物聯網技術溫室大棚智能控制系統(tǒng)設計
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摘要：溫室大棚使用物聯網技術可以有效改變傳統(tǒng)的種植方式，使農產品的種植不再受地區(qū)、天氣、季節(jié)等因素的影響。本文先設置了一個應用場景并對系統(tǒng)設備進行研究，隨后進行了感知層、傳輸層、應用層的系統(tǒng)總體設計分析，同時分析了系統(tǒng)的監(jiān)測、控制、管理等功能，說明了智能系統(tǒng)的使用效果。
物聯網技術使大棚的構建變得更加智能化、現代化，現今，以色列、荷蘭、英國等60多個國家和地區(qū)都進行了農業(yè)物聯網技術的開發(fā)，因此，我國自然要緊跟時代的潮流建立溫室大棚的智能系統(tǒng)。我國的溫室智能系統(tǒng)水平還相對較低，所以需要工作人員引進國內外先進技術進行系統(tǒng)設計，構建完善的溫室系統(tǒng)。
1系統(tǒng)應用場景
溫室大棚的本質就是種植人員通過控制溫度、濕度、光照、土壤所形成的一個可供植物生長的模擬環(huán)境，通過改變環(huán)境改變農作物的生長條件，使其可以突破地區(qū)、季節(jié)的限制，為種植人員帶來更高的收益。而同時，智能控制系統(tǒng)以及電子計算機的出現使農業(yè)生產更加的智能化自動化，使溫室控制的方法變的更加多樣化，種植人員在溫室大棚中使用濕度、二氧化碳、地質、土壤、光照、風力等傳感器來采集溫室大棚內的數據信息，對溫度與濕度參數進行全面分析，隨后將這些信息上傳到智能控制平臺，由工作人員進行信息的收集、分析、整理、處理，再利用電腦系統(tǒng)監(jiān)控大棚內部的情況，利用風扇、布簾、澆灌噴頭、補光燈等設備對溫室大棚進行遠程操控，為農作物的生長提供有力環(huán)境。
2系統(tǒng)設備設計分析
本次實際選擇的溫室大棚為60m×10m，根據實際測試，其設備的能耗情況為，12個90W功率的風機，其總功率為1080W,平均每天使用5h，能耗共計5.4kW⋅h；12個100W功率的補光燈，其總功率為1200W，平均每天使用2h，其總能耗為2.4kW⋅h；2個120W功率的水泵，其總功率為240W,平均每天使用1h，其能耗共計0.24kW⋅h；60個5W功率的節(jié)點，其總功率為300W,平均每天使用24h，其總能耗為7.2kW⋅h；其余網關、加熱、節(jié)能等設備的能耗共計8.76kW⋅h。因此可以得知，本次設計的每天總能耗為24kW⋅h。而系統(tǒng)使用的發(fā)電設備為2000W的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，每天的發(fā)電量總計為14kW⋅h，剩余電量則由外部電網負責供應。
3系統(tǒng)總體設計分析
3.1感知層
工作人員使用物聯網技術來建立溫室大棚控制系統(tǒng)，需要運用到ZigBee路由器，這個路由器的功耗較低，且最高速率能達到250kbit/s，傳輸頻率為2.5G，因此在溫室大棚中使用程度較高，種植人員與工作人員可以利用其中的協調器進行信息的傳遞。種植人員需要使用GPRS技術與智能系統(tǒng)進行交互，智能系統(tǒng)通過路由器感知到每一個傳感器帶來的消息，并及時進行溫室環(huán)境調節(jié)。感知層需要具備溫室大棚的全面感知能力，為種植人員提供全面、及時的大棚環(huán)境信息，為其提供參考依據，是整個物聯網中的核心部分，也是智能系統(tǒng)中的基礎部分。
3.2傳輸層
傳輸層與物聯網、通信網以及物聯網密不可分，其是工作人員與種植人員溝通的橋梁，是兩者進行數據傳遞以及決策下達的紐帶。本次系統(tǒng)設計的傳輸層為溫室局域網與遠程廣域網。在傳輸的過程中傳輸層要保證信息的安全可靠，加快信息的流通。在本次選擇的種植基地中，溫室大棚的數量較多，控制器與終端之間存在著較遠的跨度，為保證信息傳輸，系統(tǒng)使用了以太網技術，運用有線傳輸容量大、穩(wěn)定性強、傳輸距離長、防干擾的特點保證信息傳遞的準確性，又將廣域互聯網技術與GSM通信技術加以結合，使種植人員可以使用瀏覽器與手機來獲取大棚的信息，及時進行管理。
3.3應用層
應用層是智能系統(tǒng)的“大腦”，其負責對信息進行整理、融合、處理以及，其是保證大棚智能運行的決策者與指導者，應用層在溫室集控系統(tǒng)中就可以對大棚的數據信息進行處理。集控計算機在獲取了感知層的信息之后，會將這些信息存入數據庫中，本次系統(tǒng)設計使用了SQLServer軟件建立了數據庫系統(tǒng)，包括環(huán)境數據庫以及設備信息數據庫兩種，數據庫擁有著查詢、提取、增加以及修改等基本功能[1]。
4系統(tǒng)功能設計分析
4.1監(jiān)測功能
本系統(tǒng)使用了LabVIEW技術進行了監(jiān)控平臺的開發(fā)工作，監(jiān)控平臺包括了數據采集功能、監(jiān)測功能、控制與輸出功能以及參數設置功能，工作人員運用此系統(tǒng)可以隨時監(jiān)控大棚內部的情況，了解溫室內的濕度、溫度、光照以及CO2濃度，以便于工作人員進行環(huán)境調節(jié)。大棚內環(huán)境參數的獲得方式較為簡單，工作人員只要使用智能系統(tǒng)中的現場控制功能就可以直接顯示所需信息，也可以使用瀏覽器或手機APP進行遠程查詢。本系統(tǒng)具有氣體監(jiān)控功能，工作人員使用了電阻式的氣體傳感器，以此作為氣體監(jiān)控系統(tǒng)的核心。工作人員將半導體安裝在探測區(qū)域內，使其監(jiān)控溫室內的O2濃度以及CO2濃度，網關會將數據發(fā)送給現場人員，當人們發(fā)現溫室信息不符合要求時，及時進行通風與換氣，使O2濃度以及CO2濃度達到種植標準。
4.2控制功能
本次系統(tǒng)的控制功能設計了兩種模式，分別為手動命令下達模式以及自動命令下達模式。手動命令下達模式的主要功能有兩種，一是運用繼電器與接觸器來控制系統(tǒng)設備的運行與停止，是脫離現場的手動模式。二是使用觸摸屏、集控平臺以及手機瀏覽器等功能進行的遠程手動控制，系統(tǒng)會讀取PLC中的相關信息，利用繼電器進行設備控制[2]。自動控制功能為智能控制，系統(tǒng)會根據大棚內部的溫度因子與濕度因子進行自動控制，運用計算機進行多種控制共同運行，使溫室的內部環(huán)境始終保持在適當的狀態(tài)。
4.3管理功能
溫室大棚的智能系統(tǒng)應當具備一定的管理功能，因此需要設置集中管理平臺進行溫室環(huán)境的管理。管理平臺的功能應當包括：數據采集、信息傳輸、監(jiān)控監(jiān)測、數據管理以及參數設置等，其中，采集模塊的主要功能是將感知層的數據進行采集并儲存，監(jiān)控模塊的功能為監(jiān)控溫室內部情況，數據模塊的功能為對大棚信息的收集、處理，使工作人員的命令更加切實有效[3]。
5結論
溫室大棚智能系統(tǒng)的構建需要運用到物聯網技術。經過上述內容可知，智能化農業(yè)建設已經成為了我國未來的發(fā)展趨勢，物聯網技術在農業(yè)中的應用使農業(yè)生產擺脫了天氣、雨水、土壤等因素的限制，使農業(yè)生產出現了巨大的變革，所以，農業(yè)人員需要使用物聯網技術構建智能系統(tǒng)，促進農業(yè)發(fā)展。
參考文獻
[1]朱明,曹越.基于LoRa技術的設施農業(yè)溫室大棚智能控制系統(tǒng)的設計與實現[J].南方農業(yè),2019,13(27):175-177+180.
[2]向緒友,周超,鐘旭.溫室大棚智能控制系統(tǒng)標準研究綜述[J].湖南農業(yè)科學,2018(09):123-126.
[3]劉璐,劉光偉.關于物聯網的設施農業(yè)溫室大棚智能控制系統(tǒng)的研究[J].科技資訊,2018,16(24):95-96.
作者：胡天讓 張旭紅 陳巖 單位：甘肅畜牧工程職業(yè)技術學院
