农业大棚远程智能监控与PLC自动化控制系统解决方案.docx

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农业大棚远程智能监控与PLC自动化控制系统解决方案

农业大棚远程智能监控与PLC自动化控制系统解决方案

1前言

1.1智能农业远程智能监控系统的概念

智能农业是采用比较先进、系统的人工设施，改善农作物生产环境，进行优质高效生产的一种农业生产方式，20世纪80年代以来，智能农业发展很快，特别是欧美、日本等一些发达国家，目前已经普遍采用计算机控制的大型工厂化设施，进行恒定条件下全年候生产，效益大为提高；在社会主义市场经济条件下，我国的智能农业以其较高的科技含量、市场取向的新机制、短平快的产销特点、效益显著的竞争力，取得了快速发展，改善了传统农业的生产方式、组织方式和运行机制，提高了农业科技含量和物质装备水平，成为现代农业重要的生产方式。

深圳市信立科技有限公司智能农业远程智能监控系统是指利用现代电子技术、移动网络通信技术、计算机及网络技术相结合，将农业生产最密切相关的空气的温度、湿度及土壤水分等数据通过各种传感器以无线ZigBee技术动态采集，并利用中国电信的4G，4GCDMA网络通讯技术，将数据及时传送到智能专家平台，使智能农业管理人员、农业专家通过手机或手持终端就可以及时掌握农作物的生长环境，及时发现农作物生长症结，及时采取控制措施，及时调度指挥，及时操作，达到最大限度的提高农作物生长环境，降低运营成本，提高生产产量，降低劳动量，增加收益。

1.2实施农业远程智能监控系统的必要性

江苏智能农业发展，已经初步形成了政府引导、社会支持、市场推动和农民投入的良性运行机制，当前，全省发展智能农业，有丰富的资源、成熟的技术和广阔的市场，具备了进一步发展的基础，也蕴藏着巨大的潜力。

智能农业远程监控管理系统融合先进的信息技术、自动化控制、无线通讯技术等高新技术和农业科技专家为一体的综合平台，实现资金、技术、人才和信息的有效调配，改善农民的传统作业和手工操作，将产生巨大的经济和社会效益，推动农业和农村经济发展，成为江苏统筹城乡经济发展，建设现代化农业的重要内容和全面建设小康社会的强势产业。

2背景分析

江苏省在“十二五”期间加大智慧城市建设，将智能农业纳入六大智慧产业之一，突出显示了农业信息化在智慧城市建设中的重要地位。

智慧农业建设较好地适应了市场经济发展要求和农业增效、农民增收的需要，取得了突破性进展，生产规模稳步扩大，突破了光热水气资源的限制，基本实现了淡季不淡、全年生产、保障供应；科技含量较快提高，无立柱日光温室、二氧化碳气肥、病虫害生物防治、无公害栽培、组织培养、工厂化育苗等先进技术得到推广应用，科技进步贡献率达到65%以上，成为种植业中科技含量较高的产业；智能农业以其病虫害相对较轻、用药量少、标准化程度高的优势，成为全省无公害蔬菜的骨干，质量安全水平明显提高。

随着自动化农业、精准农业、绿色农业的发展需求，迫切需要在农业领域引入物联网、4G等技术，进一步深化农业各环节的信息化水平，结合ZigBee技术、CDMA网络数据传输和传感器技术组成无线传感网络，通过ZigBee无线网络实时采集温室内温度、湿度信号以及光照、土壤湿度、CO2浓度、叶面湿度、露点温度等环境参数，自动开启或者关闭指定设备。

可以根据用户需求，随时进行处理，为智能农业综合生态信息自动监测、对环境进行自动控制和智能化管理提供科学依据。

通过模块采集温度传感器等信号，经由无线信号收发模块传输数据，实现对大棚温湿度的远程控制和管理。

3大棚温湿度光照采集与自动化控制设计

中国电信智能农业信息服务平台主要通过大棚环境温度传感器、大棚环境湿度传感器、数据采集器相连接，通过综合运用传感技术、无线远程通信技术、互联网技术、农机农艺等技术，建成可满足区域性服务的设施农业物联网控制系统，以实现精确感知、精准操作、精细管理，促进产量增加、投入品减少、劳动力消耗减少、成本降低、质量提高，取得良好的经济效益、社会效益和生态效益的目的。

通过中国电信的云平台数据发布到网页，再将数据通过手机或手持终端发送给农业人员、农业专家；为智能农业人员提供远程管理的方式和手段，给农业专家提供了远程指导、方案决策的数据依据。

温室大棚智能管理系统

从温室环境领域来讲，由于各种温室在地域上分散分布，要总览现场环境信息和作物生长状况，或要实现对分散在各地的温室进行状态监控，没有一个远程环境监控系统是很困难的，使用基于MODBUS总线的数据采集技术和基于光纤网络以及GPRS的远程数据传输技术实现远程温室环境监控，即在远离温室现场的异地，通过网络进行温、湿度等环境数据的采集读取；也可以变更数据采集设备的一些工作参数，极大地提高了工作效率、方便了用户。

温室大棚智能管理系统的功能及特点：

1、根据目前正在施工和目前已经存在的温室，实现单个温室作物生长情况的相关数据在线检测，如每个温室的空气温度、土壤温度、光照强度等，实现远程对这些参数的监测。

2、单个温室具备协调作物生长的自动化设备的集中控制：

（1）滴灌功能

（2）卷帘控制

（3）通风口开关控制

3、采用现代化的通讯设备将温室组成网络系统，并且进行集中控制，从而节省运行成本，提高生产力。

温室大棚智能管理系统的任务目标：

通过目前的光纤网络以及GPRS、CDMA无线网络建造一个现代化温室大棚环境监控系统。

（1）棚内控制系统中涉及的在线采集分析仪表。

本系统可自动监测调节农作物环境的温湿度、光照等参数。

（2）通过软件开发，设置参数来实现棚内自动化设备的远程控制，如通风、卷帘升降、滴灌控制等。

（3）温室大棚智能管理系统的组网设计。

采用光纤和光电转换技术将分布多点的温室组成可靠的光纤通讯网络，实现远程设备的操作和相关数据的报警提示等。

（4）实现温室大棚的集中控制。

HMI输出帮助种植者做全面细致的数据分析，将数据通过网络和相关的通讯协议传递给上位数据存储和显示区域，实现远程的数据采集。

（5）所有的数据集中到电信云平台系统，可以通过手机端，电脑查看控制

可控制灌溉、风机、卷膜、天窗、遮阳等各类设备，同时支持手动和自动模式。

主要由温室控制器、控制柜以及相应的现场控制设备组成，温室控制器根据采集到的数据，进行处理分析，对控制柜及连接的现场控制设备进行自动智能化控制，包括遮阳系统、滴水、风机降温系统、补光系统、开窗系统、灌溉系统、等等，该系统可根据用户的实际情况，选择部署具体的控制设备，也可根据栽培作物品种、生长周期的不同，灵活设定温室环境自动控制目标，确保农作物在最理想的环境下生长，增加作物产量.

项目概述

江苏同人生物科技有限公司成立于2008年11月，是一家集科研、生产、销售、技术转让和咨询服务于一体的以高科技生物技术为纽带的现代企业；公司拥有2000平方米的组培净化生产车间、6000平方米的国产高档薄膜联栋温室和30000平方米的示范种植区；公司旨在利用高科技生物技术手段进行高档观赏植物（蝴蝶兰、大花蕙兰、凤梨等）、珍稀药用植物组培种苗（铁皮石斛）、植物和微生物天然保健产品（铁皮枫斗）的开发生产，成为国内知名国际有影响力的植物组织和细胞克隆组培种苗及植物、微生物天然保健产品供应商，拥有一批有自身知识产权创新产品。

公司主要产品为高档观赏植物、珍稀药源植物组培种苗、植物和微生物天然保健产品。

公司产品供应国内市场和出口美、日、韩等国

此次实施智能监控管理大棚为国产高档薄膜联栋温室，面积约6000平方米，内共有4个大棚，两个大棚为铁皮石斛种植基地，两个大棚为蝴蝶兰养殖基地温室。

要求精细化管理，重点区域视频、大棚内部空气温湿度监控、光照度。

数据采集点布置在具有代表性的位置，在大棚选择具有代表性的点位进行数据采集，以实现对整个大棚数据的收集和预测；要做到能将大棚情况及现场数据可视化于操作，便于管理和科学化种植。

整体大棚环境如下图所示：

3.1系统设备组成

基于铁皮石斛和蝴蝶兰的种植要求，实验大棚需要检测大棚“空气温湿度”、“光照度”和，自动卷帘通风控制，重点区域需安装摄像头用以随时观测作物生长状况。

依设备可监测范围，以及现场勘测情况

传感器部署如下图：

注：

监控摄像头通过宜兴电信视频云解决。

3.2网络架构

●智能农业现场数据采集

●

智能农业现场主要以大棚生产为主，地理环境复杂、区域分布广是智能农业共同的特点，为此我们采用无线分布式数据采集，如上图所示，将每个大棚中现场环境数据通过数据采集器采集，经无线ZigBee传输至采控器，再通过中国电信网络的CDMA无线传输到远程智能监控系统；

●中国电信网络

依托中国电信4G无线网络主要为远程传输、无线发布提供高效率的传输网络平台；

●信息发布

信息发布主要通过中国电信4G无线网络将采集的空气温度、湿度和土壤的温度、湿度等通过手机/手持终端及时、快速地传送到智能农业人员、农业专家手中，以便及时掌握农作物的生产环境，避免因为自然环境的变化给农作物带来不利的生长环境，也不会因为智能农业人员不在现场而得不到及时信息，也为农业专家的远程指导提供良好的数据保证；

3.3采集原理

根据智能农业大棚区域分布较广及采集现场相对比较复杂、综合布线难度大等特点，在数据采集方式上不同于传统的工业自动化总线方式，考虑中国电信网络的覆盖区域广、信号相对稳定，我们选用小区域内无线ZigBee技术和远程无线CDMA网络技术相结合方式，实现分片采集、广域传输，我们以一个大棚为例，如下图：

智能农业大棚数据采集原理

根据上图所示，在进行数据采集时，将空气温/湿度传感器、土壤温/湿度传感器安置于智能农业现场，并连接到无线数据采集器，考虑大棚内区域较大，我们采用多点测量，通过无线ZigBee将采集器和采控器进行连接，将智能仪表通讯协议嵌入到数据采集与传输设备中，数据采集与传输设备会自动周期性读取每台智能仪表采集的温度、湿度和实时现场图像，再通过中国电信的CDMA网络将数据通过移动互联的方式发送现场管理人员、农业专家等，减少了大量的现场综合布线，即节约了大量的人力、物力和财力，也提高系统的可维护性；

3.4数据架构

智能农业远程智能监控系统从数据架构上采用先进的三层架构模式，即数据采集层、数据集中层和数据应用层，如下图：

●数据采集层

数据采集层主要对智能农业现场农作物生长大棚里空气温度、湿度和土壤的温度、湿度的数据采集和实时现场图像，采集方式为周期性自动采集，采集周期可根据用户要求设定；

●数据集中层

主要对采集的数据进行周期性的存储，为数据应用提供数据，也为农业专家的远程指导提供数据依据；

●数据应用层

考虑农业现场环境比较偏远，信息化设施可能不到位，由于手机的普及化程度较高，中国电信网络的覆盖面积广，数据应用层主要通过手机短信和现场视频方式将数据及时传送给现场智能农业人员及农业专家；

3.5设计原则

●先进性

采用先进的系统架构体系和基于4G的网络通讯技术设备，做到配置和技术应用的先进；

●经济、实用性

智能农业远程智能监控系统以实用性为原则，充分利用现代化信息技术、移动通讯技术，在系统整体设计、硬件软件选型时结合企业现有系统实际情况，确定了合理、高性价比的建设方案；

●开放、可扩展性

软件、硬件平台均采用模块化设计与开发，具有良好的可扩充、扩展能力，能够非常方便地进行系统升级和更新，以适应今后业务的不断发展，并提供与其它系统的数据接口；

●易于管理维护

由于主干网和数据通讯多采用无线通讯技术和中国电信的4GCDMA通讯技术，减少了复杂的人工布线，以便于管理和维护；

4系统功能

智能农业监控管理系统通过对农作物生长现场的空气温度、湿度和土壤的温度、湿度等数据采集，让智能农业人员、农业专家等实时掌握农作物的现场生长环境，并结合农作物不同生长周期（如：

育苗期、开花期、结果期）、不同的季节对温度、湿度、光照的要求，进行人为干预、专家指导，以保证农作物有一个合适的生长环境；作物种植业根据主要关注土壤水份、大棚温湿度及光照的数据采集，实时了解大棚的土壤湿度和大棚内空气温湿度，对于大棚内超过作物种植要求的土壤水份、大棚内温湿度，通过手机短信及时通知管理人员，通过人工干预及时处理，保证作物有个良好的生长环境。

4.1功能架构

4.2功能特点

智能农业远程智能监控系统从功能特点上分为5个模块，主要包括数据采集、数据查询、数据分析、报警等，如下图：

作物棚远程智能监控系统架构图

4.2.1数据采集

数据采集是智能农业远程监控系统的基本功能，数据采集通过数据采集与传输设备和温度传感器、湿度传感器通过无线Zigbee连接，通过通讯协议轮训式问答，实时采集每台采集器的数据，包括：

大棚的温度、湿度和土壤、湿度及大棚光照度，再通过中国电信4G无线网络，以手机短信方式将数据传送到农业管理人员、农业专家，如下图：

4.2.2数据查询

数据查询用于查询历史一段时间内数据变化情况，可查询历史任意时间及时间段查询每个大棚的历史数据，并通过图表的方式直观地展现给农业管理人员、农业专家等，如下图：

4.2.3数据分析与诊断

智能农业远程监控系统提供高级的数据分析，可同时对某一数据或多个数据进行历史数据分析，分析方式可通过曲线、图标、棒图/饼图等，通过历史一段时间内的数据变化趋势及异常数据出现的频率高低，可对历史时间内的温度变化、湿度变化进行分析，诊断出农作物不同生长周期、不同的季节生产的最佳温度、湿度等，给农业专家的远程指导、现场管理人员的协调指挥提供数据依据。

4.2.4数据报警

数据报警是智能农业远程监控系统的重要功能，数据报警包括越上限报警、越下限报警、越上上限报警和越下下限报警，需要预先将每个数据的上限值、下限值、上上限值和下下限值进行设定，阀值可根据农作物种类、不同的生长周期、不同的季节进行修改，当某个数据超过上限或上上限、低于下限或下下限是，系统立即发出报警信息，报警信息包括报警时间、报警值、限值，并通过手机短信及时发送给农业管理人员、农业专家等，以便管理人员及时进行人工调节，避免因天气变化、换季、自然灾害等原因造成温度、湿度变化给农作物带来不利的生长条件。

4.2.5视频监控

农户不必亲临大棚现场，随时通过4G手机或电脑可以观看到大棚内的实际影像，实现对农业大棚的视频监控，并可兼具防盗功能。

4.3设备参数

4.3.1数据采集与传输设备

A）功能

✓定时采集设备控制系统数据

根据与设备控制系统协议，定时读取设备控制系统数据

✓根据命令采集设备控制系统数据

通过智能通道平台的命令，临时读取设备控制系统数据

✓向设备控制系统发送控制命令

通过智能通道平台，向设备控制系统发送控制命令

✓远程更新设备控制系统软件

通过智能通道平台，向设备控制系统发送软件，远程更新（根据与设备控制系统自定义协议）

B）规格

1、基于ARM9高速CPU，操作系统linux

2、提供二个RS232或二个RS485或一个RS232一个RS485

3、提供一个ethnet接口

C）特性

1、温度范围

-20–60度

2、湿度

0-95无凝露

3、电磁干扰

满足EMI/EMC要求

4、电压电流

9-12A

5、硬件看门狗

4.3.2温/湿度测试仪昆仑海岸

北京昆仑海岸传感技术有限公司成立于1994年，是经北京市科委、北京市财政局、北京市国税局、北京市地税局共同认证的高新技术企业，总部设于北京市中关村高新技术产业区核心区。

无锡昆仑海岸物联科技有限公司是北京昆仑海岸传感技术有限公司在无锡设立的全资子公司，主要为国内外物联网和云计算企业提供感知层的传感器、网关产品和服务。

昆仑海岸于2000年通过了ISO9001质量体系认证，现在同时还具备GJB国军标体系认证、船级社质量体系等行业质量体系认证。

十余年来，质量保证体系运营稳定，使昆仑海岸具备了严格的产品生产质量控制能力;完善的环境老化试验室、电磁兼容试验室等各种标准试验设施，皆在为产品可靠性设计和质量控制能力保驾护航。

昆仑海岸拥有员工200多人，其中中级以上技术人员占员工总数的70%以上，目前已在上海、南京、苏州、武汉、深圳、沈阳、西安、济南、青岛、广州、成都、乌鲁木齐等大中城市设立了办事处和分公司，负责产品的售前售后技术支持和服务。

昆仑海岸是《超声波物位计》、《物联网温度变送器规范》中国国家标准的主要起草人,《工业自动化嵌入式智能控制器》中国国家标准的参与起草人,“蛟龙号”7000米载人潜水器的参研参试单位，并承担过北京市科委的“高精度大气压力传感器产业化关键技术攻关”国家级科技项目。

昆仑海岸在北京和无锡分设有两个生产基地，其中，北京生产厂主要生产的产品为：

压力、液位传感器、变送器;超声波物位传感器、变送器;安全栅、隔离模块、数据采集器、专用仪表;Zigbee无线传感器、900M无线记录仪、温度记录仪等。

无锡生产厂主要生产的产品为：

温湿度传感器、变送器;水浸、二氧化碳、照度传感器;电磁流量计等。

随着物联网无线传感器、数据交换网关、云数据对接服务体系的不断完善，昆仑海岸正在从单纯的硬件生产商向现场数据提供商转型，为流程工业生产现场、制造业生产线、现代农业、仓储、物流以及冷链全程提供一揽子数据测量、采集、记录、传输和数据对接服务。

昆仑海岸为填补自身高端产品的不足，同时还代理了瑞士ROTRONIC公司温湿度产品;英国MICHELL公司露点仪产品;美国GE公司温湿度、二氧化碳产品，为用户提供更加完整的解决方案。

参数与功能说明：

1.采集器技术参数：

·记录容量：

约524262条（除以通道数为实际存储组数）

·记录间隔：

1分钟～100天连续可调

·通讯接口：

USB2.0[485/GPRS/CDMA/以太网RJ45可选]

·防水等级：

可防护潮湿环境及雨水冲刷，但禁止透水或用水浸泡！

·工作环境：

-30℃～70℃（温度低于-20℃时候建议采用保温措施！

）

·平均功耗：

主机平均工作电流<10mA（不包含控制模块）

·电源供电：

交流220V@3A（DC12V@DC5V双子电源）

2.传感器参数：

·风速传感器：

范围0～30m/s精度±1m/s分辨率0.1m/s

·风向传感器：

范围16风向（注：

风向北已在传感器上用红箭头标出）

·空气温度：

范围-30℃～70℃精度±0.2℃分辨率0.01℃

·空气湿度：

范围0～100%精度±3%分辨率0.1%

·光照强度：

范围0～200Klx精度±5%分辨率0.1Klx

·雨雪传感器：

范围0～100%精度±5%（100%为传感器表面有雨雪覆盖）

安装时请将传感器面板与水平面成30度左右夹角，以便于水液下流

3.功能及特点：

·能够与现有流行操作系统相兼容：

操作系统采用MicrosoftWindows2000

及以上版本。

支持无线GPRS/CDMA、有线485/CAN、以太网接入模式，采集中

心最大支持255个子站共同接入。

·支持即时数据采集、定时数据采集、硬件历史数据存取、数据库在线管理等功能。

支持数据图表功能，具备缩放功能的曲线绘图，支持EXCEL导出方式。

·软件操作界面应具有直观明了、操作简便的特点。

至少具备一路软件声光报警功能，方便在线参数监测。

·采用5.6寸大屏幕点阵图形式显示器，操作简明，便捷。

·支持有线、无线控制模式，可自由切换手动、自动控制模式。

·采集器最大支持18通道采集、扩展能力

·标准16路，最大支持32路继电器控制输出，输出可设置软件超时限位

·采集器在精度不受影响前提下支持任意互换

·软件支持最大255个子站的无线接入能力

·系统支持GPRS无线与RS485有线兼容的控制模式

·强大便捷的用于自编程模式，支持用户自由配置输入参数与输出的关系，支持参数上下限与继电器动作的自由配置

接口定义：

1.航插定义：

2.供电接口：

一般在采集器内部均安放有AC220V转DC12V/5V开关电源，与开关电源相连的为交流220V市电线，此接线为铜网屏蔽电缆，请勿私自用其他普通电线替换！

安全注意：

使用时要特别注意，请勿暴力对待。

切勿触碰内部走线！

如果因连线断裂而产生的问题，后果请自负！

开关电源为多孔散热设计，请勿将金属物或碎屑掉入其中，以免发生短路故障。

电源端子处较危险，请勿用手触碰，以免发生触电事故！

另外请确认仪器安放处无未成年人或无电工常识者，以免其有触电危险！

控制器安装：

1.接入电源：

采集器在进行所有有效操作之前，是必须要先供电的！

这里默认使用的是交流220V市电接口。

安装的步骤：

将采集器引出的市电插头插入电源插板即可。

如果采集器与电源插板处距离较远，建议将插头部分拆开，用电线加长后做好插头，再接入。

但这里需要注意的是，禁止将产品原配的电源线全部去掉，而从设备内部直接接线。

如果必须这样处理，所使用的电源线必须为铜网或锡箔屏蔽电缆线！

2.接插通讯线：

供电正常的采集器若要与计算机联机操作，必须保证通讯线被有效安插在电脑USB数据口上，并在此之前安装产品配套光盘中的驱动程序，且此数据口所转换得到的COM口数小于COM9。

3.壳体安装说明：

主机后背具有预留有两个安装固定孔，请选择合适的地方固定安装。

如果产品具备接线端子盒，请将端子盒固定安装，并防止端子盒发生进水现象。

另外端子盒一般接有非安全电压，所以请勿随意拆卸，并避免儿童或无电工操作经验者接触。

端子盒接线定义以及连接方法参见上图“航插定义”部分，注意航插出入口顺序。

谨防接错，反接，或者将220V甚至380V接触连接线插口，否则后果自负！

端子盒共有1-4个串联安装，每个端子盒容纳有8个继电器接口，此端子盒串接顺序及继电器号顺序，将于显示器和软件界面中的继电器号对应，请勿接错！

4.3.3光照测试仪昆仑海岸

光照度测试仪，采用国际先进的传感器技术，具有测量范围宽，使用方便，便于安装，传输距离远等特点。

5施工组织方案

5.1施工方案介绍

工程施工包括所有监测服务器端和客户端的安装、调试，包括中心主控制室智能农业远程监控系统安装调试，作物棚传感器和无线传输设备安装调试，以及向甲方提交的全套施工及操作文档。

设备到货期为20天，施工工期约1个月

5.2施工计划安排

序号

任务

子任务

责任人

工期（天）

备注

1

传感器购置

传感器购置

采购经理

20

2

调试传感器

调试传感器

技术总监

10

3

勘查

现场勘察

工程经理

1

现场

4

软件设计

方案设计

项目经理

30

与传感器购置同20天启动

5

硬件安装

传感器部署、设备部署

项目经理

6

现场

7

系统调测

调试

项目经理

2

现场

8

测试

项目经理

2

现场

10

验收

初验申请

工程经理

1

11

资料移交

工程资料移交

项目经理

1

合计

54

说明：

以上实施时间仅供参考，具体实施时间在实施的过程中由于存在诸多不确定因素可能会有所调整。

5.3资源准备

1）种植户

种植户需要提供电源，且电源布置到作物棚场旁边指定位置；

2）宜兴电信

宜兴电信需要提供视频的整个安装开通等服务及无线传输用的上网卡，并开通绑定相应流量套餐。

。

5.4施工内容

1、软件设计

2、布线

3、采集器定位及安装

4、PLC机柜的安装与电磁阀改造

5、监控视频的安装与调试

6、监控室的设备安装与调试

7、手机客户端的调试

6售后服务及承诺

软件系统及设备从终验完成之后的1年为保修期，期间我方保修除消耗品以外的所有设备。

在保修期内，如果系统发生故障，我方将调查故障原因并修复直至满足最终验收指标