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農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

 綠源科訊圖書館 2012-01-17

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

                                                              

     物聯(lián)網(wǎng)應用是將采集數(shù)據(jù)經(jīng)行分析后進行的全自動監(jiān)控灌溉、施肥、噴藥、降溫和補光等一系列操作,它由中央控制柜與多節(jié)點數(shù)據(jù)采集器構成兩級分布式計算機控制網(wǎng)絡,具有分散采集,集中操作管理的特點,系統(tǒng)配置可以根據(jù)要求靈活增加或減少。通過傳感器實時采集溫度、濕度、光照等環(huán)境參數(shù),并傳到各個節(jié)點,數(shù)各個節(jié)點實現(xiàn)和上位機的通訊,在計算機軟件界面上可顯示所采集到環(huán)境參數(shù)的值,可進行數(shù)據(jù)設定、存貯、報警。具體如下:
物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領域中有著廣泛的應用。我們從農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)不同的階段來看,無論是從種植的培育階段和收獲階段,都可以用物聯(lián)網(wǎng)的技術來提高它工作的效率和精細管理。例如:
    (1)在種植準備的階段,我們可以通過在溫室里布置很多的傳感器,實時采集當前狀態(tài)下土壤信息,來選擇合適的農(nóng)作物并提供科學的種植信息及其數(shù)據(jù)經(jīng)驗。
    (2)在種植和培育階段,可以用物聯(lián)網(wǎng)的技術手段進行實時的溫度、濕度、CO2等的信息采集,且可以根據(jù)信息采集情況進行自動的現(xiàn)場控制,以達到高效的管理和實時監(jiān)控的目標,從而應對環(huán)境的變化,保證植物育苗在最佳環(huán)境中生長。例如:通過遠程溫度采集,可了解實時溫度情況然后手動或自動的在辦公室對其進行溫度調整,而不需要人工去實施現(xiàn)場操作,從而節(jié)省了大量的人力。
    (3)在農(nóng)作物生長階段,可以利用物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)測作物生長的環(huán)境信息、養(yǎng)分信息和作物病蟲害情況。利用相關傳感器準確、實時地獲取土壤水分、環(huán)境溫濕度、光照等情況,通過實時的數(shù)據(jù)監(jiān)測和物定作物的專家經(jīng)驗相結合,配合控制系統(tǒng)調理作物生長環(huán)境,改善作物營養(yǎng)狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)作物的病蟲害爆發(fā)時期,維持作物最佳生長條件,對作物的生長管理及其為農(nóng)業(yè)提供科學的數(shù)據(jù)信息等方面有著非常重要的作用。
   (4)在農(nóng)產(chǎn)品的收獲階段,我們也同樣可以利用物聯(lián)網(wǎng)的信息,把它傳輸階段、使用階段的各種性能進行采集,反饋到前端,從而在種植收獲階段進行更精準的測算。
總而言之,物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)智能測控系統(tǒng)能大大的提高生產(chǎn)管理效率,節(jié)省人工(例如:對于大型農(nóng)場來說,幾千畝的土地如果用人力來進行澆水施肥,手工加溫,手工卷簾等工作,其工作量相當龐大且難以管理,如果應用了物聯(lián)網(wǎng)技術,手動控制也只需點擊鼠標的微小的動作,前后不過幾秒,完全替代了人工操作的繁瑣;),而且能非常便捷的為農(nóng)業(yè)各個領域研究等方面提供強大的科學數(shù)據(jù)理論支持,其作用在當今的高度自動化、智能化的社會中是不言而諭的。

     二、物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)智能測控系統(tǒng)所技術特點:
   (1)監(jiān)控功能系統(tǒng):根據(jù)無線網(wǎng)絡獲取的植物實時的生長環(huán)境信息,如通過各個類型的傳感器可監(jiān)測土壤水分、土壤溫度、空氣溫度、空氣濕度、光照強度、植物養(yǎng)分含量等參數(shù)。其它參數(shù)也可以選配,如土壤中的PH值、電導率等等。信息收集、負責接收無線傳感匯聚節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)、存儲、顯示和數(shù)據(jù)管理,實現(xiàn)所有基地測試點信息的獲取、管理、動態(tài)顯示和分析處理以直觀的圖表和曲線的方式顯示給用戶,并根據(jù)以上各類信息的反饋對農(nóng)業(yè)園區(qū)進行自動灌溉、自動降溫、自動卷模、自動進行液體肥料施肥、自動噴藥等自動控制。

    (2)監(jiān)測功能系統(tǒng):在農(nóng)業(yè)園區(qū)內實現(xiàn)自動信息檢測與控制,通過配備無線傳感節(jié)點,太陽能供電系統(tǒng)、信息采集和信息路由設備、配備無線傳感傳輸具系統(tǒng),每個基點配置無線傳感節(jié)點,每個無線傳感節(jié)點可監(jiān)測土壤水分、土壤溫度、空氣溫度、空氣濕度、光照強度、植物養(yǎng)分含量等參數(shù)。其它參數(shù)也可以選配,如土壤中的PH值、電導率等等。信息收集、負責接收無線傳感匯聚節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)、存儲、顯示和數(shù)據(jù)管理,實現(xiàn)所有基地測試點信息的獲取、管理、動態(tài)顯示和分析處理以直觀的圖表和曲線的方式顯示給用戶,并根據(jù)種植作物的需求提供各種聲光報警信息和短信報警信息。

    (3)實時圖像與視頻監(jiān)控功能:農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基本概念是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)上作物與環(huán)境、土壤及肥力間的物物相聯(lián)的關系網(wǎng)絡,通過多維信息與多層次處理實現(xiàn)農(nóng)作物的最佳生長環(huán)境調理及施肥管理。但是作為管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人員而言,僅僅數(shù)值化的物物相聯(lián)并不能完全營造作物最佳生長條件。視頻與圖像監(jiān)控為物與物之間的關聯(lián)提供了更直觀的表達方式。比如:哪塊地缺水了,在物聯(lián)網(wǎng)單層數(shù)據(jù)上看僅僅能看到水分數(shù)據(jù)偏低。應該灌溉到什么程度也不能死搬硬套地僅僅根據(jù)這一個數(shù)據(jù)來作決策。因為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的不均勻性決定了農(nóng)業(yè)信息獲取上的先天性弊端,而很難從單純的技術手段上進行突破。視頻監(jiān)控的引用,直觀地反映了農(nóng)作物生產(chǎn)的實時狀態(tài),引入視頻圖像與圖像處理,既可直觀反映一些作物的生長長勢,也可以側面反映出作物生長的整體狀態(tài)及營養(yǎng)水平??梢詮恼w上給農(nóng)戶提供更加科學的種植決策理論依據(jù)。
     三、主要監(jiān)測參數(shù)(可按自身的要求任意選擇):
     測定指標:溫度;濕度;光照強度;光合有效輻射;CO2;土壤溫度;土壤水分;土壤PH值;電導(鹽份);氣壓;風向;風速;雨量等等。

     四、項目的需求分析:
    (一)、信息采集子系統(tǒng)
    1. 數(shù)據(jù)采集點  無線發(fā)射模塊、太陽能電池板、支架、蓄電池
    2. 數(shù)據(jù)采集傳感器  溫度傳感器、濕度傳感器、光照強度傳感器、光合有效輻射傳感器、CO2傳感器  、土壤溫濕度傳感器、風向、速、雨量傳感器等
    3. 數(shù)據(jù)分析及顯示部分  電腦、軟件、無線接收模塊、報警系統(tǒng)

   備注:數(shù)據(jù)采集節(jié)點數(shù)可根據(jù)客戶需求或實際分析確定數(shù)據(jù)采集節(jié)點數(shù)(建議以大棚或每塊田地為單位根據(jù)實際大小確定每個大棚或田地的節(jié)點數(shù)量),其中每個節(jié)點附帶一個該類型的數(shù)據(jù)采集傳感器,如有傳感器及其電腦主機、顯示器的尺寸、特殊精度、數(shù)量和品牌等要求請在說明一欄中說明。若無特殊說明將按系統(tǒng)的實際情況及其用戶要求作出最佳配置選擇。
   (二)、無線控制部分

控制系統(tǒng)需求
實際需求產(chǎn)品名稱
PLC控制柜
控制柜 (大屏幕手觸摸彩色液晶屏)         
變頻器         
連接及其現(xiàn)場實施系統(tǒng)
大功率遠程通信系統(tǒng) 
中間繼電器系統(tǒng)     
高壓、防雷系統(tǒng)     
過流保護系統(tǒng)     
過流、過熱、超壓、欠壓保護系統(tǒng)
自動灌溉系統(tǒng)          
自動施肥系統(tǒng)      
自動噴藥系統(tǒng)         
其它
反饋壓力變送器     
電磁閥             
      備注:其中控制柜具體數(shù)量根據(jù)控制點的數(shù)量而定;變頻器可一拖三(即一個變頻器可公用與三個水泵等設備),如需特殊要求請在說明一欄中說明。若無特殊說明將按系統(tǒng)的實際情況及其用戶要求作出最佳配置選擇。
   (三)、實時圖像與監(jiān)控部分
實時圖像與監(jiān)控需求
產(chǎn)品需求及其數(shù)量
攝像監(jiān)控設備
180度可旋轉高清攝像頭
360度旋轉可變焦攝像頭
攝像頭控制設備
控制云臺

     備注:如需特殊要求請在說明一欄中說明。若無特殊說明將按系統(tǒng)的實際情況及其用戶要求作出最佳配置選擇。
   (四)、系統(tǒng)整體功能部分
     1、氣象站及聯(lián)動棚內各項數(shù)據(jù)能統(tǒng)計分析,并實時在控制室電腦顯示、分析;
     2、監(jiān)控圖像、數(shù)據(jù)分析等圖像同時在多臺液晶屏上顯示;
     3、數(shù)據(jù)及監(jiān)控圖像通過GPRS傳到網(wǎng)絡,用戶可在任何有網(wǎng)絡的地方查看,并可根據(jù)其用戶權限進行相應的操作;
     4、可遠程控制田間電磁閥,并設定不同的灌溉施肥方案;遠程控制監(jiān)控攝像頭。以上遠程控制及訪問需要設定不同的權限,遠程訪問都需要有記錄保存;
     5、收集的數(shù)據(jù)能設定警戒值,如果超出警戒值可發(fā)送警報到控制室或者手機上,以免發(fā)生意外情況;
     6、根據(jù)用戶需求,若需要和原有的電磁閥、施肥機等設備進行銜接,在用戶提供原有設備接口和通信協(xié)議的情況下可進行有效銜接,但是建議盡量不適用原有設備,以免對以后系統(tǒng)的實施、維護和升級等過程造成困難;
     7、能提供充足的升級空間,可滿足后續(xù)創(chuàng)新園建設中的監(jiān)控、數(shù)據(jù)收集、田間灌溉的提升需求并預留接口,可對現(xiàn)有系統(tǒng)進行大規(guī)模的升級;
     8、大棚可完成自動灌溉、自動噴藥、自動施肥(液態(tài)肥)等功能,且不需人工干預,只需在辦公室進行鼠標操作便可輕松完成上述復雜動作,而且系統(tǒng)可設定自動模式,例如:根據(jù)當前自動采集的水分來判定是否需要灌溉等動作,實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化;
五、系統(tǒng)設計方案:
     A、在辦公室及鋼構房控制室內各安裝一臺液晶顯示器,實時顯示收集的數(shù)據(jù)及監(jiān)控畫面,且兩臺顯示器需同步顯示。

                

     B、供電方式:采用兩種供電模式,即市電與太陽能雙電源供電系統(tǒng),保證設備在任何氣候環(huán)境下都能持續(xù)工作。
     C、傳輸方式:模式1 無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)
             模式2 全球移動通信系統(tǒng)(GSM)
             模式3 無線傳感器網(wǎng)絡+全球移動通信系統(tǒng)+互聯(lián)網(wǎng)(WSN+GSM+Internet)
             模式4 無線傳感器網(wǎng)絡+噴滴灌或只能作業(yè)等控制終端(WSN+作業(yè)終端)
             模式5 無線傳感器網(wǎng)絡+WebGIS(WSN+WebGIS)

    D、通訊接口:無線自組織網(wǎng)絡傳輸協(xié)議,串口通信接口等;
    E、數(shù)據(jù)采集傳輸部分軟件的功能:可在線實時連續(xù)的采集和記錄監(jiān)測點位的各項參數(shù)情況,可成表格顯示,曲線顯示,柱狀圖顯示,有報
警功能,數(shù)據(jù)可隨時調出查看??蓴U充多達65536個點??稍O定各監(jiān)測點位的報警限值,當出現(xiàn)被監(jiān)測點位數(shù)據(jù)異常時可自動發(fā)出聲光報警信號,并發(fā)送警報到控制室或者手機上。
    2、系統(tǒng)控制部分實施方案:
 在控制工程方面,項目采用工業(yè)控制技術,嚴格遵循工業(yè)控制標準。采用現(xiàn)在已穩(wěn)定應用于工業(yè)控制系統(tǒng)的PLC作為控制核心,采用變頻水泵及其電磁閥等控制對灌溉、施肥實施恒壓、節(jié)能、長時間無人值守的自動控制??刂乒衽c控制室之間通過無線連接??刂剖遗c控制柜之間的最大距離在5KM。建議控制柜安放與室內,最好一起放在控制室內,以便直接根據(jù)當前數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)控制。
  (1)系統(tǒng)設計:
    A 、PLC主控制部分:
    B、供水,供肥,噴藥系統(tǒng):采用國際上先進的變頻控制系統(tǒng)(變頻的優(yōu)點:自動恒壓輸出,能對電機的過載、發(fā)熱、爆管等情況進行自動控制,安全可靠并可延長整個系統(tǒng)的使用壽命),根據(jù)現(xiàn)有場地或客戶要求定做。
    C、連接系統(tǒng):需無線大功率遠程通信系統(tǒng),中間繼電系統(tǒng)數(shù)臺,高壓、防雷系統(tǒng)、過流、過熱、超壓、欠壓保護保護系統(tǒng),供水,供肥,噴藥系統(tǒng)(具體要看客戶要求)。
    D、其他:在主管道上安裝反饋壓力變送器,以達到及時自動控制管道內水壓。
  (2)可達到的功能:
    通過采集信息部分發(fā)來的指令可完成自動灌溉、自動施肥、自動噴藥、能遠程控制田間電磁閥,并根據(jù)設定不同的灌溉施肥方案進行灌溉施肥(通過電腦手動開啟或關閉閥門的開關來實現(xiàn),因為本系統(tǒng)沒有不同作物的施肥專家?guī)欤?。遠程控制監(jiān)控攝像頭,可通過GPRS遠程查看當?shù)厍闆r,但其流暢程度據(jù)當?shù)鼐W(wǎng)速情況而定。以上遠程控制及訪問需要設定不同的權限并要通過輸入密碼來實現(xiàn),所有的遠程訪問都有記錄保存。
系統(tǒng)上位機數(shù)據(jù)采集及其控制顯示界面;

               

                                  系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測部分                                           系統(tǒng)控制部分

       七、系統(tǒng)總示意圖:

               

     八、應用實例:
    73021部隊農(nóng)副業(yè)基地(水果、蔬菜) 
    寧波林特中心(水果) 
    寧波慈溪萬畝梨園(梨) 
    慈溪掌起鎮(zhèn)的芝怡果蔬農(nóng)場(葡萄等) 
    杭州美人紫農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司(葡萄園) 
    浙江安吉農(nóng)業(yè)墑情預報(農(nóng)業(yè)墑情) 
    浙江金華市婺江葡萄研究所(葡萄) 
    嘉興市新奇特果蔬專業(yè)合作社(水果蔬菜) 
    浙江大學長興農(nóng)業(yè)示范園區(qū)(設施蔬菜) 
    浙江富陽銘卉農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司(水果、蔬菜) 
    浙江蕭山舒蘭農(nóng)業(yè)有限公司(蔬菜實施栽培) 
    杭州市富陽農(nóng)業(yè)合作社(大棚蔬菜) 
    海寧市金輝果蔬有限公司(設施果蔬) 
    海寧市民勝果蔬專業(yè)合作社(設施果蔬) 
    浙江海洋養(yǎng)殖研究所養(yǎng)殖基地(水產(chǎn)養(yǎng)殖) 
    浙江蕭山天海養(yǎng)殖有限公司(對蝦養(yǎng)殖) 

                           

                           

       九、未來的工作愿景

                  

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