或者直接与控制器相连。

3）光照强度传感器

该传感器用于对温室大棚内可见光光照强度的测量，输出信号符合通用标准，能够根据当前的光照条件自动调整量程范围，从而在不同光照强度下均可保持准确的精度。

4）二氧化碳浓度传感器

红外二氧化碳浓度传感器基于红外光谱吸收原理，测量温室中的空气二氧化碳浓度，可实时感应浓度变化。其优异的可靠性保证数据的准确性，避免其他气体的交叉反应。

以上四大类传感器可实时采集温室大棚内的空气温湿度、土壤温湿度、光照强度和空气中二氧化碳浓度等主要数据，通过通信总线传送至控制终端。

2、控制终端

为了实现系统的远程控制功能，每个温室大棚配备PLC可编程控制器作为控制终端。PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，其标准化、系列化、模块化的设计，使得用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。

为了保证温室大棚内的环境适合作物的生长，控制器中加载预先设计好的控制策略程序。

温度控制：当温室大棚内温度高于设定上限值时，控制器发出指令关闭加热器，之后开启通风设备;当温室大棚内温度低于设定下限值时，控制器发出指令关闭通风设备，之后开启加热器，从而保证温室大棚内的温度动态平衡。

空气/土壤湿度控制：当温室大棚内空气/土壤湿度高于设定上限值时，控制器发出指令关闭喷淋灌溉设备，之后开启通风设备;当温室大棚内空气/土壤湿度低于设定下限值时，控制器发出指令关闭通风设备，之后开启喷淋灌溉设备，保证空气和土壤的恒定湿度。

光照强度控制：当温室大棚内光照强度高于设定上限值时，控制器发出指令关闭光照器;当温室大棚内光照强度低于设定下限值时，控制器发出指令开启光照器，使得作物达到最佳的光合作用状态。

二氧化碳浓度控制：当温室大棚内二氧化碳浓度高于设定上限值时，控制器发出指令关闭气

体发生器;当温室大棚内二氧化碳浓度低于设定下限值时，控制器发出指令开启气体发生器，使得空气中二氧化碳浓度达到最佳含量。

设备状态监测：除了对温室大棚内的作物生长环境进行控制外，控制器还负责实时监控各个传感终端的状态监测，一旦出现设备故障会及时产生报警，通知监控中心操作人员。

3、无线通信网络终端

为了减少通信线路铺设的施工量，选择无线通信方式讲数据汇总到监控中心。每个温室大棚配备GPRS DTU数据传输单元，具备串口串行通信接口，支持自动心跳检测，支持自动断线续传，可保持永久在线状态。监控中心配备接收装置，数据通过GPRS/Internet网络实时汇总至监控中心。此种方式可节约大部分通信组网费用，每月只需支付少量流量费，具有更高的经济效益。

4、监控中心系统平台

监控中心系统平台选用科技独立研发的具备自主知识产权的ForceControl系列组态软件，实现温室大棚系统的整体智能管理。监控中心系统平台作为本系统的核心部件，可实时获取各个温室大棚的环境参数，使得工作人员随时了解棚内农作物生长环境。结合控制策略和当前气候状况，可以对控制终端的控制策略进行优化。系统可以将各个设备的工作状态、系统报警信息、系统操作记录等情况反馈给工作人员，同时可显示在监控中心配备的大屏幕中，使得整个系统的运行状况尽在掌握中。

软件人性化的模块化设计，便于各个功能模块的修改、增删，减少了系统维护的成本，加强了系统的时效性。

为了实现网络浏览功能，可配备独立的WEB服务器，用于远程客户浏览。如需对数据进行更深入的分析处理，可配备独立的数据服务器和关系数据库，软件中配备ODBCRouter组件，轻松实现实时数据的转储。智能农业基于软件平台的温室大棚智能监控管理系统，结合当前新兴的物联网技术实现高效利用各类农业资源和改善环境这一可持续发展目标，不但可以最大限度提高农业现实生产力，而且是实现优质、高产、低耗和环保的可持续发展农业的有效途径。

附录---托普物联网

托普物联网是浙江托普仪器有限公司旗下的重要项目。浙江托普仪器是国内领先的农业仪器研发生产商，依据自身在农业领域的研发实力，和自主研发的配套设备，在农业物联网领域崭露头角！