智慧農業大棚環境測控物聯網系統

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第一部分：客戶需求（1 ）智能溫室大棚控制系統

隨著國民經濟的迅速發展，現代農業得到了長足的進步，全國各地根據需要普遍建設了日光溫室，塑料大棚等農業物創造出良好的生長環境。溫室工程成為高效農業的重要組成部分。溫室大棚就是建立一個模擬適合生物生長的氣候條件，創造一個人工氣象環境，來消除溫度、濕度、等對生物生長的限制。能使不同的農作物在不適合生長的季節產出，部分或完全的擺脫農作物對自然條件的依賴。

福州眾創群升科技有限公司自主研發集中視頻數據控制系統是針對溫室大棚正常有效運轉的控制要求配置的遠程控制和管理系統。采用傳感器技術、依托傳統溫室大棚生產工藝、設計的具有高可靠性、安全性、可擴展性的軟硬件系統。

充分利用物聯網技術和集中視頻數據控制平臺實時遠程獲取溫室大棚內部的空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤水分溫度、土壤水分濕度、二氧化碳濃度、葉面溫度、露點溫度等環境參數和視頻圖像疊加。或者大棚外的風速、風向、PM2.5 、雨量等小氣象數據環境和視頻圖像疊加。通過模型分析，遠程或自動控制濕簾風機、噴淋滴灌、內外遮陽、頂窗側窗、加溫補光等設備，保證溫室大棚內的環境最適宜作物生長。同時，該系統還可以通過手機、APP 、計算機等信息終端向農戶推送實時監測信息、預警信息、農業知識等，實現溫室大棚智能化、集約化、網絡化遠程管理。

第二部分：系統建設概況（1 ）系統建設背景

近年來，全省堅持用科學發展謀劃指導農業，不斷改善農業基礎條件，大力調整農業產業結構，努力推進農業機械化、科技化、產業化、市場化建設，全省農業綜合效益和競爭力不斷提高，現代農業發展取得一定成效。隨著中央和省、市一系列強農惠農政策的實施，全省農業保障能力得到加強，農業現代化水平得到提升，農村經濟實現加工轉換率第，現代農業組織化程度不夠，推進現代農業發展進程任重而道遠。

今年，我省對現代農業配套改革實施方案，為全省現代農業發展提供了歷史機遇和強大動力。為此，全省要進一步創新體制機制，破解制約現代農業發展的瓶頸障礙，加強財政對農業投入的保障，提高農業基礎設施水平，加快發展大龍頭，大鏈條，大產業，大品牌，全力打造全產業鏈現代農業體系，提升龍頭企業和產業基地發展實力。

（2 ）系統建設目標

智慧大棚是基于物聯網、大數據信息系統技術，通過各種傳感器設備對空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤水分溫度、土壤水分濕度、二氧化碳濃度、葉面溫度、露點溫度等環境參數進行采集，利用有線網絡，4G ，wifi 等網絡信號傳輸采集到數據控制中心，控制中心會根據人工經驗所設置的各種參數來進行比較，判斷實時的數據是否符合預制參數要求，并通過手機APP 或電腦端查看大棚內的實況，并進行遠程控制。

控制中心還能將設備采集的數據進行智能數據處理，形成直觀的曲線圖表且遠程設備自檢，若出現任何問題，系統會自動發生多樣化報警，以保證問題及時發現和處理。

智慧大棚整體功能實現了網絡化，自動化種植，大大提高了種植過程中的效率，并節省了人力和時間，使農作物在最適宜的環境生長，使農民增產增收。

第三部分：系統設計原則（1 ）易用性原則

易用性是指 集中視頻數據控制平臺使用的方便程度。由于本系統的使用者比較多，上到職能主管部門，下到應用企業的工作人員。使用者的行業知識水平，對智慧大棚系統的了解程度都大不相同。這就要系統界面需要盡量簡潔易懂，使系統使用者能夠在短期內接受，了解，熟知并應用農業物聯網系統。

（2 ）經濟實用性原則

系統使用的經濟實用性是指系統使用成本經濟，并且在使用功能上能夠滿足實際工作要求。在系統開發時，需要對系統進行合理規劃，確保系統在滿足用戶的業務同時，以簡單、方便、快捷、經濟實用為目標，面向具體的工作應用需求。在系統使用技術上，使用成熟經濟的技術，而不是單純考慮技術的先進性。在系統數據顯示深度上，根據實際需要確定，而不是越深越好，應該注重實用性。

（3 ）穩定性原則

集中視頻數據控制平臺系統穩定性是指系統保持正常運行的能力。由于系統一旦建立，將嵌入到日常農業生產活動中。一旦系統出現不穩定的情況，將會對農業生產管理活動造成很大的影響。因此系統配置的各類硬件設備必須安全、穩定、可靠。系統應該采用容錯性設計，使得系統局部出現問題不會影響到整個系統的使用。

（4 ）安全性原則

系統安全性是指保護系統內重要機密信息不泄露，防御外部惡意攻擊的能力。此系統設計時需要考慮使用多重的安全體系，對于數據的安全和保密應該進行相應的處理，提高系統對于惡意攻擊的防護能力，并保證與其他應用系統或異構系統間數據傳輸的安全可靠和一致性，確保不會有非授權和意外的非正常的操作，保證系統數據的安全完整。

（5 ）可擴展升級原則

可擴展升級是指系統在使用過程中，隨著實際的需要進行進一步功能擴展或升級的能力。一是隨著系統覆蓋面的擴大，參與企業數量的增加，系統在信息存儲計算能力上的擴展升級；二是隨著農業物聯網技術要求的發展，此工程可能會承擔更多的管理功能，因此在系統功能上需要進一步擴展。數據量的增加和服務功能的擴展，都需要硬件和系統軟件的升級或增加，為了保護用戶的原有系統平臺在升級過程中能夠平滑過渡，就要求系統在最初設計時就要考慮系統軟硬件的可擴展性

（6 ）先進性原則

采用先進的設計思想，選用先進的軟硬件設備，保證項目整體在未來一定時期內的技術領先性。

第四部分：系統結構及控制模式（1 ）系統組成結構

集中視頻數據控制平臺系統主要包括：上位機中心服務器控制平臺和下位機現場控制節點。

l   中心服務器控制平臺可選用物聯網感知應用平臺或者是為客戶專門定制的操作監測平臺。能夠實現監測、查詢、運算、建模、統計、控制、存儲、分析、報警等多項功能。

l   現場控制節點由測控傳感器與中心服務器控制平臺可通過有線、無線、4G 、WIFI 的網絡信號方式連接到一起。根據溫室大棚內空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度及二氧化碳濃度等參數，對環境調節設備進行控制，包括內遮陽，外遮陽，風機，溫簾水泵，頂部通風，電磁閥等設備

（2 ）選擇合適的控制方式

l   有線監控---------- 通過現場布線方式進行數據傳輸。

l   無線Zigbee---------- 利用Zigbee 模塊，對0-20KM 范圍為的數據監測傳輸。

l   4G 網絡測控---------- 利用通信網絡形式，可監測傳輸距離無限遠

l   WIFI 的網絡信號---------- 利用WIFI 的網絡信號，可監測傳輸距離無限遠。

l   有線和無線的結合--------- 根據實際現場環境，靈活結合。

第五部分：大棚溫室現場數據采集控制

智能溫度大棚內外的各參數傳感器，對溫室環境進行多點實時動態采集，進過AD 轉換送入單片機處理，驅動執行裝置從而實現溫室環境的自動智能調節。顯示裝置實時顯示溫室內的溫濕度，光照度等數值和溫室外溫濕度，光照，風速，風向等數值，能夠更加一目了然地展示溫室大棚內外數據全貌。

（1 ）溫濕度監測

通過溫濕度監控傳感器監測大棚室內空氣環境溫濕度，地表溫濕度，土壤溫濕度等，并能對數據進行采集，分析運算，控制，存儲，發送等。

（2 ）光照度監測

通過光感和光敏傳感器監測記錄溫室大棚內光線的強度，可以直接與相關的補光系統，遮陽系統等設備相聯，必要時自動打開相關設備。通過通訊方式將相關數據傳送到用戶監控終端。

（3 ）C02,02 濃度監測

在溫室大棚內部署二氧化碳濃度傳感器，實時監測傳感器的含量，當濃度超過系統設定閥值范圍時，通過通過通訊方式將相關數據傳送到用戶監控終端，由相關工作人員作出相應調整。

（4 ）分區域監測

同一棚內劃區域控制管理，可實現每個種植區不同溫濕度，不同氣體配置等環境技術指標。用戶可以通過上位機來監測，查詢各區域的數據。也可以對個分塊進行單獨控制和整體協調控制。

（5 ）報警控制

用戶可設定某些參數指標的上限和下限。比如大棚溫度應在15-30 攝氏度之間，低于或高于這個溫度范圍都會產生報警信息，并在上位機中控平臺和現場控制節點顯示出來。

（6 ）備用冗余功能

為了避免設備故障及異常帶來不便，影響作物的生長。設備可進行擴展冗余，當設備出現故障時，輔助設備進行0 切換。從而實現連續無故障運行，增加系統穩定性和可靠性。

第六部分：物聯網視頻監控系統（1 ）視頻采集系統

視頻采集系統主要由各觀測點的攝像機組成，主要完成作業現場的視頻圖像信號采集。主要實現對每個采集點的視頻采集。按照攝像機是否能移動等要求配置云臺裝置，主要可實現較廣泛區域的監控。通過平臺設置聯動報警功能，當設備感應到人員作業時，自動啟動視頻錄制，隨時錄下除草，施肥，打藥，修剪，采摘畫面，并開發給消費者，遠程查看。

（2 ）通信傳輸系統

在系統中信號傳輸系統主要包括電源信號的傳輸，視頻信號的傳輸和控制信號的傳輸和數據信號的傳輸四部分組成。在項目實施中現場施工允許下盡量所有傳輸都能用有線傳輸去施工的方案來建設信號傳輸系統。

（3 ）視頻遠程訪問

將視頻監控系統進行整合，使管理人員可以對生產區域進行生產實時監控，消費者也可以通過遠程訪問視頻系統，為管理人員和消費者提供查看和監管農場生產環境的平臺，可以進行園區基礎信息查詢，生產區環境視頻監控。

（4 ）視頻處理系統

視頻處理系統主要完成對視頻信號的數字化處理，圖像信號顯示，視頻疊加數據顯示，及數據和視頻的遠程傳輸。本系統中采用高容量硬盤錄像及遠程傳輸系統實現對所有采集點的顯示，錄像和回放以及遠程瀏覽。

第七部分：農業氣象站環境監測系統（1 ）農業氣象綜合監控站

農業氣象環境觀測站是針對農業生態環境（如農田，果園，溫室，畜舍等，和農業生產活動環境，如曬場，噴藥，農產品存儲等小環境內的氣候與農業生物和農業生產關支架的能量和物質交換）監測設計的一款自動氣象站。

l   產品特點

-- 完整的農業氣象系統，適合農業生產與科研等用途；

-- 可對接市面所有傳感器與擴展要數靈活組配；

-- 集數據采集和無線通訊于一體，采集密度可自行設置；

-- 可單站應用也可組網布點，支持4G 無線數據傳輸；

-- 支持交流| 太陽能供電方式；

-- 大容量數據和視頻存儲，支持本地存儲和云存儲；

--LED 屏幕輸出和展示數據；

-- 數據可疊加在視頻上進行傳輸（數據顯示在視頻的左上角）；

l   產品功能

-- 可以接風速、風向、雨量、溫度、濕度、氣壓、輻射、PM2.5 、等氣象傳感器；

-- 工業級模塊， 使用STM32高配低功耗處理器 ， 支持8路標準模擬量輸入（4~20ma、0~5V混合測量）；

-- 可遠程燒寫程序，方便系統改進與升級；

-- 友好的人機界面，可直接在盤面上進行參數設定；

-- 輸入，輸出采用光電隔離，抗干擾能力強；

-- 采集儀具有實際校準功能；

-- 與上位機通訊可采用RS232，RS485，GPRS5，USB,等多種方式；

-- 可定制U盤 外部數據存儲器，實現數據的海量存儲；

-- 工作電源：AC220V，DC12V-36V，太陽能蓄電池；

l   主機可以實時顯示采集數據，包括：土壤墑情，土壤溫度，空氣溫度，空氣相對濕度，輻射，風向，風速，降水量，戶外光照強度，PM2.5 等

-- 土壤墑情測量范圍：0-100% ，分辨率0.1%, 準確度：±2%

-- 土壤溫度測量范圍：-40 ℃-80 ℃，分辨率0.1 ℃, 準確度：±0.2 ℃

-- 空氣溫度測量范圍：-40 ℃-100 ℃，分辨率0.1 ℃, 準確度：±0.1 ℃

-- 空氣相對濕度測量范圍：0-100% ，分辨率0.1%, 準確度：±2%

-- 輻射測量范圍：0-2000W/m2 ，分辨率1w/m2, 準確度：±2%

-- 風向測量范圍：0-360 °，分辨率1 °, 準確度：±1

-- 風速測量范圍：0-30ms ，分辨率0.1ms, 準確度：±0.1ms

-- 降水量測量范圍：0-10mm/min ，分辨率1 mm/min, 準確度：± 1 mm/min

-- 戶外光照強度測量范圍：0-200000LUX, 分辨率0.1 LUX, 準確度：± 0.1LUX

--PM2.5 測量范圍：0-6000ug/m3 ，分辨率0.01 ug/m3, 準確度±0.01 ug/m3

第八部分：農業集中視頻數據控制云平臺（1 ）管理中心遠程展示發布

管理中心遠程展示發布系統，配備液晶大屏幕 LED 或高清液晶顯示屏，進行集中控制與顯示。系統集成了多畫面處理顯示，視頻運動檢測，圖像壓縮編碼 / 恢復解碼，數字錄像 / 即時回放，影像資料管理，資料備份 / 還原，云臺 / 鏡頭控制，視頻服務等功能。通過集中管理展示系統將大棚的溫濕度環境信息，通風換氣狀態，灌溉狀態，視頻語音監控進行統一管理和展示，并可通過網絡進行遠程數據服務。

（2 ）環境參數在線監管平臺

在辦公室內安裝工控機和顯示器，能夠實現在線顯示大棚內和大棚外氣象站采集到的數據信息，并以實時曲線的方式顯示給用戶，并根據需要日，月，季，年參數變化曲線生成歷史報表。便于對溫度大棚運轉情況進行分析做出改進，提高溫室大棚的生產效率

（3 ）遠程控制

現場采集設備將采集到的數據通過網絡傳輸到中控數據平臺，用戶從終端可以查看溫室大棚現場的實時數據，并使用遠程控制功能通過繼電器控制設備或模擬輸出模塊對溫室大棚自動化設備進行控制操作，如自動噴灑系統，自動換氣系統，自動灌溉系統。

遠程控制可以通過鼠標操作可以切換本機上的監控畫面和控制本機上的高速球旋轉，放大等功能 。數字矩陣主要是對電視墻上的監控器里的監控圖像進行切換，可設置監控圖像在監控器里自由切換，程序切換，定時切換等操作。高速球控制鍵盤主要是配合高速球使用的。控制鍵盤用來控制高速球比鼠標更方便，通過控制鍵盤還可調出高速球的菜單，實現高速球的兩點掃描，巡航，花樣掃描，設置預置點，調用預置點等功能。

（4 ）監控終端

監控終端通過可視化，多媒體的人機界面實現以下主要功能：①溫室大棚內植物生長環境狀況全面顯示，查詢，包括各種參數，光照強度以及歷史數據等；②向溫室大棚內監控系統發調度命令，調整設備運轉狀況，確保溫室內植物生長最適宜環境；③溫室大棚外農業氣象站的各種參數以及歷史數據等。

第九部分：農業手機APP 終端平臺

基于Android ，和ios 智能手機端的物聯網遠程監控系統，重點設計有基于電子地圖的試點基地，溫室分布展示，環境實時數據，環境數據趨勢，環境預警信息，視頻疊加數據，利用移動終端統一展現示范區農業物聯網示范大棚，溫室，大田等基地生產信息，環境信息。

用戶可以通過農業溫室智能監控數據系統手機客戶端，隨時隨地查看自己負責溫室的環境參數。能夠使用手機端及時接受，查看溫室環境報警信息。通過手機端，用戶可以遠程自動控制溫室環境設備，如自動灌溉系統，風機，頂窗等。