番茄大棚物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì).pdf

52 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2022年 番茄大棚物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 燕佳惠 1 張 虎 1 2 許曉燕 3 1 晉中信息學(xué)院 山西 太谷 030800 2 山西三鼎液壓制造有限公司 山西 榆次 030600 3 山西晉西集團(tuán)國營利民機(jī)械廠 山西 太谷 030800 摘 要 番茄作為日常生活中最受歡迎的蔬菜品種之一 種植面積逐年增長 其中溫室大棚種植面積增幅較大 文中在基于番茄生長環(huán)境需求和溫室大棚發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上 對(duì)番茄大棚物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì) 該系 統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室大棚環(huán)境的監(jiān)控 技術(shù)操作簡(jiǎn)單 降低生產(chǎn)投入成本 提高了生產(chǎn)效率 還可為番茄的生理成長 研究提供分析平臺(tái) 關(guān)鍵詞 番茄 物聯(lián)網(wǎng) 采集系統(tǒng) 中圖分類號(hào) TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673 2154 2022 03 0052 05 收稿日期 2022 04 26 基金項(xiàng)目 2021年山西省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目 1193 2021年山西省 1331工程 提質(zhì)增效建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目 7 1 2 11 作者簡(jiǎn)介 燕佳惠 1999 女 山西朔州人 本科在讀 電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè) E mail 2190238601 通訊作者 張虎 1986 男 山西平遙人 高級(jí)工程師 主要從事智能化檢測(cè)與控制技術(shù)研究 E mail zhxxy 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備第43卷 第3期 2022年6月 Vol 43 No 3 Jun 2022Modern Agricultural Equipment 0 引言 近 年來 隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整 種植技術(shù) 的不斷更新和提高 溫室大棚在種植業(yè)上得到越來 越廣泛的應(yīng)用 番茄 西紅柿 作為一種營養(yǎng)價(jià)值非常豐富的 蔬菜 是餐桌上常見的美味 既是讓人食欲大開的 菜肴 又是營養(yǎng)美顏的水果 不僅有酸酸甜甜的口 感 而且還有圓潤討喜的外形 一直以來都備受大 家喜愛 因此番茄成為很多農(nóng)戶共同的種植選擇 近年來 番茄不僅在種植面積上不斷擴(kuò)大 規(guī)模也 在不斷變大 不過種番茄容易 但要種出高品質(zhì)的 番茄還得下一番功夫 溫室大棚中番茄種植 是在 營造的人為控制的環(huán)境中種植番茄 是一個(gè)系統(tǒng)性 多因素耦合控制的繁瑣過程 需要在番茄生長的各 階段中注意很多問題 1 2 1 番茄生長周期特點(diǎn)及生長環(huán)境要求 番茄產(chǎn)量高 喜肥 需肥量大 全生長期所需 養(yǎng)分包括氮 磷 鉀 鈣 鎂 硼等 在熱帶地 區(qū) 番茄屬多年生草本植物 而在溫帶地區(qū) 尤 其是有霜地區(qū) 則屬于一年生植物 但是其生長 和發(fā)育過程是一致的 基本可分為發(fā)芽 幼苗 開花坐果和結(jié)果 4 個(gè)過程 各過程階段 周期性 顯著 其不同的生長階段時(shí)期 有不同的溫濕度 要求和需肥特點(diǎn) 2 比如在開花坐果前期 以枝 葉生長為主 需要大量的氮肥來滿足枝葉的生長 但是結(jié)果后 枝葉基本長足 以果實(shí)生長為主 此階段氮肥量就需適當(dāng)減少 反而鉀肥需求量增 長 因此 要充分結(jié)合番茄生長周期特點(diǎn) 在不 同階段 施以不同種類和不同量的肥 以確保番 茄健康優(yōu)質(zhì)的生長 3 溫濕度在番茄發(fā)芽期有重要的作用 保證一定 的土壤和環(huán)境溫濕度才能保證一定的發(fā)芽率 經(jīng)研 究總結(jié)可知 番茄發(fā)芽合適溫度在 15 30 之間 需要保持所處土壤環(huán)境的濕度在 40 以下 同時(shí)要 保證所處外界環(huán)境的空氣流動(dòng)性和一定的空氣濕度 但在此期間所用肥料量甚微 在番茄發(fā)芽至成為 幼苗期間 可適當(dāng)施肥 以滿足枝葉的生長所需 但必須要考慮幼苗的承受能力 以防施肥量過多 53 第3期 燕佳惠 等 番茄大棚物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 燒傷幼苗根系 在育苗期如遇溫度驟降或雨水天 氣等影響成活率的外因時(shí) 可施加一些抗病耐寒 的藥劑 4 一般在番茄幼苗長成后 在分苗定植時(shí) 一般 都要覆膜 做到保溫保濕的作用 同時(shí)保證一定 的澆水量 維持土壤的濕潤 同時(shí)澆水時(shí)可適當(dāng) 添加抗病耐寒藥劑和助壯素或矮壯素 以保證植 株生長 4 2 溫室大棚控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 溫室大棚發(fā)展至今 其建設(shè)水平隨著科學(xué)技術(shù) 的發(fā)展逐步提高 智能化的建設(shè)已是主流 通過互 聯(lián)網(wǎng) 物聯(lián)網(wǎng)的方式 來操作并實(shí)現(xiàn)智能溫室的相 關(guān)因素的監(jiān)視和控制 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理或者無人化管 理 助推著 智慧農(nóng)業(yè) 的發(fā)展 2 1 多因素耦合綜合控制 溫室大棚環(huán)境 是人為參與影響下的多因素生 態(tài)系統(tǒng) 其中各因素之間耦合性比較大 互相之間 相互影響 比如控制溫度的同時(shí) 必將引起環(huán)境濕 度的變化 因此在實(shí)際控制系統(tǒng)中 單因素的控制 已經(jīng)很難滿足實(shí)際環(huán)境控制需求 現(xiàn)在大多采用比 較成熟的多因素耦合控制 來實(shí)現(xiàn)溫室大棚的環(huán)境 控制要求 5 2 2 溫室控制模式智能化 隨著控制技術(shù)和控制算法的不斷更新 相應(yīng)的 技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來越多 控制效果 得到了很大的提升 北美 西歐 日本等農(nóng)業(yè)比 較發(fā)達(dá)的國家地區(qū) 在多因素耦合控制的基礎(chǔ)上 已將自適應(yīng)控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 預(yù)測(cè)控制等先 進(jìn)算法應(yīng)用到了溫室大棚控制系統(tǒng)中 自動(dòng)化智 能化水平顯著提升 溫室單位面積效益也得到了 提升 6 2 3 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信息化 隨著傳感器技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及 控制器技術(shù)的不斷發(fā)展 溫室控制系統(tǒng)也逐步向 網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展 體現(xiàn)在立體式 層次式 綜合 式以及開放式 性能越來越多 使用者的體驗(yàn)?zāi)?式也多樣化 實(shí)現(xiàn)了分層 分級(jí) 分類化的溫室 管理模式 7 8 2 4 溫室分布式控制系統(tǒng) 分布式控制系統(tǒng)是近幾年發(fā)展起來并推廣比較 廣的一種控制系統(tǒng) 其適應(yīng)性好 擴(kuò)展能力強(qiáng) 可 靠性高 便于用戶掌握和維護(hù) 已在農(nóng)業(yè)上進(jìn)行了 使用 9 分布式控制系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上 采 用分散控制和集中管理的設(shè)計(jì)思想 每一個(gè)終端都 是一個(gè)獨(dú)立處理器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集運(yùn)算和控制 所有終端處理器的信息與上位機(jī)服務(wù)器進(jìn)行通信 實(shí)現(xiàn)分而自治和綜合協(xié)調(diào)的效果 10 3 番茄大棚控制系統(tǒng)的硬件選擇 番茄大棚生長管理主要分為植株自身管理和大 棚環(huán)境管理 2 部分 植株自身管理主要針對(duì)植株生 長過程中的肥料管理 植株自身病蟲害管理和自身 長勢(shì)階段管理 大棚環(huán)境管理主要針對(duì)的是植株生 長環(huán)境 在番茄植株生長過程中 要根據(jù)其生長期 和結(jié)果前后期對(duì)肥料的需求來決定施肥量及施肥種 類 在本設(shè)計(jì)中 暫且不考慮土壤肥料元素的測(cè)控 只針對(duì)溫室大棚中的環(huán)境溫濕度 土壤溫濕度 光 照及 CO 2 進(jìn)行測(cè)控 3 1 傳感器選擇 傳感器作為信息檢測(cè)和傳達(dá)的關(guān)鍵器件 是自 動(dòng)控制環(huán)節(jié)中最重要的一環(huán) 其性能的高低直接影 響控制精度的水平 結(jié)合前文描述 大棚中需選取 環(huán)境溫濕度傳感器 土壤溫度水分傳感器 CO 2 檢測(cè) 儀及光照傳感器 傳感器將環(huán)境參數(shù)傳輸至控制器 控制器結(jié)合預(yù)設(shè)值與傳感器傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析 進(jìn)而控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作 或者將信息傳 輸至管理員處進(jìn)行相應(yīng)的操作 設(shè)計(jì)中選用 KZWS F2 常溫分體式溫濕度傳感器 圖1所示 KZMS 10土壤水分溫度傳感器 圖 2 所示 這 2 種傳感器都是高精度 高靈敏度的 傳感器 環(huán)境溫濕度檢測(cè)傳感器利用氯化鋰電解 質(zhì)感濕液依據(jù)當(dāng)量電導(dǎo)隨著溶液濃度的增加而下 降的原理進(jìn)行環(huán)境濕度的測(cè)量 土壤水分溫度傳 感器通過測(cè)量土壤的介電常數(shù) 直接穩(wěn)定地測(cè)量 土壤水分的體積百分比 2 種傳感器的測(cè)溫范圍 為 40 80 濕度范圍為 0 100 均可輸出 電流模擬量 54 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2022年 圖 1 KZWS F2 常溫分體式溫濕度傳感器 圖 2 KZMS 10 土壤水分溫度傳感器 設(shè)計(jì)中選用 OHR MT20 CO 2 變送器 圖3所 示 和OHR MT30光照度變送器 圖4所示 這 2 種傳感器都為高精度低功耗傳感器 既能夠 通過模擬信號(hào)變送輸出 也可以通過通訊輸出與 控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸 3 2 控制器選擇 設(shè)計(jì)中選用的是繁易 PLC 專用物聯(lián)模塊 圖 5 所示 該模塊可通過以太網(wǎng) 2G 4G WiFi 等方式上網(wǎng) 通過物聯(lián)網(wǎng)模塊 支持PLC程序 的遠(yuǎn)程更新和在線調(diào)試 免除現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)的煩惱 操作簡(jiǎn)單方便 通過物聯(lián)模塊 可以接入繁易 FlexCloud物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái) 隨時(shí)訪問 實(shí)時(shí)查看設(shè) 備運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù) 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能 且可 在手機(jī) App 網(wǎng)頁 客戶端 微信端等多種軟件 平臺(tái)上訪問 控制器將傳感器所檢測(cè)上傳數(shù)據(jù)進(jìn) 行運(yùn)算處理 把運(yùn)算結(jié)果輸出 控制相應(yīng)的執(zhí)行 機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作 圖 3 OHR MT20 CO 2 圖 4 OHR MT30 變送器 光照度變送器 圖 5 FL3 40MR AC FL3 4G 3 3 監(jiān)控端選擇 上述控制器描述中 通過繁易 FlexCloud 物聯(lián)網(wǎng) 平臺(tái) 可在手機(jī) App 網(wǎng)頁 客戶端 微信端等多 種軟件 平臺(tái)上訪問設(shè)備狀態(tài)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù) 在本設(shè) 計(jì)中 選用了 FE6070W 觸摸屏作為監(jiān)控端 實(shí)現(xiàn)各 種采集數(shù)據(jù)的顯示 各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制以及各 數(shù)據(jù)報(bào)表的打印等 同時(shí)此觸摸屏也可通過以太網(wǎng) 2G 4G WiFi 等方式上網(wǎng) 3 4 硬件結(jié)構(gòu)搭建 將上述硬件進(jìn)行連接 如圖 6 所示 傳感器連 接至 PLC 輸入端 PLC 與觸摸屏進(jìn)行通信連接 且 因 PLC 自帶物聯(lián)模塊 可插入 4G 卡或連接 WiFi 接 入繁易 FlexCloud 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái) 在平臺(tái)中進(jìn)行相關(guān)的 頁面設(shè)計(jì) 4 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)施效果 軟件設(shè)計(jì)主要涉及傳感器的數(shù)據(jù)采集 經(jīng)過 A D 轉(zhuǎn)換 在觸摸屏上顯示即時(shí)的數(shù)據(jù) 同時(shí)即時(shí) 數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對(duì) 根據(jù)比對(duì)結(jié)果 PLC 輸出 端輸出相應(yīng)的執(zhí)行指令 土壤濕度檢測(cè)控制流程如 圖 7 所示 55 第3期 燕佳惠 等 番茄大棚物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 圖 7 土壤濕度檢測(cè)控制流程 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期在實(shí)驗(yàn)室中完成 所有傳感 器信號(hào)與控制器之間能夠?qū)崿F(xiàn)有線傳輸 且能夠 通過傳感器連接的無線發(fā)送和控制器連接的接收 模塊實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)傳輸 控制器接收信號(hào)后 經(jīng) 過軟件數(shù)據(jù)處理 可將實(shí)時(shí)信號(hào)傳至觸摸屏進(jìn)行 顯示 同時(shí)在觸摸屏設(shè)置界面 將所預(yù)設(shè)值進(jìn)行 設(shè)置后 進(jìn)入控制器 進(jìn)而通過運(yùn)算處理 控制 器輸出端進(jìn)行相應(yīng)的輸出控制 在觸摸屏界面 中 設(shè)置報(bào)警界面 在傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)超出預(yù) 設(shè)值范圍時(shí) 報(bào)警界面顯示控制室同時(shí)輸出報(bào) 警信號(hào) 在觸摸屏端設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能 以便隨 時(shí)查詢數(shù)據(jù) 觸摸屏綜合顯示溫濕度界面如圖 8 所示 5 總結(jié)展望 本文結(jié)合番茄生長周期的環(huán)境需求和溫室大棚 圖 8 觸摸屏溫濕度顯示界面 發(fā)展的現(xiàn)狀引出番茄大棚物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 從傳感器 控制器及監(jiān)控端展開了敘述 該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置集溫室大棚中相關(guān) 信息的采集 是集控制器輸出 無線及有線通訊 于一體的綜合性測(cè)控裝置 從監(jiān)控端既能獲得相 關(guān)信息的即時(shí)數(shù)據(jù) 也能即時(shí)了解相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 所處的狀態(tài) 操作簡(jiǎn)便 便于用戶掌握 如圖9所 示 在溫室大棚數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備控制中有一 定的推廣價(jià)值 圖 9 觸摸屏界面 圖 6 硬件結(jié)構(gòu)搭建 56 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2022年 由于本人學(xué)識(shí)水平有限 在設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中 還存在一些不足 在今后學(xué)習(xí)和工作中 對(duì)于物聯(lián) 網(wǎng) 技術(shù)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用還要繼續(xù)深入研究 并在此設(shè) 計(jì)的基礎(chǔ)上 在軟件設(shè)計(jì)控制中 真正實(shí)現(xiàn)多因素 耦合控制 以達(dá)到更好的使用效果 參考文獻(xiàn) 1 沈鳳林 景泰縣塑料大棚番茄生產(chǎn)模式及高效栽培 技術(shù) J 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2022 2 220 222 2 李明宇 遼寧溫室滴灌種植條件下番茄結(jié)果期需水規(guī) 律和水分利用效率研究 J 陜西水利 2022 2 64 67 3 劉冬輝 李效珍 連棟棚在日光溫室番茄栽培中的應(yīng) 用效果 J 農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備 2021 9 175 176 4 魏代國 日光中棚番茄育苗技術(shù) J 特種經(jīng)濟(jì)動(dòng)植物 2021 24 9 54 55 5 夏愉樂 伍晟韜 吳慧強(qiáng) 等 溫室大棚自動(dòng)化控制 系統(tǒng)發(fā)展的研究 J 貴州農(nóng)機(jī)化 2022 1 7 10 20 6 劉思晴 解迎剛 沈彤 等 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚 卷簾自動(dòng)控制系統(tǒng) J 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2022 12 3 107 109 112 7 曾學(xué) 賀成柱 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 機(jī)械研究與應(yīng)用 2021 34 6 83 86 8 馬士明 一種新型智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) J 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2022 12 1 77 80 9 孫銘璇 溫室大棚技術(shù)及其智能化發(fā)展前景 J 農(nóng)機(jī) 使用與維修 2022 2 108 110 10 楊霄 劉偉 王朕 等 物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)在 溫室大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 J 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2021 60 s2 385 389 Design of Internet of Things Data Acquisition System for Tomato Greenhouse Yan Jiahui 1 Zhang Hu 1 2 Xu Xiaoyan 3 1 Jinzhong College of Information Taigu 030800 China 2 Shanxi Sanding Hydraulic Manufacturing Co Ltd Yuci 030600 China 3 Shanxi Jinxi Group State owned Limin Machinery Plant Taigu 030800 China Abstract Tomato as one of the most popular vegetable varieties in daily life the planting area is gradually expanding especially the greenhouse planting gradually expanded compared with hydroponic culture greenhouse planting cost is low equipment maintenance is simple the promotion range is large In this paper based on the growing environment demand of tomato and the development status of greenhouse the Internet of things data acquisition system of tomato greenhouse was designed to realize the monitoring of the environment the technical operation is simple the production cost is reduced the production efficiency is improved and it also provides an analysis platform for the study of physiological growth of tomato Key words tomatoes internet of things collection system