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1、 北京旗硕基业科技有限责任公司 Mobile: 15811018216 Beijing Clesun Technology Co., Ltd. E-mail: liuhuawei农业物联网监控系统方案北京旗硕基业科技有限责任公司2013年5月目录前言- 3 -1 中国农业发展现状- 3 -2 物联网技术在农业应用中的意义- 4 -3 物联网系统设计方案概述- 7 -3.1 系统设计原则- 7 -3.2 系统功能特点- 7 -3.3 系统组成- 8 -3.4 系统示意图- 8 -4 物联网系统功能- 9 -4.1 环境信息采集系统- 9 -4.2 视频监控系统- 11 -4.3 液晶拼接大屏幕系
2、统- 11 -4.4 智能控制系统- 13 -4.41 温度控制- 14 -4.42 通风控制- 14 -4.43 喷雾控制- 14 -4.44 肥水自动灌溉控制系统- 15 -4.5 物联网监控管理平台- 16 -5 项目需求及方案设计- 20 -5.1项目需求- 20 -前言物联网信息技术在2006年被评为未来改变世界的十大技术之一，是继互联网之后的又一次产业升级，是十年一次的产业机会。总体来说，物联网是指各类传感器和现有的互联网相互衔接的新技术，物物相连，相互感知，若干年后，地球上的每一粒沙子都有可能分配到一个确定地址，它的各种状态、参数可被感知。2009年8月温家宝总理在无锡提出“感知
3、中国”，物联网开始在中国受到政府的重视和政策牵引。2010年国家发布了“十二五”发展规划纲要，其中第十三章“全面提高信息化水平”第一节“构建下一代信息基础设施”中明确提到：推动物联网关键技术研发和在重点领域的应用示范。在第五章“加快发展现代农业”第二节“推进农业结构战略性调整”中提出：加快发展设施农业，推进蔬菜、水果、茶叶、花卉等园艺作物标准化生产。提升畜牧业发展水平。促进水产健康养殖。推进农业产业化经营，促进农业生产经营专业化、标准化、规模化、集约化。推进现代农业示范区建设。第三节“加快农业科技创新”中提出：推进农业技术集成化、劳动过程机械化、生产经营信息化。加快农业生物育种创新和推广应用，
4、做大做强现代种业。加强高效栽培、疫病防控、农业节水等领域的科技集成创新和推广应用，实施水稻、小麦、玉米等主要农作物病虫害专业化统防统治。加快推进农业机械化，促进农机农艺融合。发展农业信息技术，提高农业生产经营信息化水平。物联网信息技术与现代农业的结合更加是国家重点推动的关键示范应用。1 中国农业发展现状我国是农业大国，而非农业强国。近30年来农业高产量主要依靠农药化肥的大量投入，大部分化肥和水资源没有被有效利用而随地弃置，导致大量养分损失并造成环境污染。我国农业生产仍然以传统生产模式为主，传统耕种只能凭经验施肥灌溉，不仅浪费大量的人力物力，也对环境保护与水土保持构成严重威胁，对农业可持续性发展
5、带来严峻挑战。我国人口占世界总人口的22%，耕地面积只占世界耕地面积的7%，随着经济的飞速发展，人民生活水平不断提高，资源短缺，环境恶化与人口剧增的矛盾越来越突出。特别是我国加入世贸组织后，国外价格低廉的优质农副产品源源不断的流入我国，这对我国的农产品市场构成极大威胁。因此，如何提高我国农产品的质量和生产效率，如何对大面积土地的规模化耕种实时信息技术指导下科学的精确管理，是一个即前沿又当务之急的科研课题。而现实情况是，粗放的管理与滥用化肥，其低效益和环境污染令人惊叹。传统农业产生的物质技术手段落后，主要依靠人力、畜力和各种手工工具以及一些简单机械。在现实中主要存在的问题是：（1） 农业科技含量
6、、装备水平相对滞后（2） 农业生产存在污染和浪费，据农业、水利部门测算，我国每年农业所消耗化肥、农药和水资源量都在飞速增长，数据惊人，农业的污染问题困扰着不少乡村，不少农民群众饮水安全受到影响（3） 农业产出少、农民收入低（4） 农产品的品种少2 物联网技术在农业应用中的意义目前，我国大多数农业生产主要依靠人工经验管理，缺乏系统的科学指导。设施栽培技术的发展，对于农业现代化进程具有深远的影响。设施栽培为解决我国城乡居民消费结构和农民增收，为推进农业结构调整发挥了重要作用，温室种植已在农业生产中占有重要地位。要实现高水平的设施农业生产和优化设施生物环境控制，信息获取手段是最重要的关键技术之一。物
7、联网信息技术在农业领域中有着广泛的应用。我们从农产品生产不同的阶段来看，无论是从种植的培育阶段和收获阶段，都可以用物联网的技术来提高它工作的效率和精细管理。具体有如下社会经济效益。1、促进农业三个方面的发展：l 增产增收相关资料表明，在可自动控制室内的温度、湿度、灌溉、通风、二氧化碳浓度和光照的温室中，每平方米温室一季可产番茄30kg50kg，黄瓜40kg，相当于露地栽培产量10倍以上。其他各类作物在这种环境下的产量也将得到明显的提升。l 节约能源无线传感器网络可以准确采集温室、叶温、地温、湿度、土壤含水量、溶液浓度、二氧化碳浓度、风向、风速一季作物生长状况等参数，并将室内问、光、水、肥、气等
8、诸多因素综合直接协调到最佳状态，据计算，可有效节水、节肥、节药，使整体能耗降低15%50%。l 作物多样化无线传感器对室温生产环境的改善，可以使得一些在此前的耕作条件下较难种植的作物得以生长，并为新品种作物的培育提供更好的条件，这有利利于推广高附加值得经济作物，提升单位面积的农业经济产值，促进农门增产增收。2、社会经济效益：（1）合理施用化肥，降低生产成本，减少环境污染 采用因土、因作物、因时全面平衡施肥、彻底扭转传统农业中因经验施肥而造成的三多三少（化肥多，有机肥少；N肥多，P、K肥少；三要素肥多，微量元素少），N、P、K比例失调的状况，因此有明显的经济和环境效益。（2） 减少和节约水资源
9、目前传统农业因大水漫灌和沟渠漏对灌溉水的利用率只有40%左右，而物联网技术可自由作物动态监控技术定时定量供给水分，可通过滴灌微灌等一系列新型灌溉技术，使水的消耗量减少到最低程度，并能获取尽可能高的产量。（3） 节本增效，省工省时，优质高产 采用精确播种，精确收获技术，并将精确种子工程与精确播种技术有机的结合起来，使农业低耗、优质、高效成为现实。在一般情况下，精确播种比传统播种增产18%30%，省工23个小时。（4） 使农作物的物质营养得到合理利用，保证了农产品的产量和质量 通过各类传感器和智能控制设备，对农作物的生产过程进行动态监测和控制，并根据其结果采用相应的措施。总而言之，物联网信息技术能
10、大大的提高生产管理效率，节省人工（例如：对于大型农场来说，几千亩的土地如果用人力来进行浇水施肥，手工加温，手工卷帘等工作，其工作量相当庞大且难以管理，如果应用了物联网技术，手动控制也只需点击鼠标的微小的动作，前后不过几秒，完全替代了人工操作的繁琐；），而且能非常便捷的为农业各个领域研究等方面提供强大的科学数据理论支持，其作用在当今的高度自动化、智能化的社会中是不言而谕的。农业示范园区作为最新的农业技术的应用与推广载体，是现代农业的集中体现，是现代信息技术的在农业中最先应用的场合。 未来的工作愿景3 物联网系统设计方案概述3.1 系统设计原则 从需求情况分析系统，制订设计原则，以指导我们的方案设
11、计：l 先进性原则 采用先进的设计思想，选用先进的软硬件设备，保证项目整体在未来一定时期内的技术领先性。l 开放性原则方案的设计及选型遵从国际标准及工业标准，使项目具有高度的开放性和所提供设备在技术上的兼容性。l 可扩展性原则项目设计在充分考虑当前情况的同时，必须考虑到今后较长时期内业务发展的需要，留有充分的升级和扩充的可能性。l 可靠性原则项目的设计必须贯彻可靠性原则，使系统具有很高的可用性。l 经济适用性原则在考虑必要的扩展性原则下，使用功能适度的软硬件产品。3.2 系统功能特点l 超低功耗，节能环保 低功耗设计，采用太阳能供电的方式完全可以满足大部分设备的需要。l 采用下一代网络物联网新
12、技术 采用最先进的物联网技术，具有自组网、自愈合、云端计算等全新功能。l 采用无线技术采用Zigbee,3G等无线技术，安装方便，携带方便，降低建设成本、减少改造成本，避免了布线带来的火灾隐患，突破了有线只能在本地计算机进行查看和浏览的劣势，用户可以突破时间和地域的限制，随时随地的了解生产现场状况。l 多种显示方式 采用LED显示屏，液晶电视，电脑，手机等不同的显示方式，适合在示范园区不同地方使用，充分体现现代农业与现代光电信息技术的融合。l 完全自动化现有大型农业生产企业、农业示范园区的信息化改造，用自动化的技术手段替代了用户现有的定期数据采集工作，提升了数据采集的准确度和可靠度，让用户可以
13、将精力专注在数据的分析和整理上。3.3 系统组成针对现代农业需求而开发的自动化系统整体解决方案，主要包括三个部分：信息采集、设备的自动控制、信息的发布与智能处理组成。信息采集包括温室空气温湿度信息监测、土壤信息监测、视频信息采集等。设备控制包括温室的风机控制、湿帘电机控制和遮阳板电机控制等。信息的发布与数据处理包括LED信息发布系统、中央控制室的管理平台和意外信息的手机报警处理等功能。3.4 系统示意图以下为示范园区物联网系统拓扑结构图：4 物联网系统功能4.1 环境信息采集系统主要是前端的传感器、采集仪等硬件设备，通过后端的蔬菜生长环境信息监测管理系统软件，实现农业环境信息的在线管理与控制。
14、工作原理图如下：农用通（一体化采集仪）采集系统提供的功能包括： 环境监测 空气温度 空气湿度 土壤温度 土壤湿度 光照强度 二氧化碳浓度 报警功能 短信报警 邮件报警 实时抓拍图片（可选） 以育苗智能温室为例，如下图：4.2 视频监控系统作为管理农业生产的人员而言，仅仅数值化的物物相联并不能完全营造作物最佳生长条件。视频与图像监控提供了更直观的表达方式。比如：哪块地缺水了，在物联网单层数据上看仅仅能看到水分数据偏低。应该灌溉到什么程度也不能死搬硬套地仅仅根据这一个数据来作决策。因为农业生产环境的不均匀性决定了农业信息获取上的先天性弊端，而很难从单纯的技术手段上进行突破。视频监控的引用，直观地反
15、映了农作物生产的实时状态，引入视频图像与图像处理，既可直观反映一些作物的生长长势，也可以侧面反映出作物生长的整体状态及营养水平。可以从整体上给农户提供更加科学的种植决策理论依据。监控界面4.3 液晶拼接大屏幕系统液晶拼接大屏幕系统包括拼接单元组合墙体、图形控制器、大屏控制管理软件、接口设备、专用线缆等单元。随着农业示范园区、生产企业规模化发展，依赖普通液晶显示器已不能满足管理者对区域内进行多方位、多点监控，各类农业信息也无法实现有效的汇聚和展示。而液晶拼接大屏幕系统通过超窄边液晶拼接技术，可以做到不同尺寸液晶单元的组合，解决此类问题，同时也对农业园区和企业自身形象的宣传有着重要意义。实例图4.
16、4 智能控制系统根据环境参数采集系统获取的数据，以及各类作物适宜环境参数，驱动各类监控器和湿帘降温系统、通风系统等构成整个自动化控制网络。具体包括以下设备：1、 实现远程自动（手动）灌溉2、 实现远程自动（手动）排风3、 实现远程自动（手动）加湿4、 实现远程自动（手动）遮阳帘控制（可选）5、 实现远程自动（手动）温度控制6、 实现温室、路灯等各种灯光的远程控制7、 其它设备的控制系统拓扑图4.41 温度控制自动降温：夏季采用自然和强制通风降温的方式进行降温。由监控仪根据目标温度与实际室温的偏差以及室温的变化率进行模糊计算。先开启顶开窗系统进行自然通风调整温室内的温度，经过时间判断后，如果温度
17、值还不能降低，再开启侧窗系统。如自然通风不能降低温室内的温度值，则由电脑关闭自然通风，采用强制通风的方式来控制室内湿度。强制通风：通过延时计算关闭天窗，其次关闭侧窗。开启湿帘外翻窗，然后开启风机，进行温度判断，如果温度还下不来，则开启湿帘水泵，如温度还降不下来，则计算机会开启温度过高报警，提示用户需增加降温设备。说明：上面所有的控制过程都配有延时和稳定判断时间和动作稳定时间，以保证温室设备不频繁进行开启关闭动作。更好的保护温室。自动升温：冬季采用暖气加温或地源热泵中央空调系统的方式，由监控仪根据目标温度与实际室温的偏差以及室温的变化率进行模糊计算，通过调节暖气恒温阀的开合度来控制室内温度。4.
18、42 通风控制自动控制：由室内传感器采集温室内部的上、中、下三部温度值来进行模糊计算出温室内的温差值，如果温差值过大，则自动开启循环风机。同时采集温室内的湿度值，如果湿度值偏差过大，也自动开启循环风机，以平衡温室内的湿度偏差值。手动控制：新风换气机可由电脑操作人员通过控制进行人工操作，也可以进行定时通风来达到通风换气的目的。4.43 喷雾控制自动控制：计算机内部有一套根据室内湿度传感器的值，与设定目标值进行对比，如高于设定目标值，则自动关闭喷雾阀门。如低于设定目标值，则自动打开喷雾阀门。定时控制：轮灌方式，可设定在某个时间段，进行灌溉的方式，可每个小时，灌溉一次，同时也可设定灌溉的次数。有效的
19、保护了水泵，同时也使土壤更好的吸收水分。4.44 肥水自动灌溉控制系统在控制工程方面，采用稳定工业PLC作为控制核心，采用高性能矢量变频器作为水路恒压控制核心，对灌溉、施肥、喷药实施调节控制，实现节能、长时间无人值守的安全全自动控制，计算机内部有一套根据土壤湿度传感器采集的值，与设定目标值进行对比，如高于设定目标值，则自动关闭灌溉阀门。如低于设定目标值，则自动打开灌溉阀门。轮灌方式，可设定在某个时间段进行灌溉的方式，可每个小时灌溉一次，同时也可设定灌溉的次数。有效的保护了水泵，同时也使土壤更好的吸收水分。 4.5 物联网监控管理平台主要功能模块如下：1、首页视图首页视图展示了环境监控平台整体操
20、作界面和使用环境。2、功能栏： 通过用户名和密码进入到平台后，可看到“实时监测”、“智能决策”、“数据报表”、“系统管理”、“系统通知”和“视频监控”功能栏。3、实时监测：在实时监测部分，客户可以集中式的查看现场最新的环境参数。并可在当前页面进行控制调节，极大地方便了用户的操作。4、智能决策用户可以对室内环境进行上下限设置，并可以选择响应方式，并可在平台查看各种报警数据。5、远程控制通过管理平台，可以对现场设备实现远程手动控制。 6、变化曲线在变化曲线部分，客户可以看到设备对应时间段的历史数据生成的曲线图，更直观的反应监测环境的变化。7、历史数据通过事先设定好的采集发送时间间隔，可查看以往所有采集时间点的环境信息记录。8、系统管理9、系统通知10、视频监控5 项目需求及方案设计5.1项目需求利用各种传感器，通过无线、有线网络等技术，实现远程实时监测温室内作物生长的环境变化和动态状况，为管理者提供各类数据依据，有效改善作物的生长环境，提高作物产量和品质，提升企业的管理效率和水平。以一个温室为例，部署如下：- 20 -
