大棚农业物联网工程自动化技术设计方案

PAGE1PAGE2大棚农业物联网工程自动化技术设计方案一、温室物联网概述温室大棚物联网技术，是采用不同的传感器节点和具有简单执行机构的节点(风机、低压电机、阀门等工作电流偏低的执行机构)构成无线网络来测量土壤湿度、土壤成分、pH值、降水量、温度、空气湿度和气压、光照强度、CO2浓度等来获得作物生长的最佳条件,通过模型分析、自动调控温室环境、控制灌溉和施肥作业，同时发布预警信息，实现温室集约化、网络化远程管理。应用物联网技术，可达到增加作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的；温室大棚物联系统主要包括：传感终端、无线传感网、通信终端、控制终端、监控中心和应用软件平台。：1、传感终端温室大棚环境信息感知单元由无线采集终端和各种环境信息传感器组成，可实时监测空气温湿度、土壤含水量、土壤温度、光照强度、CO2浓度、作物长势等信息，以及农业气象信息。2、无线传感网及通信终端温室大棚无线传感通信网络主要由如下两部分组成：温室大棚内部感知节点间的自组织网络建设；温室大棚间及温室大棚与监控中心的通信网络建设。前者主要实现传感器数据的采集及传感器与执行控制器间的数据交互。温室大棚环境信息通过内部自组织网络在中继节点汇聚后，将通过温室大棚间及温室大棚与监控中心的通信网络实现监控中心对各温室大棚环境信息的监控。3、控制终端温室大棚环境智能控制单元由测控模块、电磁阀、配电控制柜及安装附件组成，通过GPRS模块与管理监控中心连接。根据温室大棚内空气温湿度、土壤温度水分、光照强度及CO2浓度等参数，对环境调节设备进行控制，包括外遮阳、风机、湿帘水泵、顶部通风、灌溉电磁阀、施肥机等设备。4、视频监控系统作为数据信息的有效补充，基于网络技术和视频信号传输技术，对温室大棚内部作物生长状况进行全天候视频监控。该系统由网络型视频服务器、高分辨率摄像头组成，网络型视频服务器主要用以提供视频信号的转换和传输，并实现远程的网络视频服务。可实现多点、在线、便捷的监测方式。5、监控中心监控中心由服务器、多业务综合光端机、大屏幕显示系统、UPS及配套网络设备组成，是整个系统的核心。建设管理监控中心的目的是对整个示范园区进行信息化管理并进行成果展示。5、应用软件平台通过应用软件平台可将土壤信息感知设备、空气环境监测感知设备、外部气象感知设备、视频信息感知设备等各种感知设备的基础数据进行统一存储、处理和挖掘，通过中央控制软件的智能决策，形成有效指令，通过声光电报警指导管理人员或者直接控制执行机构的方式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。二、温室物联网技术设计2.1设计思路2.1.1工程任务建设1个自动化灌溉系统及控制中心，实时监测空气温湿度、土壤含水量、土壤温度、光照强度、CO2浓度、作物长势等信息，以及农业气象信息；自动控制外遮阳、风机、湿帘水泵、顶部通风、灌溉电磁阀、施肥机等设备，实现对设施内的小气候环境调节，为作物生长提供优良的生长环境。2.1.2设计原则1、先进性：可以保证系统硬件、系统软件、控制及监测系统应用软件的技术先进性，系统运行时的高度自动化，技术先进。2、安全性：能够保证系统运行时的高可靠性，达到系统电源、信号接口的安全保护，关键部位出错时的快速切换。可以尽量避免硬件设备被雷电破坏，达到计算机网络安全认证，防止非法访问。3、扩充性：系统设备的选型和网络的结构可以满足网络扩充的需要和未来应用软件开发的需求。4、一致性：硬件和软件的选型可以符合将来系统的管理和维护，提供统一的人机接口界面。5、完整性：系统结构、硬件设备和软件开发符合整个系统的要求。6、可靠性：不因其本身的局部故障影响现场设备的正常运行，而且系统的可用性指标均达到国家水电、水利行业的规定。7、开放性：系统预制有通信接口，可实现与其它自动化控制系统根据需要实现信息共享，同时可以与上级部门连接实现信息传递汇报。8、可操作性，在建成之后易于维护人员管理。2.1.3设计依据与规范（1）《节水灌溉工程技术规范》GB/T50363-2006（2）《微灌工程技术规范》SL103-95（3）《灌溉与排水工程设计规范》GB50288-99（4）《工程建设标准强制性条文》（水利工程部分）（5）《水利水电工程施工组织设计规范》SL303—2004（6）《水利水电工程施工质量检验与评定规程》SL176—2007（7）《水利水电建设工程验收规程》SL223—2008（8）《环境影响评价技术原则水利水电工程》HJ/T88-2003（9）《开发建设项目水土保持方案技术规范》GB50433-2008（10）《水土保持综合治理规划通则》GB/T15772-1995（11）《水利水电工程水情自动测报系统设计规定》(DL/T5051-1996)（12）《水文测报装置遥测水位计》GB11830-89（13）《工业企业通信设计技术规定》GBJ42-812.1.4技术方案自动控制系统由灌溉控制器、电磁阀、田间气象站、土壤湿度采集站、土壤湿度传感器、视频采集站、首部控制器、流量计等构成。控制中心远程控制首部水泵及阀门启停或启闭，获取首部压力、流量、电参数信息，掌握系统的运行情况，阀门控制器接受控制中心及灌溉控制器的控制指令，控制阀门的启闭，并在阀门状态发生变化时，将阀门开闭状态返回至控制中心，使控制中心得到阀门的实际开闭状态，全面反映实际轮灌执行情况；控制中心从土壤湿度采集站、气象站、视频采集站获取土壤温湿度、气象信息、作物长势长情等等指导灌溉和灌溉效果的相关参数。2.2总体设计2.2.1工程设计建设滴灌自动控制示范系统，实现安全输水、精准灌溉、科学有效灌溉的指导思想，使该系统高效可靠、先进实用，从而实现灌溉管理现代化。采用“集中管理、分散控制”的理念进行顶层设计，由监控中心、首部运行系统、田间灌溉控制系统、田间信息采集系统（土壤墒情、田间小气候、作物生长视频、施肥信息）等组成分布式自动化系统。具体来说就是将每个独立灌溉系统的首部及其所控制的面积形成一个相对独立的能效监测及自动控制单元，并能单独操作控制。在此基础上将地理位置接近，同属一个管理机构的灌溉系统纳入到监控中心进行集中管理，对首部及田间设备进行远程监控和调度。配合土壤墒情监测站和田间气象测报数据，参考监测数据指导灌溉，实现对设施内的小气候环境调节和科学灌溉。灌溉控制器设在监控中心内，控制一个灌溉系统，在每个灌溉单元出水栓设置电磁阀。首部控制器和自动施肥机设在首部泵站内，控制一个独立供水系统水泵或阀门。湿度采集站、视频采集站布置在田间有代表性典型地点。2.2.2通讯设计整个系统通讯以公用通讯网络+自建专网方式为主：1、监控中心与阀门控制器采用公网无线通讯。2、从监控中心至首部泵房双向通讯采用无线专网方式，在泵房内通过有线方式，在远程电脑上实现自动控制，或者手动在控制柜按钮操作，3、气象站为无线局域网通讯，监控中心与田间气象站采用无线通讯。4、视频信息为无线网桥专网，控制中心与田间视频采集站采用无线网桥专网通讯，5、电磁阀和GSM阀门控制器之间采用电缆连接。2.2.3供电设计故本次项目首部测控设备采用电网直接供电；大棚内供电选用电网供电和太阳能电板+锂电池供电，2.3系统配置2.3.1灌溉控制器灌溉控制器为每个灌溉系统控制核心，通过人机交互界面，便于用户制定、修改、编辑轮灌计划，让用户更加直观的查看田间灌溉设备运行情况，首部设备运行情况，各种报警信息、及时掌握第一手运行数据。田间灌溉主要根据已制定的轮灌制度，自动通过无线通讯服务器给GSM阀控器下达启闭指令，对阀门进行远程启闭操作，实施田间自动灌溉。也可以人工干预进行点片灌溉。在必要的情况下，由具有授权的农艺技术人员结合实际情况对轮灌制度进行调整。2.3.2电磁阀电磁阀由9～12V正反向直流脉冲电压信号控制二位三通先导控制阀，借管道水压驱动阀门隔膜动作实现开关阀。动作原理：正向电压作用于先导控制阀，堵住进水端口，将控制腔与排水端口连同，控制腔排放，隔膜上升，阀门开启；反向电压作用于先导控制阀，堵住排水端口，将进水端口和控制腔连通，压力水流从阀门进口（上游）充满控制腔，隔膜下降，关闭阀门。2.4土壤墒情采集站土壤湿度采集站定时采集土壤含水率数据，向控制中心发送。通过本地RS232端口设置网络地址、设备地址、定时采集时间间隔等。1个土壤湿度采集站可接最多4个湿度传感器。采用太阳能供电。在土壤湿度采集点内不同深度埋设土壤湿度传感器，在灌溉过程中，了解土壤湿度变化，非灌溉期间土壤水分流失的规律、作物叶面颜色，植株高低等情况，分析灌溉间隔、灌溉时长对作物根系水量供应的影响，为制定进一高效节水的灌溉模式提供基础数据，墒情监测系统可定点定时对土壤含水量及地温进行测定，及时了解土壤水分过多、适宜、缺少与严重缺乏等情况，对土壤墒情的发生、发展及变化进行实时的监视和分析，能够快速、及时地向有关部门发布墒情监测报告，为开展排涝抗旱、决策支持、智能灌溉提供信息依据。2.5视频采集站在视频采集点安装高清摄像机，将现场的实时图象准确、快速、清晰地传输到现地控制室，乃至位于远程的管理部门。值班管理人员根据视频图象所反映的现场情况，比如了解泵房设备的运行状况、作物的生长态势等。实时采集到的视频信息可以存储在计算机中，作为历史资料，对于事故分析，责任排查，提高运行管理水平，都具有非常重要的价值；2.6自动化施肥机采用先进的自动化施肥设备，以配方施肥分析数据为依据，进行单一液体肥料或多种液体肥料混合施肥，摒弃小农意识，采用缓释模式，精确施肥量，减缓和改善过量施肥造成的土地污染问题。1）三种工作模式：手动、自动、遥控。2）施肥速度自动设定功能：只需输入需要的施肥量和施肥时间，具体流速由系统自动计算和控制。3）肥量累计功能：系统自动统计各种施肥速度下的施肥总量。4）施肥顺序控制功能：自动实现水-肥-水的施肥顺序控制。5）自动暂停功能：当主管道停水时，系统会自动暂停施肥并在滴灌系统恢复运行后继续完成暂停的施肥过程。6）与灌溉系统联动功能：自动施肥的过程能够以灌溉系统的启动和轮灌组切换为条件完成自动的施肥过程。7）无肥自动停机功能：系统自动监测施肥罐中的液位一旦出现无肥液的状况会自动停止加药泵的运行并报警。8）故障报警功能：系统发现系统中的设备、施肥控制器出现故障，系统会自动报警并停止运行。9）密码保护功能：系统对不同级别的用户设有不同的密码保护，避免越权操作、防止误操作。2.7气象站气象数据资料由气象站通过无线局域网上报至监控中心，监测常规7参数气象因子（大气压、风速、风向、雨量、太阳辐射、室内外空气温度、室内外空气湿度），基于对农田气象信息的监测，中心软件可以计算出每天每小时的ET值（土壤蒸发和植物蒸腾之和），通过与测定的日水分使用量相比较来调整该地区的作物灌溉计划，以便进行高效、科学的灌溉管理。2.8系统功能2.8.1各子系统功能1、墒情监测系统墒情监测系统可定点定时对土壤含水量及地温进行测定，及时了解土壤水分情况，对土壤墒情发展变化进行实时监视和分析，能够快速、及时地向有关部门发布墒情监测报告，为排涝抗旱、灌溉预报提供信息依据。2、视频监测系统视频监测系统是通过现场的摄像装置，将现场的实时图象准确、快速、清晰地传输到现地控制室或位于远程的管理部门。值班管理人员根据视频图象所反映的现场情况，比如了解设备的运行状况、作物的生长态势等。实时采集到的视频信息可以存储在计算机中，作为历史资料，对于事故分析，责任排查，提高运行管理水平，都具有非常重要的价值。同时，可实现视频摄像头与灌溉控制的连动，当在电脑上点击对某一灌溉区域进行灌溉时，摄像头会自动转到该区域，可通过视频摄像头查看滴灌的运行情况，在控制中心即可了解灌溉的运行情况。3、气象监测系统气象监测系统主要对温度、湿度、气压、风速、风向、蒸发量、降雨量、光照辐射等数据指标进行观测。通过气象监测站观测示范区的天气情况，收集当前与过去时间段内（如24小时）的参考数据指标，结合地块作物种类分布、地形及土壤成分等数据进行分析，可最大程度的进行作物灌溉计划的模拟及制定。气象与作物灌溉关系密切，同时降雨量的大小与示范区防汛防旱工作密不可分。土壤含水率的大小，对作物生长有着密切关系，并影响作物产量。因此，加强示范区雨情、气象的自动化监测意义重大。各观测点能够实现实时监测雨情和基本气象信息，并能够长期保存，方便查找某一时段、某一点的雨情、气象信息等一些日常数据。4、监控中心监控中心是信息化管理的控制和决策中心，因此需要有先进、安全可靠的设备、功能分区和适宜环境来接收繁杂的数据、处理繁重的业务，调度有限的资源，确保工程安全和农业灌溉。2.8.2灌溉系统通用功能显示各田间系统管网流程画面，并为关键点设置细节画面，可以图形动画显示各阀门状态；2）数据采集站通过无线数据传输的模式将信息返回到信息控制中心，共有两种发送方式：A定时发送：设备根据事先设定好的时间点或时间间隔，定时将采集到的数据发送出去；B预警发送：设定某项参数的上限和下限值，当现场采集到的参数值超过设定的限值时，设备将会自动将当时的采集得到的信息发送出去。3）完成对田间系统阀门信息查询、统计和查询并自动生成相关报表。4）允许具有权限的用户（需密码登陆）对所有阀门进行远程操作；5）具有实时报警功能：当操作的阀门超时未动作，系统会给出声光报警，并报告设备或编号、位置、发生故障日期、时间及可能的原因等;6）遥测、遥信、遥控功能：灌溉自动化控制系统结合现代计算机和自动控制及无线通信技术，采用高可靠性的集成电路实现灌溉指令和数据的传输和控制；7）实时数据库和历史数据库的生成、事故追忆、过程控制、报表和曲线、人工补录、系统定义及维护、参数设置、环境信息数据分析等功能，由于中心控制站采用了计算机机作为上位管理机，可以进行大量的数据处理，分析和存贮工作，使系统管理能力很强；2.8.3灌溉功能1）以土壤湿度为主参数指导灌溉系统设有土壤湿度传感器对典型点的土壤湿度进行连续的测量，以多点土壤湿度指标为主要依据进行灌溉指导，灌溉量按地块面积比例均匀分配到每个轮灌区，由管理人员一键执行灌溉任务。以预先制定程序为主进行自动灌溉系统允许操作人员预先设定一段时间（可以是一次也可以是整个灌溉期）的灌溉计划，系统按照该灌溉计划自动进行灌溉，同时根据近期天气情况（和降雨量）对灌溉计划进行修正，最后系统将修正后的灌溉计划传给田间灌溉控制器自动执行灌溉任务。在自动灌溉过程中系统可根据采集或输入的天气情况自动调整灌溉计划也可随时人为地更改或暂停灌溉计划。允许以轮灌组或电