[中圖分類(lèi)號(hào)] TP273.5 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1003-1650 （2014）10-0204-02

一、項(xiàng)目背景

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，以感知為前提，充分利用智能嵌入技術(shù)、無(wú)線數(shù)據(jù)通信技術(shù)、無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、傳感技術(shù)、遙感技術(shù)構(gòu)建智能網(wǎng)絡(luò)，是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的世界第三次信息技術(shù)大革命。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面發(fā)揮出越來(lái)越大的作用，以促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

二、用戶需求分析

1.檢測(cè)作物生長(zhǎng)環(huán)境因素：通過(guò)布放在土壤及環(huán)境中的各類(lèi)傳感器檢測(cè)土壤及空氣中的溫濕度、光照度、二氧化碳的含量，24小時(shí)全天候采集數(shù)據(jù)參數(shù)并實(shí)施顯示在辦公室系統(tǒng)屏幕上，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚作物種植全過(guò)程的環(huán)境狀況及土地指標(biāo)進(jìn)行采集監(jiān)控。

2.設(shè)定作物生長(zhǎng)環(huán)境因素范圍：根據(jù)種植作物的不同，系統(tǒng)通過(guò)屏幕提醒的方式提醒農(nóng)戶、技術(shù)員及其他相關(guān)管理人員，便于指導(dǎo)農(nóng)戶科學(xué)種植。

3.實(shí)現(xiàn)查詢大棚作物環(huán)境瞬時(shí)及歷史各種物理參數(shù)：用戶可隨時(shí)通過(guò)系統(tǒng)界面查看大棚環(huán)境因素各物理參數(shù)的實(shí)時(shí)及歷史參數(shù)變化曲線，可以查詢到報(bào)警信息的內(nèi)容、頻率，方便用戶對(duì)作物生長(zhǎng)過(guò)程的歷史與當(dāng)前數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)作物成長(zhǎng)全過(guò)程的科學(xué)管理。

4.實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)的農(nóng)作物視頻監(jiān)控。

5.在控制辦公室需要一個(gè)數(shù)據(jù)終端，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及視頻監(jiān)控信號(hào)進(jìn)行察看。

6.當(dāng)大棚內(nèi)的相關(guān)參數(shù)超過(guò)了設(shè)定限值，從監(jiān)控中心可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制。使植物的生長(zhǎng)環(huán)境處于一個(gè)良好的范圍之內(nèi)。

三、系統(tǒng)架構(gòu)

1.現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集部分

1.1現(xiàn)場(chǎng)采集的參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集空氣溫度、空氣濕度，土壤溫度，土壤濕度，光照強(qiáng)度，二氧化碳濃度6種常用環(huán)境參數(shù)，這六種參數(shù)是對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)影響最直接的參數(shù)。

1.2傳感器的選擇

1.2.1傳感器供電

目前市場(chǎng)上傳感器主要有鋰電池現(xiàn)場(chǎng)供電、直流24V或12V供電、太陽(yáng)能供電三種種方式。根據(jù)實(shí)際情況，如果采用鋰電池供電，在使用一段時(shí)間后需要批量的進(jìn)行電池更換，給農(nóng)戶造成了一定的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)及網(wǎng)絡(luò)故障。太陽(yáng)能供電因光照度不能保證且成本較高，在設(shè)施農(nóng)業(yè)中不太適用。為此本次方案采用傳感器直流供電方式。

1.2.2傳感器通訊協(xié)議

Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。主要用于近距離無(wú)線連接。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高。

1.2.3傳感器的選擇

考慮到農(nóng)業(yè)大棚面積比較大，方案選擇了性價(jià)比比較高的兩種傳感器。JZH-016型傳感器和JZH-102型傳感器和JZH-102型傳感器。

1.3傳感器的安裝

由于大棚面積較大，需要安裝兩臺(tái)JZH-016型傳感器和一臺(tái)JZH-102型傳感器。安裝位置如下圖

1.3.1在大棚一側(cè)儲(chǔ)物間的控制箱內(nèi)安裝穩(wěn)壓電源給各傳感器進(jìn)行供電

1.3.2從各大棚的供電箱向控制箱敷設(shè)一條220VAC電纜

1.3.3在大棚主圍墻一側(cè)4米高處敷設(shè)小型PVC槽盒。從槽盒相應(yīng)位置至傳感器安裝位置地埋敷設(shè)PVC管。

1.3.4從控制箱至各傳感器敷設(shè)雙絞線供電電纜

1.3.5傳感器采用壁掛式安裝，安裝高度在1.5米，土壤濕度及溫度探頭安裝在地下約0.1米深處，光照度探頭安裝在2米高處，二氧化碳傳感器安裝在1.8米高處。

2.數(shù)據(jù)傳輸部分

此部分主要負(fù)責(zé)將傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集匯總并上傳監(jiān)控主機(jī)。

2.1數(shù)據(jù)接收

2.1.1在每個(gè)大棚控制箱內(nèi)安裝一個(gè)無(wú)線傳感器轉(zhuǎn)串口數(shù)據(jù)采集模塊。它的主要作用是通過(guò)ZIGBEE協(xié)議將各傳感器的無(wú)線數(shù)據(jù)進(jìn)行采集匯總。并通過(guò)RS485接口將數(shù)據(jù)通過(guò)有線方式上傳至監(jiān)控主機(jī)。

2.1.2監(jiān)控主機(jī)內(nèi)安裝RS485通訊接口卡，通過(guò)COM3口接收現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

2.2數(shù)據(jù)傳輸

2.2.1從數(shù)據(jù)采集控制室的監(jiān)控主機(jī)至各大棚儲(chǔ)物間控制箱的采集模塊采用地埋敷設(shè)信號(hào)采集電纜。

2.2.2在信號(hào)電纜的轉(zhuǎn)彎處建小型電纜井，以便于今后的維護(hù)和電纜更換。在電纜井間敷設(shè)塑料子管以保護(hù)信號(hào)電纜。

2.2.3數(shù)據(jù)傳輸電纜采用屏蔽雙絞線

3.現(xiàn)場(chǎng)控制部分

3.1現(xiàn)場(chǎng)需要控制的參數(shù)

3.1.1根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研，需要控制的參數(shù)有土壤的濕度、空氣的溫度、空氣的濕度、光照度、二氧化碳含量。

3.2現(xiàn)場(chǎng)控制方法

3.2.1土壤水分控制

3.2.1.1在每個(gè)大棚的水管的總進(jìn)口處，安裝一個(gè)DN50控制用電磁閥。

3.2.1.2從南至北橫向敷設(shè)DN50 PVC管，作為灌溉水源的母管，管線采用地埋敷設(shè)。

3.2.1.3從南至北縱向均勻引出5個(gè)DN25出水口，并加裝手動(dòng)控制閥，用來(lái)控制出水量及灌溉區(qū)域，每個(gè)區(qū)域相對(duì)獨(dú)立，不會(huì)相互影響。

3.2.1.4所有控制電纜在儲(chǔ)物間控制箱內(nèi)進(jìn)行匯總后傳至數(shù)據(jù)采集控制室。由控制主機(jī)進(jìn)行控制。

3.2.2空氣溫濕度控制

3.2.2.1利用現(xiàn)有的大棚風(fēng)機(jī)，將控制信號(hào)引至現(xiàn)場(chǎng)控制箱，由控制箱繼電器來(lái)進(jìn)行風(fēng)機(jī)的控制。

3.2.2.2大棚現(xiàn)有的供暖設(shè)備如果是管道供熱，在總?cè)肟谔幖友b一電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制開(kāi)度，如果是電加熱設(shè)備，將控制電纜引至控制箱內(nèi)進(jìn)行繼電器控制。

費(fèi)用清單中不包括供暖設(shè)備及材料費(fèi)用。

3.2.2.3控制電纜沿電纜井敷設(shè)至數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。由控制設(shè)備進(jìn)行操作。

3.2.3光照度控制

當(dāng)大棚內(nèi)光照度不夠時(shí)，現(xiàn)有方法是由人工控制電動(dòng)機(jī)拉動(dòng)大棚卷簾進(jìn)行補(bǔ)光。如果要進(jìn)行自動(dòng)控制，只需要將電機(jī)供電線路中加入斷電器控制就可以，但是卷簾開(kāi)度不容易控制。

3.2.4二氧化碳含量控制

3.2.4.1現(xiàn)場(chǎng)農(nóng)業(yè)大棚建設(shè)時(shí)，由建設(shè)方對(duì)需要進(jìn)行二氧化碳控制的大棚進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)施建設(shè)和管道敷設(shè)。

3.2.4.2在每個(gè)大棚二氧化碳進(jìn)口總管處安裝一個(gè)電磁閥，由控制箱的繼電器來(lái)進(jìn)行閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。費(fèi)用清單中不包括二氧化碳設(shè)備及材料費(fèi)用。

3.2.5現(xiàn)場(chǎng)大棚自動(dòng)加藥加肥系統(tǒng)

對(duì)農(nóng)戶調(diào)好的肥料或藥品自動(dòng)加入水管線內(nèi)，對(duì)大棚內(nèi)的作物進(jìn)行灌溉。

4.管理平臺(tái)部分

管理平臺(tái)為用戶提供了友好的人機(jī)界面，平臺(tái)通過(guò)與其連接的數(shù)據(jù)采集接收器接收現(xiàn)場(chǎng)所有傳感器數(shù)據(jù)，并將信號(hào)通過(guò)串口傳輸至監(jiān)控主機(jī)呈現(xiàn)給用戶。畫(huà)面提供了參數(shù)顯示和報(bào)警顯示功能。同時(shí)對(duì)根據(jù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各調(diào)節(jié)設(shè)備進(jìn)行控制。監(jiān)控軟件采用目前比較流行的工控軟件。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心內(nèi)設(shè)置兩臺(tái)工控機(jī)分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場(chǎng)控制。

4.1數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

4.1.1設(shè)置一臺(tái)數(shù)據(jù)采集工控機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和顯示。

4.1.2將各大棚的RS485數(shù)據(jù)信號(hào)電纜在數(shù)采監(jiān)控中心內(nèi)匯總，接入工控機(jī)的COM3口。

4.1.3用戶登陸后都可通過(guò)系統(tǒng)對(duì)大棚內(nèi)傳感器檢測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，并支持分類(lèi)查看和檢索的功能，針對(duì)選定的節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)可繪制曲線，方便用戶研究數(shù)據(jù)，分析趨勢(shì)變化。在查看歷史數(shù)據(jù)方面軟件也提供了很好的篩選功能，方便用戶準(zhǔn)確的掌握傳感器數(shù)值變化，并可以用繪制曲線的方式進(jìn)行趨勢(shì)的研究。

4.1.4報(bào)警管理模塊

在報(bào)警管理模塊中，用戶可以單獨(dú)對(duì)某個(gè)采集器或批量對(duì)同類(lèi)型的采集器進(jìn)行報(bào)警的設(shè)置，內(nèi)容包括數(shù)值上下限、是否開(kāi)啟報(bào)警功能。當(dāng)有傳感器超過(guò)預(yù)設(shè)的限定值時(shí)，在監(jiān)控界面上會(huì)以紅色對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)示，同時(shí)按照預(yù)設(shè)的報(bào)警方式進(jìn)行報(bào)警。軟件會(huì)對(duì)所有的報(bào)警進(jìn)行記錄，方便用戶查看。

4.2現(xiàn)場(chǎng)控制

4.2.1由工控機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各參數(shù)進(jìn)行控制。

4.2.2數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的控制單元采用先進(jìn)的控制單元。它通過(guò)多通道的I/O模塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制箱的控制設(shè)備進(jìn)行控制。同時(shí)通過(guò)RS-485接口與主機(jī)進(jìn)行通訊?？刂茊卧缦聢D：

4.2.3控制主機(jī)對(duì)所有需要控制的數(shù)據(jù)進(jìn)行上下限設(shè)定，采集上來(lái)的數(shù)據(jù)與限值進(jìn)行比較。對(duì)于超過(guò)限值的參數(shù)控制主機(jī)自動(dòng)通過(guò)RS485接口驅(qū)動(dòng)控制單元對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。

4.2.4控制主機(jī)的控制界面有手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)節(jié)切換，當(dāng)用戶需要手動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整時(shí)，可以進(jìn)行切換。

4.2.5現(xiàn)場(chǎng)控制箱

現(xiàn)場(chǎng)控制箱安裝在每個(gè)大棚的儲(chǔ)物間內(nèi)，控制主機(jī)通過(guò)控制箱對(duì)大棚內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行操作。

現(xiàn)場(chǎng)控制箱通過(guò)電纜與監(jiān)控中心的控制單元進(jìn)行連接。

控制箱內(nèi)安裝與控制單元相匹配的繼電器，交流接觸器和穩(wěn)壓電源等設(shè)備。

5.數(shù)據(jù)共享及遠(yuǎn)程監(jiān)控

5.1在經(jīng)理辦公室內(nèi)設(shè)置一臺(tái)終端電腦，通過(guò)大屏幕對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和視頻信號(hào)進(jìn)行顯示。從經(jīng)理辦公室至監(jiān)控中心敷設(shè)一條光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

5.2在監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)采集主機(jī)上安裝一臺(tái)小型無(wú)線上網(wǎng)卡，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)的連接。在外網(wǎng)的用戶通過(guò)登陸網(wǎng)站實(shí)現(xiàn)大棚實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的瀏覽。

四、系統(tǒng)特點(diǎn)

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用有線采集加無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)參數(shù)傳輸?shù)睫k公室系統(tǒng)平臺(tái)綜合管理。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布線施工量小、維護(hù)成本低；超低功耗、綠色環(huán)保、無(wú)輻射等特性，可自動(dòng)組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)連接可視，全天候穩(wěn)定運(yùn)行，無(wú)需人工干涉；所有的采集器安裝簡(jiǎn)便，即插即用，可以任意改變安裝位置，不受線纜的束縛；良好的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力，同一網(wǎng)絡(luò)中可支持幾百個(gè)采集器和控制器，系統(tǒng)可擴(kuò)展；且功能強(qiáng)大，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

五、效果分析

1.系統(tǒng)采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)傳輸采用有線采集加無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)，系統(tǒng)建設(shè)成本和維護(hù)成本較低，使改技術(shù)在農(nóng)業(yè)大棚智能環(huán)境監(jiān)測(cè)及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理的具有良好應(yīng)用前景。

2.系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚作物生長(zhǎng)環(huán)境因素的的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)大棚種植由“經(jīng)驗(yàn)”種植到“數(shù)據(jù)”種植的跨越式提升；打破了以往的傳統(tǒng)種植管理模式，使人從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了一定的解放，極大提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，有效提高農(nóng)業(yè)綜合效益。

3.該系統(tǒng)平臺(tái)的建成不僅能完成農(nóng)業(yè)大棚現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集監(jiān)測(cè)，還實(shí)現(xiàn)了作物生長(zhǎng)環(huán)境的自動(dòng)控制，對(duì)各類(lèi)參量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境參數(shù)的智能化感知、智能化控制。系統(tǒng)可擴(kuò)容，可升級(jí)。

4.該項(xiàng)目符合濱海新區(qū)“數(shù)字”農(nóng)業(yè)、“精準(zhǔn)”農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，可以得到相關(guān)的政策支持。該項(xiàng)目具有很大的社會(huì)示范效應(yīng)，對(duì)提高用戶知名度和農(nóng)業(yè)品牌有著積極的推動(dòng)作用，社會(huì)效益明顯。

作者簡(jiǎn)介：甘久霖，男，天津市濱海新區(qū)大港農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站站長(zhǎng)、高級(jí)工程師。