基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧溫室大棚光熱系統(tǒng)設計.pdf

江蘇農(nóng)機化 2024 5 為農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化提供重要的人才保障 江蘇 省始終把農(nóng)機技能人才培育工作擺在重要位置 選拔和培養(yǎng)了一大批全國五一勞動獎章 江蘇省 五一勞動獎章獲得者及 全國技術能手 江蘇工 匠 土專家 等技能精英 在第四 第五屆全國 農(nóng)業(yè)行業(yè)職業(yè)技能大賽中 江蘇代表隊包攬了農(nóng) 機駕駛員 農(nóng)機修理工兩個賽項的團體和個人第 1名 廣大農(nóng)機高技能人才活躍在農(nóng)機化生產(chǎn)服 務一線 為推廣應用農(nóng)機化新技術 新裝備 新模 式 促進農(nóng)機化高質量發(fā)展 全面推進鄉(xiāng)村振興 作出了不可替代的貢獻 下一步 江蘇將以賽引才 對標一流 開門辦 賽 打造農(nóng)機技能競賽一流品牌 吸引全省廣大農(nóng) 機從業(yè)人員關注競賽 參與競賽 以競賽為紐帶 同臺競技 展示技藝 交流經(jīng)驗 將以賽育才 充分 用好產(chǎn)教融合共同體 校企合作平臺 人才創(chuàng)新聯(lián) 盟等載體 建立技術規(guī)范 發(fā)布評價標準 建強專 家隊伍 推動競賽成果應用到生產(chǎn)服務一線 以競 賽的機制化推動育人的常態(tài)化 將以賽促訓 進一 步涵養(yǎng)壯大基層農(nóng)機技能人才隊伍 緊扣農(nóng)機化 重大行動 重大項目 重點技術 深化基層技能培 訓模式創(chuàng)新 以競賽引領培訓提質增效 將以賽促 學 選樹高技能人才典型 進一步探尋完善工匠 大師的技能成長成才 筑夢圓夢之路 用榜樣的力 量鼓舞人 用先進的事跡激勵人 營造好學習知 識 錘煉技能 崇尚創(chuàng)造的良好氛圍 作者單位 江蘇省農(nóng)機化服務站 收稿日期 2024 09 29 理論知識競賽 科 研 開 發(fā) 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧溫室大棚 光熱系統(tǒng)設計 李艷 1 吳忠賢 2 劉晨 3 朱鑫霞 4 雷任雄 5 周翔 6 摘要 文章針對溫室大棚光熱環(huán)境監(jiān)測與控制的需 求 設計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧溫室大棚光熱監(jiān) 測系統(tǒng) 該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術構建 以PLC控制 器為核心 整合傳感器采集系統(tǒng)和智能控制單元 實現(xiàn)對溫室內(nèi)部環(huán)境 如氣溫 相對濕度 光照強 度 CO 2 濃度等指標 的實時監(jiān)測與控制 測試結果 表明 該系統(tǒng)可以有效提高溫室大棚的管理效率 降低人工成本 提升作物產(chǎn)量和品質 實現(xiàn)綠色環(huán) 保生產(chǎn)目標 關鍵詞 物聯(lián)網(wǎng) 溫室大棚 光熱系統(tǒng) 傳感器 遠程 操控 0 引言 隨著科技的快速發(fā)展 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式逐步向 智能化 自動化方向轉變 物聯(lián)網(wǎng)技術的應用 使得溫室大棚能夠實時獲取溫度 濕度 光照 CO 2 濃度等環(huán)境參數(shù) 并通過數(shù)據(jù)分析和智能決 策 優(yōu)化作物的生長環(huán)境 提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和 品質 1 3 本文針對溫室大棚光熱環(huán)境監(jiān)測與控 制的需求 研發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧溫室大 棚光熱監(jiān)控管理系統(tǒng) 該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術 構建 以PLC控制器為核心 整合傳感器采集系 5 DOI 10 16271 ki jsnjh 2024 05 003 江蘇農(nóng)機化 2024 5 統(tǒng)和智能控制單元 實現(xiàn)對溫室內(nèi)部環(huán)境 包括 氣溫 相對濕度 光照強度 CO 2 濃度等指標 的實 時監(jiān)測與控制 4 6 1 系統(tǒng)總體框架設計 本設計運用物聯(lián)網(wǎng)技術對溫室大棚內(nèi)的光 照和溫度進行監(jiān)測和控制 系統(tǒng)包括感知層 傳 輸層及應用層三部分 感知層主要部署在溫室 大棚內(nèi) 包括多種環(huán)境監(jiān)測傳感器 如光照強度 傳感器 溫濕度傳感器等 負責收集大棚內(nèi)的光 熱數(shù)據(jù) 并通過執(zhí)行器控制模塊實現(xiàn)環(huán)境的自動 調(diào)節(jié) 通過4G模塊實時上報數(shù)據(jù) 并接收上層 下發(fā)的控制指令 以實現(xiàn)對環(huán)境的精準調(diào)控 傳 輸層包括核心網(wǎng)絡和4G網(wǎng)關 負責業(yè)務數(shù)據(jù)的 傳輸 應用層包括數(shù)據(jù)可視化界面和用戶操作 界面 負責數(shù)據(jù)的展示和用戶交互 通過有人云 平臺 不僅可安全存儲數(shù)據(jù) 還能對數(shù)據(jù)進行深 入分析 以優(yōu)化溫室管理 用戶可以通過電腦或 移動設備查看實時數(shù)據(jù) 歷史數(shù)據(jù) 并可根據(jù)系 統(tǒng)推薦或自定義設置進行環(huán)境調(diào)控 系統(tǒng)通過對各傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合分析 有針對性地生成用于控制調(diào)控裝置的執(zhí)行指令 以解決傳統(tǒng)溫室管理中響應不及時的問題 構 建智能監(jiān)控系統(tǒng)核心目的是通過大棚內(nèi)分布的 各種傳感器模塊采集關鍵環(huán)境參數(shù) 然后利用傳 輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸至中央控制系統(tǒng) 再通過云平 臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控和管理 用戶可以根據(jù) 實時環(huán)境信息 對溫室內(nèi)相關設備 如補光燈 風 扇 遮陽網(wǎng)等 進行智能控制 確保植物生長在最 適宜的環(huán)境中 為提升溫室大棚的智能化管理水平 實現(xiàn)對 溫室大棚的 云管控 設計并開發(fā)了溫室大棚遠 程管理系統(tǒng) 該系統(tǒng)由系統(tǒng)管理 環(huán)境監(jiān)測 自 動化控制 安全預警四大部分構成 系統(tǒng)整合利 用安裝在溫室大棚現(xiàn)場的多種傳感器設備 智能 控制單元 高清攝像頭等硬件設施 實現(xiàn)對大棚 內(nèi)環(huán)境的實時監(jiān)測 環(huán)境自動調(diào)控 異常情況報 警以及平臺管理等功能 1 系統(tǒng)管理 包括用戶管理 后臺支持及設 備維護 增設權限分配與審計跟蹤功能 支持多 級權限和系統(tǒng)日志記錄 便于問題追蹤和優(yōu)化 以確保操作安全性與數(shù)據(jù)可追溯性 2 環(huán)境監(jiān)測 除實時監(jiān)控大棚內(nèi)光熱環(huán)境 數(shù)據(jù)外 增加土壤濕度 CO 2 濃度監(jiān)測功能 支持 多維數(shù)據(jù)分析 包括時間序列對比分析等 為精 準決策提供支持 3 自動化控制 引入智能學習算法 根據(jù)歷 史數(shù)據(jù)和天氣預報自動調(diào)整控制策略 自動調(diào)節(jié) 補光燈亮度和加熱板溫度 優(yōu)化能源使用和作物 生長環(huán)境 4 安全預警 功能擴展至設備故障預警和 緊急事件響應 系統(tǒng)在檢測到設備異常時 能發(fā) 出故障預警 在發(fā)生緊急情況 如火災 時 能快 速啟動響應程序 與本地消防系統(tǒng)聯(lián)動 確保大 棚安全 2 硬件系統(tǒng)設計 2 1 智能光強調(diào)控系統(tǒng)設計 光照強度調(diào)控對溫室大棚作物的生長至關 重要 傳統(tǒng)的依賴人工檢測和調(diào)整光照的方法 不僅耗時費力 而且難以實現(xiàn)精確控制 為此 本文設計并開發(fā)了一套基于RS485通信的智能光 強調(diào)控系統(tǒng) 該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)24小時不間斷的 光照監(jiān)測和自動調(diào)控 系統(tǒng)由傳感器模塊 控制 單元和通信接口組成 光照傳感器連接方式 見圖1 傳感器模塊主要包括BH1750光照強度傳感 器 安裝支架和防護罩等 BH1750傳感器能夠 實時監(jiān)測大棚內(nèi)的光照強度 測量范圍為0 65535lx 具有監(jiān)測精度高和快速響應的特點 該傳感器的輸出可以通過I2C總線轉接為RS485 信號 方便與控制單元的數(shù)據(jù)交互 圖1 光照傳感器連接方式 6 江蘇農(nóng)機化 2024 5 控制單元采用高性能的西門子200smartPLC 接收傳感器模塊傳來的光照數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處 理和分析 通過中間繼電器調(diào)節(jié)大棚內(nèi)部的人工 光源強度 以確保作物得到最佳的光照環(huán)境 RS485通信接口具有優(yōu)越的抗干擾能力和長 距離傳輸特性 使得系統(tǒng)能夠覆蓋更大的農(nóng)業(yè)大 棚區(qū)域 這種接口支持多點通信 能夠連接多個 設備 確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性 通過 RS485網(wǎng)絡 傳感器信息可以有效地傳輸?shù)街醒?控制系統(tǒng) 確保整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)一致 提高整個 光照控制系統(tǒng)的響應速度和操作效率 從而實現(xiàn) 高效的光照管理 優(yōu)化作物生長環(huán)境 2 2 智能溫度調(diào)控系統(tǒng)設計 溫度是衡量溫室大棚內(nèi)作物生長環(huán)境質量 的重要指標之一 直接影響作物的生長活力 在 智慧溫室大棚的運行過程中 當溫度低于或高于 設定的閾值時 如未及時采取調(diào)溫措施 作物可 能會因不適宜的溫度條件而生長受損或死亡 調(diào)溫設備主要有加熱板和遮陽網(wǎng)等 其中 加熱 板通過電熱元件產(chǎn)生熱量 提升大棚內(nèi)的溫度 而遮陽網(wǎng)則通過遮擋部分陽光來降低溫度 圖2 為作物加熱板溫度控制圖 本文設計的智能溫度調(diào)控系統(tǒng)主要由溫度 傳感器 PLC控制器 加熱板以及遮陽網(wǎng)等幾個關 鍵組件構成 系統(tǒng)管理員可以利用專為大棚設 計的遠程管理平臺 設置和調(diào)整所需的溫度參 數(shù) 系統(tǒng)核心功能是實時監(jiān)控大棚內(nèi)的溫度 并 將其與預設的目標溫度進行比較 這種動態(tài)監(jiān) 測可保證溫度控制的精確性和及時性 當監(jiān)測 到大棚內(nèi)的溫度低于預設值時 系統(tǒng)會自動激活 加熱板 以增加內(nèi)部溫度 反之 如果檢測到溫度 超過設定值 系統(tǒng)則會自動部署遮陽網(wǎng) 通過遮 擋部分陽光來降低溫度 3 溫室遠程管理系統(tǒng)設計 3 1 系統(tǒng)架構設計 智慧溫室大棚光熱監(jiān)測系統(tǒng)的架構如圖3 所示 包括傳感器終端 控制器 執(zhí)行設備和遠 程控制端 遠程控制端主要用于保存并查詢各 種設備數(shù)據(jù) 包括傳感器收集的歷史信息 以及 業(yè)務信息 用戶能夠通過手機Android應用和 計算機的Web界面管理平臺 檢查和搜索關于溫 室環(huán)境的實時數(shù)據(jù) 歷史數(shù)據(jù)以及專家的分析 報告 系統(tǒng)的智能控制柜主要包括智能網(wǎng)關 智能 控制器 電源等設備 智能網(wǎng)關作為本地硬件設 備與云服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸中介 使用西門子 200smartPLC作為主控制器 負責處理由溫度傳 感器采集的參數(shù)和控制執(zhí)行機構的任務 數(shù)據(jù) 交換通過PLC與智能網(wǎng)關完成 后者內(nèi)置物聯(lián)網(wǎng) 卡 并通過4G網(wǎng)絡與服務器通信 系統(tǒng)使用的通信協(xié)議是MQTT 消息隊列遙測 傳輸 這是一種輕量級的發(fā)布 訂閱模式通信協(xié) 議 適合物聯(lián)網(wǎng) 小型設備和移動應用等應用場 景 智能網(wǎng)關作為MQTT客戶端 同時承擔發(fā)布者 和訂閱者的角色 實現(xiàn)了雙向通信功能 確保數(shù) 據(jù)及時上傳和控制指令的精確執(zhí)行 智能網(wǎng)關 承擔了重要的數(shù)據(jù)通信角色 定期向MQTT服務訂 閱的特定主題發(fā)送關于光熱等環(huán)境因素的數(shù)據(jù) 圖2 作物加熱板溫度控制圖 圖3 溫室遠程管理系統(tǒng)架構圖 eb 7 江蘇農(nóng)機化 2024 5 周期性數(shù)據(jù)上報確保了信息的實時性和準確性 智慧溫室管理平臺也訂閱了相同的主題 使得平 臺能實時接收來自現(xiàn)場的最新環(huán)境數(shù)據(jù) 從而進 行有效的數(shù)據(jù)監(jiān)控和分析 當溫室管理需要進 行環(huán)境調(diào)整時 操作人員可以通過管理平臺發(fā)出 具體的控制指令 這些指令被智能網(wǎng)關捕捉并 解析 由智能網(wǎng)關將這些指令轉換成數(shù)據(jù)包發(fā)送 給PLC 可編程邏輯控制器 PLC根據(jù)接收的數(shù) 據(jù)包執(zhí)行相應的操作 如調(diào)整溫度或改變光照強 度 以滿足作物生長的需求 遠程監(jiān)控和控制 模塊極大地方便了管理人員的工作 提高了溫室 管理的自動化水平 使得溫室環(huán)境更加穩(wěn)定和適 宜作物生長 3 2 智能溫室大棚管控平臺設計 本設計采用了B S架構的分層模式 確保了 數(shù)據(jù)的流暢傳輸和完整性 同時增強了數(shù)據(jù)的安 全性 Web端平臺包括監(jiān)測模塊 遠程控制模塊 生長視頻監(jiān)控模塊和農(nóng)業(yè)管理模塊 監(jiān)測模塊 負責對溫室大棚內(nèi)的光熱環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān) 控和預警 并能展示歷史數(shù)據(jù) 便于用戶追蹤了 解環(huán)境變化 遠程控制模塊允許用戶遠程操作 加熱設備 補光燈等關鍵設施 并通過集成的視 頻監(jiān)控功能 實現(xiàn)對溫室作物生長狀況的實時觀 察 此外 平臺支持記錄和調(diào)度農(nóng)事活動 能夠 存儲和分析溫室面積 種植作物種類及各種植區(qū) 域作物生長情況等重要信息 4 結語 本文設計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧溫室大 棚光熱監(jiān)測系統(tǒng) 應用物聯(lián)網(wǎng)技術在多個溫室大 棚區(qū)域部署光熱監(jiān)測設備 對數(shù)據(jù)進行實時收 集 有效克服了溫室大棚數(shù)據(jù)收集難 精度低的 問題 開發(fā)的智能環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)允許操作人員 通過溫室管理平臺設置設備參數(shù) 以精確地控制 現(xiàn)場的加熱和光照設備 實現(xiàn)環(huán)境條件的精細調(diào) 整 從而減少了生產(chǎn)成本 所設計的智能溫室管 理平臺可以遠程監(jiān)控和調(diào)控光照和溫度 增強了 遠程管理效率 該系統(tǒng)在江蘇南京國家農(nóng)業(yè)高 新技術產(chǎn)業(yè)示范區(qū)溫室大棚基地進行實地測試 運行效果良好 參考文獻 1 王生 物聯(lián)網(wǎng)背景下智慧溫室大棚蔬菜種植技 術 J 農(nóng)業(yè)工程技術 2024 44 15 74 75 2 李帥 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境智慧控制系 統(tǒng)研發(fā)與應用 J 智慧農(nóng)業(yè)導刊 2024 4 9 5 8 3 朱婧瑋 智慧農(nóng)業(yè)溫室管控系統(tǒng)研究 J 南方 農(nóng)機 2023 54 14 58 61 4 田朝杰 汪婷 陸翔 物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術在溫 室大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用 J 農(nóng)業(yè)工程技術 2023 43 17 22 23 5 朱凱 李鵬 基于開源物聯(lián)網(wǎng)技術的溫室環(huán)境 監(jiān)測系統(tǒng)設計 J 農(nóng)機化研究 2024 46 12 204 207 6 彭麗紅 物聯(lián)網(wǎng)技術在溫室環(huán)境控制系統(tǒng)中的 應用 J 農(nóng)業(yè)科技與信息 2022 23 112 115 基金項目 2023年江蘇省現(xiàn)代農(nóng)機裝備與技 術示范推廣項目 NJ2023 44 作者單位 1 南京源昌新材料有限公司 2 南京農(nóng)業(yè)大學 3 江蘇省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站 4 江蘇省職業(yè)農(nóng)民培育指導站 5 江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備科技示范中心 6 江蘇省農(nóng)機化服務站 收稿日期 2024 07 29 8