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一、產品簡介

1.1 產品設計背景

    農業不僅是一個古老的傳統行業,還是國民經濟的重要產業。農業持續增長是整個國民經濟長期穩定、協調發展的決定性因素,它不僅直接關系到我國食品供給和社會和諧,而且關系到國家的繁榮和現代化的實現。隨著中國經濟近30年來的快速發展,農業生產資源緊缺和農業對資源消耗過大的問題對農業發展和國民經濟發展的制約愈發明顯。農業物聯網將先進的傳感、通信和數據處理等物聯網技術應用于農業領域,構建智能農業系統,是解決農業發展滯后問題的有效方法。物聯網智能農業大致分為3個層次,即感知層、網絡層和應用層。感知層主要實現農業生態環境的感知、作物的狀態感知和動植物的質量檢測等;網絡層主要實現感知層所獲得信息到應用層的傳輸;應用層首先通過數據清洗和融合、模式識別等手段形成最終數據,然后提供給生態環境監測系統、生長監控系統、追溯系統使用。
    智能農業做為物聯網技術應用的一個重要方面,是各個高校尤其是農牧業相關高校的學習和研究重點,廣州飛瑞敖電子科技有限公司設計推出了IOT-S01-11型智慧農業實訓套件來滿足高校對智能農業的科研需求。

1.2 產品設計目標

    IOT-S01-11型智慧農業實訓套件的設計目標是對學校已有的傳統溫室大棚進行智能化改造,從而搭建一個功能齊全、技術先進、信息化程度高的智能溫室。該溫室可以集中體現物聯網相關技術在設施農業信息化、自動化實現中的最新應用。
    產品結合最先進的網絡通信、自動控制、物聯網及軟件技術,開發適用于設施農業溫室大棚的環境自動監測控制系統。系統可以模擬基本的生態環境因子,如溫度、濕度、光照、土壤溫濕度、CO2濃度等,以適應不同植物生長繁育的需要。
    系統從傳感終端獲得溫室的大氣溫度、濕度、光照和CO2等參數,依據預設的參數,利用手動或自動兩種方式啟動或關閉不同的執行機構,控制加溫設備、補光燈、頂窗側窗、灌溉、通風系統等環境控制設備,自動調控溫室內環境,達到適宜植物生長的范圍,為植物生長提供最佳環境。系統還可以通過手機、PDA、計算機等信息終端向用戶推送實時監控信息,實現溫室信息化、智能化遠程管理,充分發揮物聯網技術在設施農業生產中的作用,保證溫室大棚內環境最適宜作物生長,實現精細化管理,為作物的高效、優質、生態、安全創造條件。
    系統的使用,可以使溫室運行處于經濟節能狀態,實現溫室的無人值守自動化運行,降低溫室能耗和運行成本,可以為植物提供一個理想的生長環境,并能起到減輕人的勞動強度、提高設備利用率、改善溫室氣候、減輕病蟲害、增加作物產量等作用,實現溫室大棚集約化、網絡化遠程管理。

1.3 產品創新點

● 信息平臺完善
通過信息中心平臺軟件,可以不間斷地記錄各種傳感器的信息以及各種控制設備的動作記錄等。以便于用戶進行歷史狀態查詢和數據分析。
● 遠程監控
用戶可以通過手機、PDA、計算機等信息終端遠程監控溫室內的設備參數。
● 數據聯網
系統利用成熟的網絡技術,實現溫室數據的網絡存儲與訪問。
● 多種通信方式
系統采用有線RS485總線和無線WIFI與ZIGBEE等通信方式,實現溫室內數據的傳輸。
● 開放的MODBUS協議
系統采用工業上常用的MODBUS協議作為室內網絡和室外計算機網絡的應用層通信協議。

二、產品介紹

2.1 產品概述

    IOT-S01-11型智慧農業實訓套件的設計目標是對學校已有的傳統溫室大棚(建議不超過1畝)進行智能化改造,從而搭建一個功能齊全、信息化程度高的智能溫室。該溫室可以集中體現物聯網相關技術在設施農業信息化、自動化實現中的最新應用。主要改造包括添加無線傳感器節點,用于采集大棚內溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度等信息,添加卷簾、遮陽、通風、灌溉、補光等系統用以調節大棚內環境,系統信息化拓撲圖如圖2.1所示,改造模型如圖2.2所示。
圖2.1 信息化系統拓撲圖

圖2.2 溫室結構示意圖

2.2 成功案例實景圖

圖2.3,2.4分別為公司成功案例現場圖,其中圖2.3標示1為遮陽系統,電機控制遮陽布的起落,標示2為卷簾系統,在冬天溫度較低時,電機帶動卷簾放下,起到保暖作用,圖2.4標示1為植物生長燈,在陽光不足時,為農作物補充生長光。
圖2.3

圖2.4

2.3 產品功能詳解

系統功能主要有:
2.3.1大氣溫度控制

控制要素:溫度;
控制設備:通風系統、加溫設備、卷簾系統、噴灌系統;
控制方式:當溫度過高,達到上限閾值時,開啟通風系統通風降溫,如有需要開啟灌溉系統噴霧功能達到降溫效果,當溫度過低,達到下限閾值時,發下卷簾設備,啟動加溫設備,提高溫度。

2.3.2大氣濕度控制

控制要素:濕度
控制設備:霧化微噴;
控制方式:增濕方式采用霧化微噴;

2.3.3土壤濕度

控制要素:土壤濕度;
控制設備:噴灌系統;
控制方式:增濕方式采用噴灌系統噴淋;除濕方式采用土壤水分自動蒸發;

2.3.4光照控制

控制要素:溫室光照;
控制設備:外遮陽、補光燈;
控制方式:遮陽方式采用控制外遮陽的展開或閉合控制溫室內的光照;增光方式采用補光燈開閉控制溫室內的光強。

2.3.5 CO2控制

控制要素:溫室CO2;
控制設備:CO2發生器;
控制方式:采用溫室內CO2檢測傳感器,開關通風設備調節CO2含量;

2.3.6遠程監控

控制要素:溫室
控制設備:信息服務平臺
控制方式:采用PC機、移動終端或PDA等方式登錄信息服務平臺,實時觀測溫室傳感器數據和設備狀態。

2.3.7室外遮陽系統

強烈的陽光直射,對溫室內降溫和作物的生長,有很大的不良影響,在華南地區,溫室一般都安裝遮陽系統。室外遮陽系統是在溫室骨架外,在溫室頂的混凝土圈梁上,另外安裝一套遮陽骨架,遮光網用不銹鋼線支承、專用鋁合金型材夾持,不銹鋼絲繩傳動,手動控制遮陽網開閉。
采用遮光率為70%的國產黑色圓絲針織網。
為盡量減少陽光斜射對溫室內的影響,遮陽系統與溫室天面斜度一樣。

2.3.8加溫設備

采用燃油機產生熱氣,使用鼓風機將暖空氣通過管道在溫濕度散開達到升溫效果;

2.3.9照明補光配電系統

溫室內,安裝一個總控制電箱;
安裝2盞帶防水罩的照明燈,用于工作照明;
安裝兩個防水插座。
安裝6盞補光燈,補光燈采用菲利普農用補光燈管,國產支架。6盞補光燈分兩組獨立控制開關。

2.3.10噴灌系統

采用自來水供(必須達到3-5kg水壓),安裝一個1″疊片式過濾器。

天面噴淋降溫系統

在室外屋頂安裝3個噴頭,手動統一控制開閉,用于天面降溫。

室內微噴系統

溫室內安裝12個霧化噴頭,均布在溫室內高約3m處,一方面用于植物生長灌溉,另一方面,用于增濕,(空調的使用容易造成溫室內過度干燥,不利于育苗種植)。
溫室安裝1個水龍頭,用于種植和實驗用水。
噴灌和種植用水為自來水。

2.3.12通風系統

在已有大棚加裝通風口,分別安裝進風風扇和排風風扇,達到大棚內通風效果。

2.3.13卷簾系統

在大棚外部加裝電機控制卷簾設備,達到冬天保溫效果。

2.4 主要設備介紹
2.4.1感知層

感知層相當于智能控制系統的眼睛,實時監測溫室的狀況,以便實施控制,主要包括室內監測部分和室外監測部分。室內監測主要包含設施內溫度、濕度、光照、CO2監測,土壤溫度監測、濕度監測等。
室外監測部分主要包括:大氣溫度、濕度、光照、風向、風速等監測設備,現今主要是通過建立小型氣象站來實現。

2.4.2執行層

執行層相當于溫室智能控制系統的手,智能控制系統的指令通過這些設備得到執行,以達到遠程或本地自動控制目標。執行層設備主要包括冷暖空調、噴淋滴灌、外遮陽、補光、照明控制裝置等執行機構。

2.4.3傳輸層

傳輸層相當于智能控制系統的神經網絡,通過有線、無線的數據鏈路,將傳感器和終端檢測到的數據上傳到管理平臺,并接收管理平臺的數據到各個擴展功能節點。傳輸網絡是內部數據與互聯網平臺數據的交換通道,是物聯網數據與互聯網數據交換的中間載體。
系統傳輸層主要分為室內網絡傳輸和室外網絡傳輸,如圖所示。溫室內傳輸層主要分為有線傳輸和無線傳輸兩種類型。有線傳輸采用工業控制常用的RS485串行單總線,總線長度可達1000米;無線傳輸采用無線傳感器網的兩種無線協議WIFI和ZIGBEE,通信范圍最長可達200米。有線和無線通信方式統一采用工業控制中常用的標準MODBUS協議。
室外傳輸采用計算機網絡或電信網絡兩種方式。采用成熟的以太網絡和電信網絡技術作為傳輸部分,達到實時性、穩定性、多功能性(環境監控、視頻監控)公共網絡,便于管理,節約成本。
圖 網絡通信拓撲圖

2.4.4 控制層

控制層相當于智能控制系統的大腦,接收感知層的基礎數據,依據人機交互界面輸入的或網絡層下行傳輸的控制設置參數,通過數據處理和挖掘,形成智能控制決策的有效指令,傳輸給執行層,達到智能控制:加溫、噴淋滴灌、內外遮陽、頂窗側窗、加溫、補光等,調節設施內的小氣候環境,為作物生長提供優良的生長環境。

2.4.5應用層

應用層具備分類處理和存儲采集到的環境數據;能根據農業專家系統提供控制設備的控制指令或實現自動控制;提供本地、或遠程網絡訪問服務,實施對系統的本地或遠程監控和設備管控。
應用層通過大屏幕實時顯示環境參數、音視頻信息的匯總及各種異常狀態和生產信息提示。
系統應用軟件界面如圖:
智能農業手動控制界面
智能農業自動控制

遠程調試界面

3.支撐課程及實驗清單

    廣州飛瑞敖電子科技有限公司IOT-S01-11智慧農業實訓套件主要目的在對已有傳統溫室大棚進行智能化改造,達到智能化應用、科研和演示的效果。在工程交付時,將會對所有設備完成軟硬件配置和校準,配套完整的產品軟硬件使用說明書供客戶使用,該套件暫不支持教學及二次開發實驗使用,如有該部分需求,建議選擇公司IOT-P01-05型智能農業沙盤。

一、智慧農業實訓套件

電腦一體機
物聯網信息平臺服務器
溫濕度傳感器
光照傳感器
二氧化碳傳感器
土壤溫濕度傳感器
風速傳感器
風向傳感器
雨量傳感器
土壤鹽分傳感器
土壤pH值傳感器
日照時數傳感器
WiFi設備服務器
加溫系統
噴灌系統
通風系統
卷簾系統
遮陽系統
照明系統
溫室大棚智能控制主機
4G路由器
智慧農業智能控制系統軟件V1.0
室內傳感器支架
室外傳感器支架