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1 引言
精確農業(yè)(Precision Agriculture ) 是當今世界農業(yè)發(fā)展的新潮流，它最大的特點就是“精確”，利用衛(wèi)星全球定位系統、遙測遙感技術、計算機自動控制技術和物聯網等高新技術于農業(yè)生產，用以提高產量，降低能耗。精確農業(yè)的推廣不但可以最大限度提高農業(yè)生產力，而且是實現優(yōu)質、高產、低耗和環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展農業(yè)的有效途徑。
隨著農業(yè)技術的不斷發(fā)展，溫室大棚已經相當普及，隨之而來的溫室大棚智能監(jiān)控管理平臺搭建的需求愈發(fā)強烈。傳統的溫室大棚多為人工通過簡單的溫濕度計量設備或者簡單的儀器儀表獲取環(huán)境狀態(tài)參數，并根據經驗手動控制各個調節(jié)閥。此種方式效率低下，控制效果也無法達到智能自動的要求，因此傳統的監(jiān)控管理方式已顯示出諸多局限性。
2 系統設計原則
可擴展性——系統在設計過程中除滿足當前需求外，還需為日后的系統擴展留有足夠的接口，所有功能模塊均為可組態(tài)化設計，可以靈活的增加或者刪除。
可集成性——系統在設計過程中需具備高度集成性，滿足于第三方平臺的實時交互集成需求。
可控制性——系統建成后，要求對溫室中的溫濕度、光照強度、噴灌裝置等設備可實現遠程自動、手動控制，保證溫室作物處于最優(yōu)的生長環(huán)境中。
3 系統設計目標
根據現場實際需求，溫室大棚智能監(jiān)控管理系統需要滿足一下設計目標：
●系統可實現各個溫室大棚的空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度、光照強度等數據的采集和匯總。
●系統可實現對各個溫室大棚的智能控制，需配套合適的控制策略實現對風機、噴淋灌溉、遮陽調光等設備的遠程控制。
●系統需要保證溫室大棚的內環(huán)境最適宜作物的生長，為作物的高產、優(yōu)質、高效、安全創(chuàng)造條件。
●系統數據除了滿足匯總歸納分析的需求，還可實現遠程瀏覽，可通過手機、PDA等移動終端實時對現場環(huán)境實現監(jiān)控管理。
4 系統組成
為了實現上述設計目標，本系統包括現場采集傳感終端、控制終端、無線通信網絡終端、監(jiān)控中心系統平臺4部分組成。圖1所示為系統架構圖。
圖1 系統架構圖
4.1 傳感終端
溫室大棚環(huán)境信息采集單元主要由各種環(huán)境信息傳感器組成，包括以下幾類：
1）數字溫濕度傳感器
該傳感器可實現相對溫度和濕度的環(huán)境信息測量，具備專業(yè)的數字化集成技術和溫濕度測量技術，保證數據的真實有效性。傳感器自身符合超低功耗設計，單線或者兩線串行接口連接方式，可直接與控制器連接實現數據傳輸。
2）土壤水分傳感器
該傳感器可實現長期無人值守的土壤含水量監(jiān)測，外殼抗腐蝕能力強，可長期深埋在土壤中而不會受到損壞，具備高精度、高靈敏度等特點�？蓪崿F表層土壤和深層土壤墑情的定點監(jiān)測和在線測量，數據可直接由水分監(jiān)測儀獲取，或者直接與控制器相連。
3）光照強度傳感器
該傳感器用于對溫室大棚內可見光光照強度的測量，輸出信號符合通用標準，能夠根據當前的光照條件自動調整量程范圍，從而在不同光照強度下均可保持準確的精度。
4）二氧化碳濃度傳感器
紅外二氧化碳濃度傳感器基于紅外光譜吸收原理，測量溫室中的空氣二氧化碳濃度，可實時感應濃度變化。其優(yōu)異的可靠性保證數據的準確性，避免其他氣體的交叉反應。
以上四大類傳感器可實時采集溫室大棚內的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度和空氣中二氧化碳濃度等主要數據，通過通信總線傳送至控制終端。
4.2 控制終端
為了實現系統的遠程控制功能，每個溫室大棚配備PLC可編程控制器作為控制終端。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置，其標準化、系列化、模塊化的設計，使得用戶能靈活方便地進行系統配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統。
為了保證溫室大棚內的環(huán)境適合作物的生長，控制器中加載預先設計好的控制策略程序。
●溫度控制：
當溫室大棚內溫度高于設定上限值時，控制器發(fā)出指令關閉加熱器，之后開啟通風設備；當溫室大棚內溫度低于設定下限值時，控制器發(fā)出指令關閉通風設備，之后開啟加熱器，從而保證溫室大棚內的溫度動態(tài)平衡。
●空氣/土壤濕度控制：
當溫室大棚內空氣/土壤濕度高于設定上限值時，控制器發(fā)出指令關閉噴淋灌溉設備，之后開啟通風設備；當溫室大棚內空氣/土壤濕度低于設定下限值時，控制器發(fā)出指令關閉通風設備，之后開啟噴淋灌溉設備，保證空氣和土壤的恒定濕度。
●光照強度控制：
當溫室大棚內光照強度高于設定上限值時，控制器發(fā)出指令關閉光照器；當溫室大棚內光照強度低于設定下限值時，控制器發(fā)出指令開啟光照器，使得作物達到最佳的光合作用狀態(tài)。
●二氧化碳濃度控制：
當溫室大棚內二氧化碳濃度高于設定上限值時，控制器發(fā)出指令關閉氣體發(fā)生器；當溫室大棚內二氧化碳濃度低于設定下限值時，控制器發(fā)出指令開啟氣體發(fā)生器，使得空氣中二氧化碳濃度達到最佳含量。
●設備狀態(tài)監(jiān)測：
除了對溫室大棚內的作物生長環(huán)境進行控制外，控制器還負責實時監(jiān)控各個傳感終端的狀態(tài)監(jiān)測，一旦出現設備故障會及時產生報警，通知監(jiān)控中心操作人員。
4.3 無線通信網絡終端
為了減少通信線路鋪設的施工量，選擇無線通信方式講數據匯總到監(jiān)控中心。每個溫室大棚配備GPRS DTU數據傳輸單元，具備串口串行通信接口，支持自動心跳檢測，支持自動斷線續(xù)傳，可保持永久在線狀態(tài)。監(jiān)控中心配備接收裝置，數據通過GPRS/Internet網絡實時匯總至監(jiān)控中心。此種方式可節(jié)約大部分通信組網費用，每月只需支付少量流量費，具有更高的經濟效益。
4.4 監(jiān)控中心系統平臺
監(jiān)控中心系統平臺選用力控科技獨立研發(fā)的具備自主知識產權的ForceControl系列組態(tài)軟件，實現溫室大棚系統的整體智能管理。監(jiān)控中心系統平臺作為本系統的核心部件，可實時獲取各個溫室大棚的環(huán)境參數，使得工作人員隨時了解棚內農作物生長環(huán)境。結合控制策略和當前氣候狀況，可以對控制終端的控制策略進行優(yōu)化。系統可以將各個設備的工作狀態(tài)、系統報警信息、系統操作記錄等情況反饋給工作人員，同時可顯示在監(jiān)控中心配備的大屏幕中，使得整個系統的運行狀況盡在掌握中。
力控軟件人性化的模塊化設計，便于各個功能模塊的修改、增刪，減少了系統維護的成本，加強了系統的時效性。
為了實現網絡瀏覽功能，可配備獨立的WEB服務器，用于遠程客戶瀏覽。如需對數據進行更深入的分析處理，可配備獨立的數據服務器和關系數據庫，力控軟件中配備ODBCRouter組件，輕松實現實時數據的轉儲。
5 系統功能
★精確的物聯網溫室大棚信息展示功能
系統可通過組態(tài)畫面實時顯示各個溫室大棚的數據信息，包括土壤墑情、棚內空氣狀況、噴淋灌溉狀況等信息。實現數據的存儲和管理，實現農業(yè)生產的標準化、網絡化、數字化。
★完善的數據查詢功能
系統可通過報表曲線等方式，實現實時數據和歷史數據的查詢，為農作物生長環(huán)境優(yōu)化方案的調整提供了完備的數據支撐。
★便捷的控制管理功能
系統可對水泵噴淋設備的啟停進行控制管理，同時還可根據各個大棚的用水量設定購水限價，實現水價梯度管理。從技術角度實現節(jié)水效果的同時通過水價的監(jiān)管提高用戶節(jié)水的意識。
6 結語
智能精確農業(yè)取代傳統農業(yè)是農業(yè)發(fā)展的必然，更是符合我國國情的選擇。本系統結合當前新興的物聯網技術實現高效利用各類農業(yè)資源和改善環(huán)境這一可持續(xù)發(fā)展目標，不但可以最大限度提高農業(yè)現實生產力，而且是實現優(yōu)質、高產、低耗和環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展農業(yè)的有效途徑。
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