1 引言
精確農(nóng)業(yè)(Precision Agriculture ) 是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流，它最大的特點(diǎn)就是“精確”,，利用衛(wèi)星全球定位系統(tǒng),、遙測(cè)遙感技術(shù)、計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(shí)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(dāng)普及，隨之而來(lái)的溫室大棚智能監(jiān)控管理平臺(tái)搭建的需求愈發(fā)強(qiáng)烈,。傳統(tǒng)的溫室大棚多為人工通過簡(jiǎn)單的溫濕度計(jì)量設(shè)備或者簡(jiǎn)單的儀器儀表獲取環(huán)境狀態(tài)參數(shù),，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)控制各個(gè)調(diào)節(jié)閥。此種方式效率低下,，控制效果也無(wú)法達(dá)到智能自動(dòng)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(jì)原則
可擴(kuò)展性——系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中除滿足當(dāng)前需求外,，還需為日后的系統(tǒng)擴(kuò)展留有足夠的接口,，所有功能模塊均為可組態(tài)化設(shè)計(jì)，可以靈活的增加或者刪除,。
可集成性——系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中需具備高度集成性,，滿足于第三方平臺(tái)的實(shí)時(shí)交互集成需求。
可控制性——系統(tǒng)建成后,，要求對(duì)溫室中的溫濕度,、光照強(qiáng)度、噴灌裝置等設(shè)備可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng),、手動(dòng)控制,，保證溫室作物處于最優(yōu)的生長(zhǎng)環(huán)境中。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(jì)目標(biāo)：
●系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)各個(gè)溫室大棚的空氣溫濕度,、土壤溫濕度、二氧化碳濃度,、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)的采集和匯總,。
●系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)溫室大棚的智能控制，需配套合適的控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī),、噴淋灌溉,、遮陽(yáng)調(diào)光等設(shè)備的遠(yuǎn)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(zhǎng),，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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程瀏覽，可通過手機(jī),、PDA等移動(dòng)終端實(shí)時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)監(jiān)控管理,。
4 系統(tǒng)組成
為了實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)目標(biāo)，本系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)采集傳感終端,、控制終端,、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)終端、監(jiān)控中心系統(tǒng)平臺(tái)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(shí)現(xiàn)相對(duì)溫度和濕度的環(huán)境信息測(cè)量,，具備專業(yè)的數(shù)字化集成技術(shù)和溫濕度測(cè)量技術(shù),，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)有效性。傳感器自身符合超低功耗設(shè)計(jì),，單線或者兩線串行接口連接方式,，可直接與控制器連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
2）土壤水分傳感器
該傳感器可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期無(wú)人值守的土壤含水量監(jiān)測(cè),，外殼抗腐蝕能力強(qiáng),，可長(zhǎng)期深埋在土壤中而不會(huì)受到損壞，具備高精度,、高靈敏度等特點(diǎn),。可實(shí)現(xiàn)表層土壤和深層土壤墑情的定點(diǎn)監(jiān)測(cè)和在線測(cè)量,，數(shù)據(jù)可直接由水分監(jiān)測(cè)儀獲取,，或者直接與控制器相連。
3）光照強(qiáng)度傳感器
該傳感器用于對(duì)溫室大棚內(nèi)可見光光照強(qiáng)度的測(cè)量,，輸出信號(hào)符合通用標(biāo)準(zhǔn),，能夠根據(jù)當(dāng)前的光照條件自動(dòng)調(diào)整量程范圍，從而在不同光照強(qiáng)度下均可保持準(zhǔn)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(cè)量溫室中的空氣二氧化碳濃度，可實(shí)時(shí)感應(yīng)濃度變化,。其優(yōu)異的可靠性保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,，避免其他氣體的交叉反應(yīng)。
以上四大類傳感器可實(shí)時(shí)采集溫室大棚內(nèi)的空氣溫濕度,、土壤溫濕度,、光照強(qiáng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能,，每個(gè)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(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，其標(biāo)準(zhǔn)化,、系列化,、模塊化的設(shè)計(jì)，使得用戶能靈活方便地進(jìn)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(zhǎng),，控制器中加載預(yù)先設(shè)計(jì)好的控制策略程序。
●溫度控制：
當(dāng)溫室大棚內(nèi)溫度高于設(shè)定上限值時(shí),，控制器發(fā)出指令關(guān)閉加熱器,，之后開啟通風(fēng)設(shè)備；當(dāng)溫室大棚內(nèi)溫度低于設(shè)定下限值時(shí),，控制器發(fā)出指令關(guān)閉通風(fēng)設(shè)備,，之后開啟加熱器，從而保證溫室大棚內(nèi)的溫度動(dòng)態(tài)平衡,。
●空氣/土壤濕度控制：
當(dāng)溫室大棚內(nèi)空氣/土壤濕度高于設(shè)定上限值時(shí),，控制器發(fā)出指令關(guān)閉噴淋灌溉設(shè)備，之后開啟通風(fēng)設(shè)備,；當(dāng)溫室大棚內(nèi)空氣/土壤濕度低于設(shè)定下限值時(shí),，控制器發(fā)出指令關(guān)閉通風(fēng)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(qiáng)度控制：
當(dāng)溫室大棚內(nèi)光照強(qiáng)度高于設(shè)定上限值時(shí)，控制器發(fā)出指令關(guān)閉光照器,；當(dāng)溫室大棚內(nèi)光照強(qiáng)度低于設(shè)定下限值時(shí),，控制器發(fā)出指令開啟光照器，使得作物達(dá)到最佳的光合作用狀態(tài),。
●二氧化碳濃度控制：
當(dāng)溫室大棚內(nèi)二氧化碳濃度高于設(shè)定上限值時(shí),，控制器發(fā)出指令關(guān)閉氣體發(fā)生器；當(dāng)溫室大棚內(nèi)二氧化碳濃度低于設(shè)定下限值時(shí),，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(dá)到最佳含量。
●設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)：
除了對(duì)溫室大棚內(nèi)的作物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行控制外,，控制器還負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)傳感終端的狀態(tài)監(jiān)測(cè),，一旦出現(xiàn)設(shè)備故障會(huì)及時(shí)產(chǎn)生報(bào)警，通知監(jiān)控中心操作人員,。
4.3 無(wú)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(wú)線通信方式講數(shù)據(jù)匯總到監(jiān)控中心,。每個(gè)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(dòng)心跳檢測(cè),，支持自動(dòng)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(shí)時(shí)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(fèi)用,，每月只需支付少量流量費(fèi),，具有更高的經(jīng)濟(jì)效益。
4.4 監(jiān)控中心系統(tǒng)平臺(tái)
監(jiān)控中心系統(tǒng)平臺(tái)選用力控科技獨(dú)立研發(fā)的具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ForceControl系列組態(tài)軟件,，實(shí)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(tái)作為本系統(tǒng)的核心部件，可實(shí)時(shí)獲取各個(gè)溫室大棚的環(huán)境參數(shù),，使得工作人員隨時(shí)了解棚內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境,。結(jié)合控制策略和當(dāng)前氣候狀況，可以對(duì)控制終端的控制策略進(jìn)行優(yōu)化,。系統(tǒng)可以將各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài),、系統(tǒng)報(bào)警信息、系統(tǒng)操作記錄等情況反饋給工作人員,，同時(shí)可顯示在監(jiān)控中心配備的大屏幕中,，使得整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況盡在掌握中。
力控軟件人性化的模塊化設(shè)計(jì),，便于各個(gè)功能模塊的修改,、增刪，減少了系統(tǒng)維護(hù)的成本,，加強(qiáng)了系統(tǒng)的時(shí)效性,。
為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽功能，可配備獨(dú)立的WEB服務(wù)器,，用于遠(yuǎn)程客戶瀏覽,。如需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的分析處理，可配備獨(dú)立的數(shù)據(jù)服務(wù)器和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù),，力控軟件中配備ODBCRouter組件,，輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)。
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(shí)時(shí)顯示各個(gè)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理,，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)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(bào)表曲線等方式,，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的查詢，為農(nóng)作物生長(zhǎng)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(duì)水泵噴淋設(shè)備的啟停進(jìn)行控制管理,，同時(shí)還可根據(jù)各個(gè)大棚的用水量設(shè)定購(gòu)水限價(jià)，實(shí)現(xiàn)水價(jià)梯度管理,。從技術(shù)角度實(shí)現(xiàn)節(jié)水效果的同時(shí)通過水價(jià)的監(jiān)管提高用戶節(jié)水的意識(shí),。
6 結(jié)語(yǔ)
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(guó)國(guó)情的選擇,。本系統(tǒng)結(jié)合當(dāng)前新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)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(biāo)，不但可以最大限度提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力,，而且是實(shí)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,。
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