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一、产品简介

1.1 产品设计背景

    农业不仅是一个古老的传统行业,还是国民经济的重要产业。农业持续增长是整个国民经济长期稳定、协调发展的决定性因素,它不仅直接关系到我国食品供给和社会和谐,而且关系到国家的繁荣和现代化的实现。随着中国经济近30年来的快速发展,农业生产资源紧缺和农业对资源消耗过大的问题对农业发展和国民经济发展的制约愈发明显。农业物联网将先进的传感、通信和数据处理等物联网技术应用于农业领域,构建智能农业系统,是解决农业发展滞后问题的有效方法。物联网智能农业大致分为3个层次,即感知层、网络层和应用层。感知层主要实现农业生态环境的感知、作物的状态感知和动植物的质量检测等;网络层主要实现感知层所获得信息到应用层的传输;应用层首先通过数据清洗和融合、模式识别等手段形成最终数据,然后提供给生态环境监测系统、生长监控系统、追溯系统使用。
    智能农业做为物联网技术应用的一个重要方面,是各个高校尤其是农牧业相关高校的学习和研究重点,广州飞瑞敖电子科技有限公司设计推出了IOT-S01-11型智慧农业实训套件来满足高校对智能农业的科研需求。

1.2 产品设计目标

    IOT-S01-11型智慧农业实训套件的设计目标是对学校已有的传统温室大棚进行智能化改造,从而搭建一个功能齐全、技术先进、信息化程度高的智能温室。该温室可以集中体现物联网相关技术在设施农业信息化、自动化实现中的最新应用。
    产品结合最先进的网络通信、自动控制、物联网及软件技术,开发适用于设施农业温室大棚的环境自动监测控制系统。系统可以模拟基本的生态环境因子,如温度、湿度、光照、土壤温湿度、CO2浓度等,以适应不同植物生长繁育的需要。
    系统从传感终端获得温室的大气温度、湿度、光照和CO2等参数,依据预设的参数,利用手动或自动两种方式启动或关闭不同的执行机构,控制加温设备、补光灯、顶窗侧窗、灌溉、通风系统等环境控制设备,自动调控温室内环境,达到适宜植物生长的范围,为植物生长提供最佳环境。系统还可以通过手机、PDA、计算机等信息终端向用户推送实时监控信息,实现温室信息化、智能化远程管理,充分发挥物联网技术在设施农业生产中的作用,保证温室大棚内环境最适宜作物生长,实现精细化管理,为作物的高效、优质、生态、安全创造条件。
    系统的使用,可以使温室运行处于经济节能状态,实现温室的无人值守自动化运行,降低温室能耗和运行成本,可以为植物提供一个理想的生长环境,并能起到减轻人的劳动强度、提高设备利用率、改善温室气候、减轻病虫害、增加作物产量等作用,实现温室大棚集约化、网络化远程管理。

1.3 产品创新点

● 信息平台完善
通过信息中心平台软件,可以不间断地记录各种传感器的信息以及各种控制设备的动作记录等。以便于用户进行历史状态查询和数据分析。
● 远程监控
用户可以通过手机、PDA、计算机等信息终端远程监控温室内的设备参数。
● 数据联网
系统利用成熟的网络技术,实现温室数据的网络存储与访问。
● 多种通信方式
系统采用有线RS485总线和无线WIFI与ZIGBEE等通信方式,实现温室内数据的传输。
● 开放的MODBUS协议
系统采用工业上常用的MODBUS协议作为室内网络和室外计算机网络的应用层通信协议。

二、产品介绍

2.1 产品概述

    IOT-S01-11型智慧农业实训套件的设计目标是对学校已有的传统温室大棚(建议不超过1亩)进行智能化改造,从而搭建一个功能齐全、信息化程度高的智能温室。该温室可以集中体现物联网相关技术在设施农业信息化、自动化实现中的最新应用。主要改造包括添加无线传感器节点,用于采集大棚内温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等信息,添加卷帘、遮阳、通风、灌溉、补光等系统用以调节大棚内环境,系统信息化拓扑图如图2.1所示,改造模型如图2.2所示。
图2.1 信息化系统拓扑图

图2.2 温室结构示意图

2.2 成功案例实景图

图2.3,2.4分别为公司成功案例现场图,其中图2.3标示1为遮阳系统,电机控制遮阳布的起落,标示2为卷帘系统,在冬天温度较低时,电机带动卷帘放下,起到保暖作用,图2.4标示1为植物生长灯,在阳光不足时,为农作物补充生长光。
图2.3

图2.4

2.3 产品功能详解

系统功能主要有:
2.3.1大气温度控制

控制要素:温度;
控制设备:通风系统、加温设备、卷帘系统、喷灌系统;
控制方式:当温度过高,达到上限阈值时,开启通风系统通风降温,如有需要开启灌溉系统喷雾功能达到降温效果,当温度过低,达到下限阈值时,发下卷帘设备,启动加温设备,提高温度。

2.3.2大气湿度控制

控制要素:湿度
控制设备:雾化微喷;
控制方式:增湿方式采用雾化微喷;

2.3.3土壤湿度

控制要素:土壤湿度;
控制设备:喷灌系统;
控制方式:增湿方式采用喷灌系统喷淋;除湿方式采用土壤水分自动蒸发;

2.3.4光照控制

控制要素:温室光照;
控制设备:外遮阳、补光灯;
控制方式:遮阳方式采用控制外遮阳的展开或闭合控制温室内的光照;增光方式采用补光灯开闭控制温室内的光强。

2.3.5 CO2控制

控制要素:温室CO2;
控制设备:CO2发生器;
控制方式:采用温室内CO2检测传感器,开关通风设备调节CO2含量;

2.3.6远程监控

控制要素:温室
控制设备:信息服务平台
控制方式:采用PC机、移动终端或PDA等方式登录信息服务平台,实时观测温室传感器数据和设备状态。

2.3.7室外遮阳系统

强烈的阳光直射,对温室内降温和作物的生长,有很大的不良影响,在华南地区,温室一般都安装遮阳系统。室外遮阳系统是在温室骨架外,在温室顶的混凝土圈梁上,另外安装一套遮阳骨架,遮光网用不锈钢线支承、专用铝合金型材夹持,不锈钢丝绳传动,手动控制遮阳网开闭。
采用遮光率为70%的国产黑色圆丝针织网。
为尽量减少阳光斜射对温室内的影响,遮阳系统与温室天面斜度一样。

2.3.8加温设备

采用燃油机产生热气,使用鼓风机将暖空气通过管道在温湿度散开达到升温效果;

2.3.9照明补光配电系统

温室内,安装一个总控制电箱;
安装2盏带防水罩的照明灯,用于工作照明;
安装两个防水插座。
安装6盏补光灯,补光灯采用菲利普农用补光灯管,国产支架。6盏补光灯分两组独立控制开关。

2.3.10喷灌系统

采用自来水供(必须达到3-5kg水压),安装一个1″叠片式过滤器。

天面喷淋降温系统

在室外屋顶安装3个喷头,手动统一控制开闭,用于天面降温。

室内微喷系统

温室内安装12个雾化喷头,均布在温室内高约3m处,一方面用于植物生长灌溉,另一方面,用于增湿,(空调的使用容易造成温室内过度干燥,不利于育苗种植)。
温室安装1个水龙头,用于种植和实验用水。
喷灌和种植用水为自来水。

2.3.12通风系统

在已有大棚加装通风口,分别安装进风风扇和排风风扇,达到大棚内通风效果。

2.3.13卷帘系统

在大棚外部加装电机控制卷帘设备,达到冬天保温效果。

2.4 主要设备介绍
2.4.1感知层

感知层相当于智能控制系统的眼睛,实时监测温室的状况,以便实施控制,主要包括室内监测部分和室外监测部分。室内监测主要包含设施内温度、湿度、光照、CO2监测,土壤温度监测、湿度监测等。
室外监测部分主要包括:大气温度、湿度、光照、风向、风速等监测设备,现今主要是通过建立小型气象站来实现。

2.4.2执行层

执行层相当于温室智能控制系统的手,智能控制系统的指令通过这些设备得到执行,以达到远程或本地自动控制目标。执行层设备主要包括冷暖空调、喷淋滴灌、外遮阳、补光、照明控制装置等执行机构。

2.4.3传输层

传输层相当于智能控制系统的神经网络,通过有线、无线的数据链路,将传感器和终端检测到的数据上传到管理平台,并接收管理平台的数据到各个扩展功能节点。传输网络是内部数据与互联网平台数据的交换通道,是物联网数据与互联网数据交换的中间载体。
系统传输层主要分为室内网络传输和室外网络传输,如图所示。温室内传输层主要分为有线传输和无线传输两种类型。有线传输采用工业控制常用的RS485串行单总线,总线长度可达1000米;无线传输采用无线传感器网的两种无线协议WIFI和ZIGBEE,通信范围最长可达200米。有线和无线通信方式统一采用工业控制中常用的标准MODBUS协议。
室外传输采用计算机网络或电信网络两种方式。采用成熟的以太网络和电信网络技术作为传输部分,达到实时性、稳定性、多功能性(环境监控、视频监控)公共网络,便于管理,节约成本。
图 网络通信拓扑图

2.4.4 控制层

控制层相当于智能控制系统的大脑,接收感知层的基础数据,依据人机交互界面输入的或网络层下行传输的控制设置参数,通过数据处理和挖掘,形成智能控制决策的有效指令,传输给执行层,达到智能控制:加温、喷淋滴灌、内外遮阳、顶窗侧窗、加温、补光等,调节设施内的小气候环境,为作物生长提供优良的生长环境。

2.4.5应用层

应用层具备分类处理和存储采集到的环境数据;能根据农业专家系统提供控制设备的控制指令或实现自动控制;提供本地、或远程网络访问服务,实施对系统的本地或远程监控和设备管控。
应用层通过大屏幕实时显示环境参数、音视频信息的汇总及各种异常状态和生产信息提示。
系统应用软件界面如图:
智能农业手动控制界面
智能农业自动控制

远程调试界面

3.支撑课程及实验清单

    广州飞瑞敖电子科技有限公司IOT-S01-11智慧农业实训套件主要目的在对已有传统温室大棚进行智能化改造,达到智能化应用、科研和演示的效果。在工程交付时,将会对所有设备完成软硬件配置和校准,配套完整的产品软硬件使用说明书供客户使用,该套件暂不支持教学及二次开发实验使用,如有该部分需求,建议选择公司IOT-P01-05型智能农业沙盘。

一、智慧农业实训套件

电脑一体机
物联网信息平台服务器
温湿度传感器
光照传感器
二氧化碳传感器
土壤温湿度传感器
风速传感器
风向传感器
雨量传感器
土壤盐分传感器
土壤pH值传感器
日照时数传感器
WiFi设备服务器
加温系统
喷灌系统
通风系统
卷帘系统
遮阳系统
照明系统
温室大棚智能控制主机
4G路由器
智慧农业智能控制系统软件V1.0
室内传感器支架
室外传感器支架