基于物联网的温室大棚数字化管理系统设计与应用

发布时间：2017-07-28 08:54

第一章绪论

1.1 课题背景

农业作为我国的第一产业，是支撑国民经济建设与发展的基础产业，在国民经济中扮演着举足轻重的作用。2004 年到 2017 年，我国政府连续十四年发布关于以农业为主题中央一号文件，强调对农业发展的高度关注[1]。当前，我国正处在由传统农业向现代化农业转变的过渡时期[2]。传统农业的粗放式和低效率的生产模式正逐渐被高度集约化的精细农业生产方式所替代，从而推进农业生产的信息化，，促进农业现代化的发展[3-4]。随着社会的不断进步，设施农业正成为农业现代化的重要组成部分。设施农业是通过现代化农业工程和机械技术，改造自然环境，为农业生产提供最合适的温度、湿度、光照度、水肥、等环境条件[5]。

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1.2 国内外研究现状

国外温室大棚技术起步比较早，1949 年，第一个植物人工气象室在美国建成，主要用于研究植物适应自然环境的能力[11]。从上个世纪 70 年代开始，西方发达国家开始重视温室大棚的发展，并不断加大投入力度。经过多年的研究，目前西方发达国家的温室大棚智能化水平不断提高，并且得到了广泛的应用。在以郁金香而闻名全球的荷兰，智能化的温室大棚花卉培育已经发展的极为成熟。荷兰的 Priva 公司利用工业自动化技术开发了多种智能温室设备，采用现代工业化生产模式，并利用自动控制技术，广泛应用与花卉培育、环境调控、等多个领域，不但满足了国内农业发展需求，而且大量出口到国外市场[13]。

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第二章农业温室大棚数字化管理系统总体设计

2.1 农业温室大棚数字化管理系统需求分析

植物栽培生产过程中，由于温室大棚的气象环境条件的不确定性、植物品种的多样性、植物生长周期过程中培育模式的变化性、生产操作管理方式的不一致性，以及市场需求的随机性，给农业生产企业经营者、农业生产管控人员、日常生产操控人员、以及温室大棚设备运行维护均提出了很高的技术要求。因此，需要构建植物生长与栽培环境的智能感知、植物培育过程精细管理的智能控制，实时、可靠、有效地自动监测监控温室大棚内植物生长状态，按照市场需求栽培植物，增大植物的经济效益，提高企业的生产管理技术手段和科学决策依据。根据对现代温室大棚的实际调研，结合现代温室大棚的管理经验，温室大棚数字化管理系统的需求主要包括植物生长环境参数指标的智能感知、植物生长环境参数指标调节设备的智能监控、数据传输、数据存储、视频监控制以及用户管理等六个部分。

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2.2 农业温室大棚数字化管理系统架构设计

本文设计的温室大棚数字化管理系统在分析了现代设施农业的发展需要，以智慧农业“感知－处理－应用”为主线。通过集成嵌入式微处理器、传感器、电气控制、无线组网通讯、移动端手机 APP、云端服务器等技术平台，实现对温室大棚环境参数的实时感知、对农业设备的智能控制，进而达到对温室大棚的自动化、智能化、远程化科学管理。系统以自组网型多层异架构的物联网通信平台为枢纽，采用分层结构设计，包括智能感知层、智能控制层和管理信息层，其总体架构如图 2.1 所示。

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第三章农业温室大棚现场监测与控制子系统设计与实现...............12

3.1 温室大棚智能感知器设计与实现 ................12

3.2 温室大棚智能控制器设计与实现 ................19

第四章农业温室大棚远程监控与管理系统设计与实现..................29

4.1 基于 B/S 架构的 Web 信息管理系统的设计与实现................29

4.2 iOS 手机 APP 设计与实现 .................35

第五章系统运行与测试................40

5.1 测试环境 ...............40

5.2 测试情况 ...............42

第五章系统运行与测试

5.1 测试环境

为了测试农业温室大棚数字化管理系统在实际农业生产中的应用，将系统部署在面积 40m×60m 的海南博大兰花科技有限公司东山基地的一号兰花温室大棚中，其中：智能感知器 3 套、智能控制器 1 套、电气控制柜 1 台、视频摄像头 2个、WiFi 无线路由器 1台、4G路由器 1 台。（1）服务器环境服务器为温室大棚数字化管理系统提供通信服务、数据库支撑服务。综合考虑到温室大棚面积的大小、使用传感器的数量、系统用户数量以及成本的等因素，本系统选择在阿里云搭建远程服务器，具体配置如表 5.1所示。

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5.2 测试情况

测试检验方法：在兰花温室大棚中布置 3 个环境温湿度传感器，3 个土壤温湿度传感器，3 个光照度传感器，3 个 CO2浓度传感器，3 个土壤酸碱度传感器。同时将高清视频摄像头、无线路由器布置在兰花温室大棚中。将智能感知器各个环境参数的实时值与温/湿度计、照度计、PH值测试纸的进行对比。分别打开手机 APP 与 Web 信息管理系统，查询温室大棚实时环境参数、历史环境参数以及温室大棚实时视频图像信息，同时采用具体结果如图 5.1 和图 5.2所示：环境参数采集测试结果表明，本系统采集的温室大棚环境参数信息准确、实时，采集的视频图像实时清晰。Web 信息管理系统能够兼容主流的浏览器，手机APP 在各个测试终端上显示正常，满足系统设计要求。

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结论

设施农业作为农业现代化的重要组成部分，为农业生产提供最适宜的温度、湿度、光照度、水肥等环境条件，在提高农作物品质、产量，降低人力成本，提高农业经济效益等方面具有很大的优势。随着计算机技术、物联网技术、传感器技术以及移动互联网技术的飞速发展，数字化温室大棚正成为设施农业的重要形式。本文以物联网技术为核心，集传感器技术、嵌入式微处理器技术、计算机网络技术、移动互联网技术等多种技术手段，以种植物生长环境信息智能感知、生长条件调控设备的智能控制、温室大棚的远程管理三层架构，设计并实现了基于物联网的温室大棚数字化管理系统。论文的主要工作如下：（1）对温室大棚的实际需求进行了分析，确定了植物生长环境参数指标智能感知、植物生长条件调节设备智能监控、数据传输、数据存储、视频监控以及用户管理六大功能模块，并设计了由智能感知层、智能控制层以及管理信息层组成的三层系统架构。

参考文献（略）

本文编号：583204