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温室大棚物联网实训系统

发布于:2015/9/9 18:09:03 点击量:

    智慧温室大棚是农业自动化、智能化的集中体现,是物联网在农业领域运用的最典型案例。智能温室大棚综合运用了物联网和农业自动化的大部分技术,如:农业环境监测、农作物信息监测、农作物生长环境调控、农业信息化自动化等多方面技术。
    中智讯以智慧温室大棚为例,设计了一套物联网实训系统。以zigbee无线传感器网络、农业常用智能仪表、智能网关、组态软件、温室大棚沙盘为核心,综合体现了物联网的无线传感器网络、传感器和执行器开发运用、嵌入式技术、3G移动通信技术、Android移动开发、组态软件、农业物联网系统设计等多方面的技术,为物联网实训教学提供了一个优秀的平台。

一、功能概述 
    如图 1.1,温室大棚实训系统由2部分构成:温室大棚、主控机柜。
     

图 1.1 温室大棚实训系统组成示意图


    温室大棚沙盘是真实温室大棚的等比缩小模型,具有智能化温室大棚的绝大部分功能。同时具有外形美观、占地面积小、操作简便、展示直观等多方面的特点。
    主控机柜集成了智能温室大棚实训系统的整套控制系统,是智能温室大棚的控制中心。
    整套系统具有以下功能:
1. 农业环境监测。具有土壤水分传感器、土壤温度传感器、空气温湿度传感器、二氧化碳传感器、光照度传感器、土壤PH值传感器等,用于全方位实时监测农作物的生产环境。
2. 农作物信息监测。使用摄像头监控农作物生长情况、病虫害情况,使用超声波传感器进行农作物高度自动检测,绘制作物生长曲线图。
3. 农作物生产环境调控。控制系统可以根据农作物的生长环境变化控制滴灌或喷灌阀门、通风系统、遮阳罩,实现农业生长环境最优化闭环调控。
4. 无线传感器网络。以zigbee、wifi、3G等无线网络技术作为通信系统的构建基础,构建一套完整、容易实施、扩展方便、调整快捷的无线通信系统。农业组态软件。使用组态软件作为系统控制核心,组态软件实时查询各个传感器信息,对农业环境和作物生长情况进行监控,用户可以在组态软件上编写控制规则和算法,对喷灌系统、施肥系统、通风系统、光照系统进行控制,实现最优化的农作物自动闭环调控。
5. Web远程访问。所有的数据通过智能化的网关传输到英特网的服务器上,用户可以通过手机、电脑访问服务器,查看温室大棚的所有信息,接管控制权限,对整个温室大棚进行人工干预。


二、温室大棚沙盘 
    本实训系统标配温室大棚沙盘,如图1.2所示。
      

图 1.2 温室大棚沙盘 


    温室大棚沙盘包含以下部分:
1. 大棚主体。包含大棚、模拟农作物、真正土壤。
2. 喷灌系统。可根据土壤湿度、水分情况,自动实时喷灌。
3. 光照系统。可根据光照情况,实现遮阳罩自动控制。
4. 通风系统。可根据空气质量,实现自动排风换气。
5. 无线传感器网络。多种农作物生长传感器、环境监测传感器。
6. 监控摄像头。监控农作物生长情况。
7. 可选真实农作物。
    除了标准沙盘之外,我司乐于和客户共同规划,定制特色温室大棚沙盘,可结合学校的教学科研情况,增减或修改系统的功能。
    我司也为客户提供实际沙盘建设方案,图 1.3是我司为广东白云学院提供的温室大棚建设效果图,图 1.4是实际实施局部照片。
    

 图 1.3 温室大棚建设效果图

 

 图 1.4 温室大棚实际建设局部图


三、控制机柜 
    如图 1.5为温室大棚实训系统的控制系统。
    控制系统采用包含以下几个部分:
1. PC控制主机。PC主机运行组态软件,对整个温室大棚系统进行控制,显示现场监控图像,存储历史数据。
2. (可选)嵌入式智能网关。网关对传感器信息进行汇集,并传送到英特网上的服务器,接收服务器的查询或控制指令。
3. 无线传感器网络协调器。汇集传感器数据,提供给网关。接收网关的控制指令,并发送给每个传感器和执行器节点,实现喷灌、通风、光照控制等控制。
4. 网络接入。无线路由器,实现无线wifi网路接入。
5. 电源管理系统。包含空气开关、急停开关、指示灯等,为整个系统提供安全稳定的220VAC、12VDC、5VDC等电源。
6. 工业机柜。使用电信级机柜作为控制系统载体,系统专业、使用方便、防护等级高。

   

 
图 1.5 控制机柜

四、组态软件 
    如图 1.6,本系统使用组态软件进行系统控制。
   
 
图 1.6 组态软件

    我们针对本实训系统提供了一套完整的农业大棚组态软件系统。
    现在有不少物联网实训产品,其软件都是功能固化的,用户无法修改其软件设计、功能。软件和沙盘硬件是相互对应的,软件无法修改也就限制了硬件的修改,因此,用户只能进行沙盘的开关机、数据查阅等演示性操作,无法进行系统调整、优化、重构,这样的物联网实训系统价值是很低的。
    我司开发的组态软件是可重构、再编程的。如图 1.6,组态软件里面有很多物联网控件,我们称之为“物元”,包括:
• 智能仪表:数码仪表、曲线图、拓扑图等,用于显示传感器、时间计时等数据显示。
• 感知元:物联网各种感知元件,如温室大棚常用的土壤温度、土壤水分、空气温湿度、光照强度等传感器。
• 控制元:物联网常用控制元件,如电机、阀门、排风扇、电灯、警报器、继电器等。
    将物元直接拖入中央的程序编辑区,编辑“物元属性”即可实现组态软件上的物元与实际沙盘上的感知元件、控制元件等的关联。比如将排风扇拖入编辑区,设置其图形大小和形状,在物元属性栏里对“排风扇”这个物元进行赋值,将它关联到真实沙盘的排风扇上,这个物元就添加完成。本物联网实训系统的组态控制软件就有了排风扇的控制功能。
    通过快捷菜单栏运行本软件,右键点击“排风扇”这个物元,可以启动排风扇。启动后我们可以看到组态软件商排风扇这个物元的叶片就转动起来,同时实际的温室大棚上的排风上也转起来了。
    如果已经添加了其它的传感器物元,比如二氧化碳传感器,我们可以通过编写控制规则,将传感器的值和排风扇的控制动作关联起来。当组态软件检测到二氧化碳浓度太高时,就会自动开启排风扇,实现换气动作。这样,整个温室大棚系统就能够实现自动化控制、无人值守的目的。
    上述只是针对排风扇物元添加的举例,我们通过同样的方式,添加温室大棚上的所有物元,比如光照传感器、喷灌头阀门等等,从而实现整个控制软件的设计。

 五、Web服务系统、手机客户端 
    我们为温室大棚设计一套基于web的服务系统和手机客户端,包括服务器、数据库、软件等。用户可以通过登录访问页面或者使用手机客户端获取所有温室大棚系统的所有信息,或接管系统控制。

 



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