农业大棚环境监测系统

• 关键词：温度,湿度,光照度,CO2浓度,环境因子远程监测,大棚环境,温室大棚监控,自动喷灌,GPRS,RTU
• 作者：毅仁
• 摘要：本系统可以模拟基本的生态环境因子，如温度、湿度、二氧化碳浓度等，以适应不同生物生长繁育的需要，它由数据采集设备单元组成，按照预设参数，精确的测量温室的温度、湿度、二氧化碳参数等，并利用手动、自动两种方式启动或关闭不同的执行结构（遮阳幕、通风系统等），程序所需的数据都是通过各类传感器实时采集的。

1.  前言

1.1国内外农业温室大棚系统的现状

我国是一个农业大国，目前在广大农村，农业温室比比皆是。近年来，随着我国农业和农村经济的发展，农业生产方式逐步由传统的粗放经营式向现代集约型经营方式转变，农业科技示范园，作为现代集约型农业和高新科技应用的示范窗口，应运而生。随着科学技术的进步，温室的结构档次在逐步的提高，建设一种可提高温室内作物产量和质量，降低生产成本，减轻工作人员劳动强度的农业温室大棚智能监控系统，是广大温室作物生产人员的迫切需求。

目前，虽然也有不少单位或个人引进了一些国外的计算机智能监控系统，如温室环境监控系统，施肥灌溉监控系统，工厂化育苗智能监控系统等，这些系统真正实现了温室控制的智能化和自动化，但往往存在投资过大．系统维护不方便等各种发展制约瓶颈，再者就是要求温室的管理操作人员本身有较高的文化素质和较丰富的工程技术经验，目前我国广大农民还不具备，这也限制了国外同类产品在国内的推广应用。开发低价位、实用型的农业温室大棚智能监控系统对于推进我国农业自动化、智能化进程具有重要的意义，同时也具有很大的市场潜力。据调查，目前市场上迫切需要的是一种低成本、操作使用简便的实用农业温室大棚智能监控系统。针对这一要求及我国日光温室量大、面广的特点，研究一种既符合我国农业水平实际又适合农民经济承受能力、技术上不低于国外同类产品的农业温室智能集成监控系统是非常必要的。智能化农业温室大棚是集农业科技上的高、精、尖技术和计算机自动控制技术于一体的先进的农业生产设施，是现代农业科技向产业转化的物质基础。它能营造相对独立的作物生长环境，彻底摆脱传统农业对自然环境的依赖性。目前，计算机监控在农业温室大棚种植中得到了越来越广泛的应用，并正在成为农业温室大棚监控的核心。智能化农业温室大棚研究是当今兴起的一门横跨生物学、计算机科学、电子科学、机械设计和环境控制等几大学科的综合了多种高新技术的边缘学科。从目前我国农业发展政策看，未来10一15年我国农业科技进步的重要内容就是推动规模经营和农业产业化的发展，所以研究开发适合我国的国情的农业温室大棚智能监控系统是非常必要的。

1.2本监控系统简介

农业温室大棚智能监控系统集传感器、自动化控制、通讯、计算等技术于一体，通过用户自定仪作物生长所需的适宜环境参数，搭建农业温室大棚智能化软硬件平台，实现对农业温室大棚中温度、湿度、二氧化碳等因子的自动监测。

本系统可以模拟基本的生态环境因子，如温度、湿度、二氧化碳浓度等，以适应不同生物生长繁育的需要，它由数据采集设备单元组成，按照预设参数，精确的测量温室的温度、湿度、二氧化碳参数等，并利用手动、自动两种方式启动或关闭不同的执行结构（遮阳幕、通风系统等），程序所需的数据都是通过各类传感器实时采集的。

该系统的使用，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、改善农业温室大棚气候、减少病虫害、增加作物产量等作用。

1.3本控制系统具有的特点

1.3.1预测性

通过对气候参数的分析，可以预测控制设备的运行情况，提高设备的利用率，降低能耗。

1.3.2强大的扩展功能

通过选用不同的外围设备，可以控制温室环境及风机、卷帘、灌溉等。

1.3.3完善的资料处理功能

通过中央控制软件，可以不问断地记录温度、湿度、二氧化碳等传感器的信息以及各种控制设备的动作记录等。

1.4远程监控功能

即使工作人员不在现场，也可以通过远程监控系统对温室内的环境参数及设备进行监测和控制。

1.5数据联网功能

通过GPRS，可将各种数据联入INTERNET，真正实现数据共享。 

2.  农业温室大棚智能监控系统的设计

2.1系统设计要求

农业温室大棚智能监控系统是一个涉及到温度、湿度、二氧化碳浓度及种植品种等多种因素的监控系统。因此，该系统的没计应具备以下功能：

l、较宽的工作电压范围：110v-380v交流：

2、能长时间连续、稳定、可靠的工作；

3、能对温室内的温度、湿度、二氧化碳浓度等参数进行准确的测量：

4、能根据种植品种的不同，可以设定温度、湿度、二氧化碳浓度的预警。

2.2系统设计原则

1、系统性能稳定，运行可靠。

2、操作简单，维护方便。

3、整个系统易于扩展。

4、运行经济节能，维护费用低。

5、性能价格比高。

2.3系统整体架构

系统采用上、下位机监控方案，下位机为系统前端采集设备，实施对温室大棚环境参数的检测与环境调整机构的控制；上位机为系统远程监控计算机，采用可视化编程语言设计界面友好的环境监测与管理系统，实现对温室的远程监控与管理操作。其基本的框架图如下：

2.4现场安装图片(示例)

3.  农业温室大棚智能监控系统的建设

3.1 系统介绍

该系统利用温度、湿度、二氧化碳等传感器采集现场的相关数据，采集到的数据在现场就通过无线方式发送到数据服务器中，通过应用服务器和web服务器对采集到的数据进行应用和显示。

系统网络结构分为三层，第一层为数据管理层：由电脑和以太网组成；第二层为数据传输层：采用GPRS无线数据传输；第三层为数据采集层：由GPRS RTU远程测控终端和传感器组成，该层和第一层之间无需电缆连接；所有的传感器和GPRSRTU远程测控终端只需要用一根电缆连接。

3.2 数据管理层

中心采用通过GPRS/GSM 网路把室外各站点传感器数据发送到中心计算机，在这里进行各个站点参数设置，及对各站点运行情况进行统计，并可通过专用软件在计算机上存储，实时显示所有大棚站的温湿度、二氧化碳数据和图表。同时可以人工进行特殊操作。

建立GPRS中心连接的两种方式：

A．监控中心服务器采用固定IP地址，当监控点数量增加，中心不用扩容即可满足需求（适用监控点数较多几百上千个）。

B．监控中心服务器采用动态IP地址（可以申请花生壳软件采用域名的方式），当监控点数量增加，中心不用扩容即可满足需求（适合监控点数在300个左右的）。

3.3 数据传输层

本系统数据采集层与数据管理层（中央处理系统）之间的通信、采用目前应用已经比较成熟的GPRS网络实现远程通信。

采用GPRS无线数据传输具备如下特点：

1、可靠性高：

与SMS短信息方式相比，GPRS采用面向连接的TCP协议通信，避免了数据包丢失的现象，保证数据可靠传输。中心可以与多个监测点同时进行数据传输，互不干扰。GPRS网络本身具备完善的频分复用机制，并具备极强的抗干扰性能，完全避免了传统数传电台的多机频段“碰撞”现象。

2、实时性强：

GPRS具有实时在线的特性，数据传输时延小，并支持多点同时传输，因此GPRS监测数据中心可以多个监测点之间快速，实时地进行双向通信，很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求。目前GPRS实际数据传输速率在30Kbps左右，完全能满足系统数据传输速率（≥10Kbps）的需求。

3、监控范围广：

GPRS网络已经实现全国范围内覆盖，并且扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。比较很多无线数据网络（集群，双向传呼，CDPD，CDMA）而言，其网络覆盖是最好的。

4、系统建设成本低：

由于采用GPRS公网平台，无需建设网络，只需安装设备就即可，建设成本低；也免去了网络维护费用。

5、系统运营成本低：

采用GPRS公网通信，全国范围内均按统一费率计费，省去昂贵的漫游费用, GPRS网络可按数据实际通信流量计费，(1分-3分/1K字节)，也可以按包月流量收费，从而实现了系统的低成本通信。

6、可对各监测点仪器设备进行远程控制：

通过GPRS双向系统还可实现对仪器设备进行反向控制，如：时间校正、状态报告、开关等控制功能，并可进行系统远程在线升级。

7、系统的传输容量，扩容性能好：

能满足突发性数据传输的需要，而GPRS技术能很好地满足传输突发性数据的需要；由于系统采用成熟的TCP/IP通信架构，具备良好的扩展性能，一个监测中心可轻松支持几千个现场采集点的通信接入。

总之，它真正体现了少用少付费的原则。通过GPRS无线网络将用户设备数据传输到Internet中的一台主机上，实现数据远程传输，可广泛应用于“物联网”涉及的各个行业。 

3.4 数据采集层

3.4.1数据采集设备（GPRS RTU远程测控终端）

>>产品介绍：

GPRS RTU远程测控终端集模拟量采集、脉冲量采集、继电器控制、存储记录、RS-485串口串行通讯(数据透明传输)、短信和GPRS数据传输于一体的综合性数据监控终端，外形小巧美观，测量精确可靠，通过状态指示灯颜色的变换可以轻松获得终端所处的工作状态，操作调试十分简便，非常适合于各种环境下数据的采集和控制。广泛应用于水文监测、气象监测、环保监测、农业灌溉管理、环境数据监控、管网监测等。

>>主要功能：

01、集成路4路模拟信号采集（采集精度0.1%）、4路开关量/脉冲量采集、2继电器控制输出（支持触点断电保持）、1路RS485输入接口（支持透明传输）；

02、模拟信号输入通道支持带回差控制的高低超限报警，同时支持信号增幅、降幅超速报警；

03、开关信号输入通道支持开关动作报警，同时支持脉冲增幅超速报警；

04、RS485支持定时访问、数据中心在线实时访问、报警事件关联访问、自由访问（可同时连接各种不同速率、不同协议的设备）；

05、模拟量和开关量可与继电器设置报警联动；

06、可模块式扩展模拟量、开关量、继电器等路数，根据用户现场实际需求选择扩展模块；

07、支持GPRS和短信方式远程召测及控制；

08、支持远程修改数据中心IP地址、端口号、远程配置终端所有参数；

09、可设置时间间隔分类存储模拟量、开关量/脉冲量、继电器、RS485协议等数据；

10、可设置三个数据中心主数据中心（CT1）、定时上线数据中心（CT2）、工程维护数据中心（CT3）；

11、定时上下线，既能够保证GPRS数据传输，又能够适时下线，节约数据流量；

12、终端连接不上自动复位、短信强制复位，掉线、断网自动重连；

13、内置时钟，精确记时；

14、通过专门的图形化配置工具进行参数配置并配备测试数据中心可供调试；

>>技术参数：

01、额定电压：DC5-24V

02、RS485接口 波特率支持300-115200bps，N/E/O校验，停止位1/2位

03、开关量：干节点信号或幅度为2V～24V的电平信号

04、脉冲量：最小脉冲宽度为25ms，脉冲周期为50ms，内部脉冲计数累积容量达到40亿

05、继电器：继电器干节点输出

06、存储芯片：内置64M-bit Flash存储器，最多可存32768条记录

07、工作环境温度：-20℃到65℃

08、储存温度：-40℃到85℃

09、湿度：95% 无凝结

10、常规运行耗电：＜60mA

11、省电模式耗电（平均）：＜30mA

12、通信方式：支持TCP/UDP通讯方式

13、外形尺寸：93�62�24mm

14、重量：约150克

3.4.2 传感器（变送器）部分

传感器用来对温室内的温度、湿度、二氧化碳浓度进行实时数据采集。根据温室作物生长特点和环境要求，选择精度较高、运行稳定，性价比较高的传感器是十分有必要的。在该项目所采用的传感器类别及性能参数如下：

3.4.2.1 防护型空气温湿度变送器

防护型空气温湿度变送器是根据具有感湿特性的电介质介电常数随相对湿度而变化的特质设计而成，用来检测温室内的环境温湿度，一般有效的温度范围在-40～100�C，有效的湿度范围在0～100%。项目中采用的空气温湿度传感器，其特点与性能参数如下：

供电电源：12VDC，24V DC

温度量程: -40℃~80℃

温度精度:�0.5℃

温度分辨率: 0.1℃

湿度量程：0%~100% RH

湿度精度：�3% RH(10%~85%)

湿度分辨率：1% RH

输出:4-20mA

静态电流：<45ma< span="">

外形尺寸：90*85*40MM

带耳尺寸：110*85*40MM

安装方式:壁挂式；螺丝固定

工作环境：-20～80℃，20%～90%无凝露

贮存环境：-40～105℃，20%～95%无凝露

3.4.2.2 防护型红外二氧化碳变送器

防护型红外二氧化碳变送器是在进口红外二氧化碳传感器基础上设计的一款专门用于在农业等多种高湿场合使用的产品系列，该产品系统有电压、4-20mA电流接口可选配。该产品采用多重防护，确保内部的传感器不受外界高湿等环境影响，确保传感器可靠稳定工作。产品具有更低的供耗，信号输出更加稳定，并且嵌入了自动校准模式，确保长期工作稳定性和精确度。

技术指标：

量程：0~2000PPM

精度：＜�30ppm(25℃)

重复性：<1%fs< span="">

预热时间：≤1min(可以操作)

稳定性：<1% RH /年，/<0.1< span="">℃ /年

输出信号：4-20mA

供电电源：DC/AC 12-24V

工作环境：温度：0℃~50℃

湿度：≤80%RH

功耗：峰值≤200mA  平均≤80mA

安装方式：壁挂式

外形尺寸：125�80�60 MM

4.  监控系统软件平台（软件功能可定制）

农业温室大棚智能监控系统的软件管理功能主要包括用户管理模块、数据实时显示模块、历史数据管理模块、报警数据管理模块、曲线分析模块、网络信息发布及资源共享模块等功能。

4.1用户管理模块

本系统可设置具备用户管理模块，通过该模块可设置不同用户的使用权限，根据不同监控点的职权对用户权限进行分级。

4.2实时数据显示模块

数据实时显示模块主要是将各种传感器实时采集到的环境参数、设备运行状态进行显示，以满足人们对温室环境监测的需求。

4.3历史数据管理模块

用户可通过访问系统服务器，远程检索回放站端的任意历史数据。系统提供了智能化快速检索回放历史数据的功能，可按时问、异常情况等进行检索，大大降低了检索时间和复杂程度，使用户可以迅速地查找到需要的历史资料。

4.4报警数据管理模块

通过该模块，用户可以实现全方位的报警信息通报。在线报警栏中的报警信息，在每一个监控页面都是相同的，无论在中心还是办公网络内的客户端，可以让操作人员最短时间内发现报警信息，解决故障。

4.5曲线数据分析模块

一个好的农业大棚温室智能监控系统，不仅在于它能实时、远程监控系统，关键还要能够提供曲线数据．通过对曲线数据的分析，从中找出对温室中农作物生长最为有利各种参数，并通过与农业专家系统的接口．提供一个农作物生长最为有效的模型。

4.6网络信息发布及资源共享模块

    位于监控中心的监控服务器与厂区内的局域网络连接，在局域网内进行信息发布，这样厂区管理层的人员都可以在它自己办公室里的计算里随时通过IE的方式访问主机服务器内的全部数据和画面。

    每位浏览者都将拥有唯一的用户名和密码的身份验证，它的用户名决定它的监控范围。虽然是采用IE的方式访问现场数据，但所看到的全部数据及画面与信息中心服务器的内容完全相同、效果也完全一样。速度方面也不会任何的延时。

    通常厂区办公管理网络允许被连接到互联网，这样即使出差在外地的领导也同样可以连回厂内访问现场的数据。

5.  系统优势

本系统采用分布式控制结构，依据分散采集数据。集中操作管理，相对独立的设计思想，综合运用计算机网络通信和模糊控制技术，实现了单个温室的智能控制以及多个温室的联网监控。控制系统可根据温室内温度、湿度、二氧化碳浓度等参数的变化，按照预先设定的条件对风机、灌溉、二氧化碳发生器等设备进行全自动控制，系统具有功能强大、性能优越、配置灵活、安全可靠等优点。

01、全天候不间断在线监测，无论晴雨雷雪，均可实现数据的持续采集，让数据具有连续性，对农业温室环境参数的历史分析和技术优化变得更加有效。

02、所有数据实现无纸化记录，历史可查，可根据客户的需求定制各种分析报表和打印格式，使该系统更加人性化和实用性。

03、真实有效的现场数据给政府、企业的管理上带来的可追溯、可衡量的标准，降低了管理的难度。

04、降低环境对监测的影响，无论是有毒有害的环境还是障碍物，都可实现信号的远程无线采集，降低现场巡检的难度，提高巡检和参数记录的难度。

05、大大降低人力成本，通过该系统的运用，减少了人员的投入，实现让更少的人管理更多的设备和安全领域。

06、实现了防患于未然，该系统会对历史运行数据和安全警戒值进行扫描判断，当变化达到临界值时会自动通过手机短信方式通知用户，让用户及时对设备和安全隐患进行及时处理，做到早发现早处理。

07、良好的功能扩展性，使得该系统能随时适应客户需求的变化，做到及时的调整和优化，顺应客户的变化而变化。

08、加密的数据和多层安全保护，让客户对数据的管理更加安全可靠，不会担心数据被劫持和破解。