1 引言
精確農(nóng)業(yè)(Precision Agriculture ) 是當今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流,，它最大的特點就是“精確”,，利用衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)、遙測遙感技術(shù),、計算機自動控制技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),，用以提高產(chǎn)量，降低能耗,。精確農(nóng)業(yè)的推廣不但可以最大限度提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力,，而且是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn),、低耗和環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的有效途徑,。
隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，溫室大棚已經(jīng)相當普及,，隨之而來的溫室大棚智能監(jiān)控管理平臺搭建的需求愈發(fā)強烈,。傳統(tǒng)的溫室大棚多為人工通過簡單的溫濕度計量設(shè)備或者簡單的儀器儀表獲取環(huán)境狀態(tài)參數(shù)，并根據(jù)經(jīng)驗手動控制各個調(diào)節(jié)閥,。此種方式效率低下,，控制效果也無法達到智能自動的要求，因此傳統(tǒng)的監(jiān)控管理方式已顯示出諸多局限性,。
2 系統(tǒng)設(shè)計原則
可擴展性——系統(tǒng)在設(shè)計過程中除滿足當前需求外,，還需為日后的系統(tǒng)擴展留有足夠的接口，所有功能模塊均為可組態(tài)化設(shè)計,，可以靈活的增加或者刪除,。
可集成性——系統(tǒng)在設(shè)計過程中需具備高度集成性，滿足于第三方平臺的實時交互集成需求,。
可控制性——系統(tǒng)建成后,，要求對溫室中的溫濕度、光照強度,、噴灌裝置等設(shè)備可實現(xiàn)遠程自動,、手動控制，保證溫室作物處于最優(yōu)的生長環(huán)境中,。
3 系統(tǒng)設(shè)計目標
根據(jù)現(xiàn)場實際需求,，溫室大棚智能監(jiān)控管理系統(tǒng)需要滿足一下設(shè)計目標：
●系統(tǒng)可實現(xiàn)各個溫室大棚的空氣溫濕度,、土壤溫濕度、二氧化碳濃度,、光照強度等數(shù)據(jù)的采集和匯總,。
●系統(tǒng)可實現(xiàn)對各個溫室大棚的智能控制，需配套合適的控制策略實現(xiàn)對風機,、噴淋灌溉,、遮陽調(diào)光等設(shè)備的遠程控制。
●系統(tǒng)需要保證溫室大棚的內(nèi)環(huán)境最適宜作物的生長,，為作物的高產(chǎn),、優(yōu)質(zhì)、高效,、安全創(chuàng)造條件,。
●系統(tǒng)數(shù)據(jù)除了滿足匯總歸納分析的需求，還可實現(xiàn)遠程瀏覽,，可通過手機,、PDA等移動終端實時對現(xiàn)場環(huán)境實現(xiàn)監(jiān)控管理。
4 系統(tǒng)組成
為了實現(xiàn)上述設(shè)計目標,，本系統(tǒng)包括現(xiàn)場采集傳感終端,、控制終端、無線通信網(wǎng)絡(luò)終端,、監(jiān)控中心系統(tǒng)平臺4部分組成,。圖1所示為系統(tǒng)架構(gòu)圖。
圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖
4.1 傳感終端
溫室大棚環(huán)境信息采集單元主要由各種環(huán)境信息傳感器組成,，包括以下幾類：
1）數(shù)字溫濕度傳感器
該傳感器可實現(xiàn)相對溫度和濕度的環(huán)境信息測量,，具備專業(yè)的數(shù)字化集成技術(shù)和溫濕度測量技術(shù)，保證數(shù)據(jù)的真實有效性,。傳感器自身符合超低功耗設(shè)計,，單線或者兩線串行接口連接方式，可直接與控制器連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,。
2）土壤水分傳感器
該傳感器可實現(xiàn)長期無人值守的土壤含水量監(jiān)測,，外殼抗腐蝕能力強，可長期深埋在土壤中而不會受到損壞,，具備高精度,、高靈敏度等特點?？蓪崿F(xiàn)表層土壤和深層土壤墑情的定點監(jiān)測和在線測量,，數(shù)據(jù)可直接由水分監(jiān)測儀獲取，或者直接與控制器相連。
3）光照強度傳感器
該傳感器用于對溫室大棚內(nèi)可見光光照強度的測量,，輸出信號符合通用標準,，能夠根據(jù)當前的光照條件自動調(diào)整量程范圍，從而在不同光照強度下均可保持準確的精度,。
4）二氧化碳濃度傳感器
紅外二氧化碳濃度傳感器基于紅外光譜吸收原理,，測量溫室中的空氣二氧化碳濃度，可實時感應(yīng)濃度變化,。其優(yōu)異的可靠性保證數(shù)據(jù)的準確性，避免其他氣體的交叉反應(yīng),。
以上四大類傳感器可實時采集溫室大棚內(nèi)的空氣溫濕度,、土壤溫濕度、光照強度和空氣中二氧化碳濃度等主要數(shù)據(jù),，通過通信總線傳送至控制終端,。
4.2 控制終端
為了實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程控制功能，每個溫室大棚配備PLC可編程控制器作為控制終端,。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置,，其標準化、系列化,、模塊化的設(shè)計,，使得用戶能靈活方便地進行系統(tǒng)配置，組成不同功能,、不同規(guī)模的系統(tǒng),。
為了保證溫室大棚內(nèi)的環(huán)境適合作物的生長，控制器中加載預(yù)先設(shè)計好的控制策略程序,。
●溫度控制：
當溫室大棚內(nèi)溫度高于設(shè)定上限值時,，控制器發(fā)出指令關(guān)閉加熱器，之后開啟通風設(shè)備,；當溫室大棚內(nèi)溫度低于設(shè)定下限值時,，控制器發(fā)出指令關(guān)閉通風設(shè)備，之后開啟加熱器,，從而保證溫室大棚內(nèi)的溫度動態(tài)平衡,。
●空氣/土壤濕度控制：
當溫室大棚內(nèi)空氣/土壤濕度高于設(shè)定上限值時，控制器發(fā)出指令關(guān)閉噴淋灌溉設(shè)備,，之后開啟通風設(shè)備,；當溫室大棚內(nèi)空氣/土壤濕度低于設(shè)定下限值時，控制器發(fā)出指令關(guān)閉通風設(shè)備,，之后開啟噴淋灌溉設(shè)備,，保證空氣和土壤的恒定濕度。
●光照強度控制：
當溫室大棚內(nèi)光照強度高于設(shè)定上限值時，控制器發(fā)出指令關(guān)閉光照器,；當溫室大棚內(nèi)光照強度低于設(shè)定下限值時,，控制器發(fā)出指令開啟光照器，使得作物達到最佳的光合作用狀態(tài),。
●二氧化碳濃度控制：
當溫室大棚內(nèi)二氧化碳濃度高于設(shè)定上限值時,，控制器發(fā)出指令關(guān)閉氣體發(fā)生器；當溫室大棚內(nèi)二氧化碳濃度低于設(shè)定下限值時,，控制器發(fā)出指令開啟氣體發(fā)生器,，使得空氣中二氧化碳濃度達到最佳含量。
●設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測：
除了對溫室大棚內(nèi)的作物生長環(huán)境進行控制外,，控制器還負責實時監(jiān)控各個傳感終端的狀態(tài)監(jiān)測,，一旦出現(xiàn)設(shè)備故障會及時產(chǎn)生報警，通知監(jiān)控中心操作人員,。
4.3 無線通信網(wǎng)絡(luò)終端
為了減少通信線路鋪設(shè)的施工量,，選擇無線通信方式講數(shù)據(jù)匯總到監(jiān)控中心。每個溫室大棚配備GPRS DTU數(shù)據(jù)傳輸單元,，具備串口串行通信接口,，支持自動心跳檢測，支持自動斷線續(xù)傳,，可保持永久在線狀態(tài),。監(jiān)控中心配備接收裝置，數(shù)據(jù)通過GPRS/Internet網(wǎng)絡(luò)實時匯總至監(jiān)控中心,。此種方式可節(jié)約大部分通信組網(wǎng)費用,，每月只需支付少量流量費，具有更高的經(jīng)濟效益,。
4.4 監(jiān)控中心系統(tǒng)平臺
監(jiān)控中心系統(tǒng)平臺選用力控科技獨立研發(fā)的具備自主知識產(chǎn)權(quán)的ForceControl系列組態(tài)軟件,，實現(xiàn)溫室大棚系統(tǒng)的整體智能管理。監(jiān)控中心系統(tǒng)平臺作為本系統(tǒng)的核心部件,，可實時獲取各個溫室大棚的環(huán)境參數(shù),，使得工作人員隨時了解棚內(nèi)農(nóng)作物生長環(huán)境。結(jié)合控制策略和當前氣候狀況,，可以對控制終端的控制策略進行優(yōu)化,。系統(tǒng)可以將各個設(shè)備的工作狀態(tài)、系統(tǒng)報警信息,、系統(tǒng)操作記錄等情況反饋給工作人員,，同時可顯示在監(jiān)控中心配備的大屏幕中，使得整個系統(tǒng)的運行狀況盡在掌握中,。
力控軟件人性化的模塊化設(shè)計,，便于各個功能模塊的修改、增刪，減少了系統(tǒng)維護的成本,，加強了系統(tǒng)的時效性,。
為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽功能，可配備獨立的WEB服務(wù)器,，用于遠程客戶瀏覽,。如需對數(shù)據(jù)進行更深入的分析處理，可配備獨立的數(shù)據(jù)服務(wù)器和關(guān)系數(shù)據(jù)庫,，力控軟件中配備ODBCRouter組件,，輕松實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲。
5 系統(tǒng)功能
★精確的物聯(lián)網(wǎng)溫室大棚信息展示功能
系統(tǒng)可通過組態(tài)畫面實時顯示各個溫室大棚的數(shù)據(jù)信息,，包括土壤墑情,、棚內(nèi)空氣狀況、噴淋灌溉狀況等信息,。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和管理，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的標準化,、網(wǎng)絡(luò)化,、數(shù)字化。
★完善的數(shù)據(jù)查詢功能
系統(tǒng)可通過報表曲線等方式,，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的查詢,，為農(nóng)作物生長環(huán)境優(yōu)化方案的調(diào)整提供了完備的數(shù)據(jù)支撐。
★便捷的控制管理功能
系統(tǒng)可對水泵噴淋設(shè)備的啟停進行控制管理,，同時還可根據(jù)各個大棚的用水量設(shè)定購水限價,，實現(xiàn)水價梯度管理。從技術(shù)角度實現(xiàn)節(jié)水效果的同時通過水價的監(jiān)管提高用戶節(jié)水的意識,。
6 結(jié)語
智能精確農(nóng)業(yè)取代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然,，更是符合我國國情的選擇。本系統(tǒng)結(jié)合當前新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)高效利用各類農(nóng)業(yè)資源和改善環(huán)境這一可持續(xù)發(fā)展目標,，不但可以最大限度提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)實生產(chǎn)力,，而且是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn),、低耗和環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的有效途徑,。
力控,組態(tài)軟件,ForceControl,精確農(nóng)業(yè),ODBC,WEB,數(shù)據(jù)查詢,控制管理