物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)溫室大棚智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要：溫室大棚使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以有效改變傳統(tǒng)的種植方式，使農(nóng)產(chǎn)品的種植不再受地區(qū)、天氣、季節(jié)等因素的影響。本文先設(shè)置了一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景并對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行研究，隨后進(jìn)行了感知層、傳輸層、應(yīng)用層的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)分析，同時(shí)分析了系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、控制、管理等功能，說(shuō)明了智能系統(tǒng)的使用效果。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；溫室大棚；智能控制系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使大棚的構(gòu)建變得更加智能化、現(xiàn)代化，現(xiàn)今，以色列、荷蘭、英國(guó)等60多個(gè)國(guó)家和地區(qū)都進(jìn)行了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，因此，我國(guó)自然要緊跟時(shí)代的潮流建立溫室大棚的智能系統(tǒng)。我國(guó)的溫室智能系統(tǒng)水平還相對(duì)較低，所以需要工作人員引進(jìn)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，構(gòu)建完善的溫室系統(tǒng)。

1系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景

溫室大棚的本質(zhì)就是種植人員通過(guò)控制溫度、濕度、光照、土壤所形成的一個(gè)可供植物生長(zhǎng)的模擬環(huán)境，通過(guò)改變環(huán)境改變農(nóng)作物的生長(zhǎng)條件，使其可以突破地區(qū)、季節(jié)的限制，為種植人員帶來(lái)更高的收益。而同時(shí)，智能控制系統(tǒng)以及電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加的智能化自動(dòng)化，使溫室控制的方法變的更加多樣化，種植人員在溫室大棚中使用濕度、二氧化碳、地質(zhì)、土壤、光照、風(fēng)力等傳感器來(lái)采集溫室大棚內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，對(duì)溫度與濕度參數(shù)進(jìn)行全面分析，隨后將這些信息上傳到智能控制平臺(tái)，由工作人員進(jìn)行信息的收集、分析、整理、處理，再利用電腦系統(tǒng)監(jiān)控大棚內(nèi)部的情況，利用風(fēng)扇、布簾、澆灌噴頭、補(bǔ)光燈等設(shè)備對(duì)溫室大棚進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，為農(nóng)作物的生長(zhǎng)提供有力環(huán)境。

2系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)分析

本次實(shí)際選擇的溫室大棚為60m×10m，根據(jù)實(shí)際測(cè)試，其設(shè)備的能耗情況為，12個(gè)90W功率的風(fēng)機(jī)，其總功率為1080W,平均每天使用5h，能耗共計(jì)5.4kW⋅h；12個(gè)100W功率的補(bǔ)光燈，其總功率為1200W，平均每天使用2h，其總能耗為2.4kW⋅h；2個(gè)120W功率的水泵，其總功率為240W,平均每天使用1h，其能耗共計(jì)0.24kW⋅h；60個(gè)5W功率的節(jié)點(diǎn)，其總功率為300W,平均每天使用24h，其總能耗為7.2kW⋅h；其余網(wǎng)關(guān)、加熱、節(jié)能等設(shè)備的能耗共計(jì)8.76kW⋅h。因此可以得知，本次設(shè)計(jì)的每天總能耗為24kW⋅h。而系統(tǒng)使用的發(fā)電設(shè)備為2000W的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，每天的發(fā)電量總計(jì)為14kW⋅h，剩余電量則由外部電網(wǎng)負(fù)責(zé)供應(yīng)。

3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)分析

3.1感知層

工作人員使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)建立溫室大棚控制系統(tǒng)，需要運(yùn)用到ZigBee路由器，這個(gè)路由器的功耗較低，且最高速率能達(dá)到250kbit/s，傳輸頻率為2.5G，因此在溫室大棚中使用程度較高，種植人員與工作人員可以利用其中的協(xié)調(diào)器進(jìn)行信息的傳遞。種植人員需要使用GPRS技術(shù)與智能系統(tǒng)進(jìn)行交互，智能系統(tǒng)通過(guò)路由器感知到每一個(gè)傳感器帶來(lái)的消息，并及時(shí)進(jìn)行溫室環(huán)境調(diào)節(jié)。感知層需要具備溫室大棚的全面感知能力，為種植人員提供全面、及時(shí)的大棚環(huán)境信息，為其提供參考依據(jù)，是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)中的核心部分，也是智能系統(tǒng)中的基礎(chǔ)部分。

3.2傳輸層

傳輸層與物聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)密不可分，其是工作人員與種植人員溝通的橋梁，是兩者進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞以及決策下達(dá)的紐帶。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳輸層為溫室局域網(wǎng)與遠(yuǎn)程廣域網(wǎng)。在傳輸?shù)倪^(guò)程中傳輸層要保證信息的安全可靠，加快信息的流通。在本次選擇的種植基地中，溫室大棚的數(shù)量較多，控制器與終端之間存在著較遠(yuǎn)的跨度，為保證信息傳輸，系統(tǒng)使用了以太網(wǎng)技術(shù)，運(yùn)用有線傳輸容量大、穩(wěn)定性強(qiáng)、傳輸距離長(zhǎng)、防干擾的特點(diǎn)保證信息傳遞的準(zhǔn)確性，又將廣域互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與GSM通信技術(shù)加以結(jié)合，使種植人員可以使用瀏覽器與手機(jī)來(lái)獲取大棚的信息，及時(shí)進(jìn)行管理。

3.3應(yīng)用層

應(yīng)用層是智能系統(tǒng)的“大腦”，其負(fù)責(zé)對(duì)信息進(jìn)行整理、融合、處理以及，其是保證大棚智能運(yùn)行的決策者與指導(dǎo)者，應(yīng)用層在溫室集控系統(tǒng)中就可以對(duì)大棚的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理。集控計(jì)算機(jī)在獲取了感知層的信息之后，會(huì)將這些信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用了SQLServer軟件建立了數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，包括環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)以及設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫(kù)兩種，數(shù)據(jù)庫(kù)擁有著查詢、提取、增加以及修改等基本功能[1]。

4系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)分析

4.1監(jiān)測(cè)功能

本系統(tǒng)使用了LabVIEW技術(shù)進(jìn)行了監(jiān)控平臺(tái)的開(kāi)發(fā)工作，監(jiān)控平臺(tái)包括了數(shù)據(jù)采集功能、監(jiān)測(cè)功能、控制與輸出功能以及參數(shù)設(shè)置功能，工作人員運(yùn)用此系統(tǒng)可以隨時(shí)監(jiān)控大棚內(nèi)部的情況，了解溫室內(nèi)的濕度、溫度、光照以及CO2濃度，以便于工作人員進(jìn)行環(huán)境調(diào)節(jié)。大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的獲得方式較為簡(jiǎn)單，工作人員只要使用智能系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)控制功能就可以直接顯示所需信息，也可以使用瀏覽器或手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程查詢。本系統(tǒng)具有氣體監(jiān)控功能，工作人員使用了電阻式的氣體傳感器，以此作為氣體監(jiān)控系統(tǒng)的核心。工作人員將半導(dǎo)體安裝在探測(cè)區(qū)域內(nèi)，使其監(jiān)控溫室內(nèi)的O2濃度以及CO2濃度，網(wǎng)關(guān)會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)人員，當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)溫室信息不符合要求時(shí)，及時(shí)進(jìn)行通風(fēng)與換氣，使O2濃度以及CO2濃度達(dá)到種植標(biāo)準(zhǔn)。

4.2控制功能

本次系統(tǒng)的控制功能設(shè)計(jì)了兩種模式，分別為手動(dòng)命令下達(dá)模式以及自動(dòng)命令下達(dá)模式。手動(dòng)命令下達(dá)模式的主要功能有兩種，一是運(yùn)用繼電器與接觸器來(lái)控制系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行與停止，是脫離現(xiàn)場(chǎng)的手動(dòng)模式。二是使用觸摸屏、集控平臺(tái)以及手機(jī)瀏覽器等功能進(jìn)行的遠(yuǎn)程手動(dòng)控制，系統(tǒng)會(huì)讀取PLC中的相關(guān)信息，利用繼電器進(jìn)行設(shè)備控制[2]。自動(dòng)控制功能為智能控制，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)大棚內(nèi)部的溫度因子與濕度因子進(jìn)行自動(dòng)控制，運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行多種控制共同運(yùn)行，使溫室的內(nèi)部環(huán)境始終保持在適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)。

4.3管理功能

溫室大棚的智能系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備一定的管理功能，因此需要設(shè)置集中管理平臺(tái)進(jìn)行溫室環(huán)境的管理。管理平臺(tái)的功能應(yīng)當(dāng)包括：數(shù)據(jù)采集、信息傳輸、監(jiān)控監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)管理以及參數(shù)設(shè)置等，其中，采集模塊的主要功能是將感知層的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并儲(chǔ)存，監(jiān)控模塊的功能為監(jiān)控溫室內(nèi)部情況，數(shù)據(jù)模塊的功能為對(duì)大棚信息的收集、處理，使工作人員的命令更加切實(shí)有效[3]。

5結(jié)論

溫室大棚智能系統(tǒng)的構(gòu)建需要運(yùn)用到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。經(jīng)過(guò)上述內(nèi)容可知，智能化農(nóng)業(yè)建設(shè)已經(jīng)成為了我國(guó)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)擺脫了天氣、雨水、土壤等因素的限制，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)出現(xiàn)了巨大的變革，所以，農(nóng)業(yè)人員需要使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建智能系統(tǒng)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]朱明,曹越.基于LoRa技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].南方農(nóng)業(yè),2019,13(27):175-177+180.

[2]向緒友,周超,鐘旭.溫室大棚智能控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)研究綜述[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué),2018(09):123-126.

[3]劉璐,劉光偉.關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制系統(tǒng)的研究[J].科技資訊,2018,16(24):95-96.

作者：胡天讓 張旭紅 陳巖 單位：甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院