物聯網技術溫室大棚智能控制系統設計

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摘要：溫室大棚使用物聯網技術可以有效改變傳統的種植方式，使農產品的種植不再受地區、天氣、季節等因素的影響。本文先設置了一個應用場景并對系統設備進行研究，隨后進行了感知層、傳輸層、應用層的系統總體設計分析，同時分析了系統的監測、控制、管理等功能，說明了智能系統的使用效果。

關鍵詞：物聯網技術；溫室大棚；智能控制系統

物聯網技術使大棚的構建變得更加智能化、現代化，現今，以色列、荷蘭、英國等60多個國家和地區都進行了農業物聯網技術的開發，因此，我國自然要緊跟時代的潮流建立溫室大棚的智能系統。我國的溫室智能系統水平還相對較低，所以需要工作人員引進國內外先進技術進行系統設計，構建完善的溫室系統。

1系統應用場景

溫室大棚的本質就是種植人員通過控制溫度、濕度、光照、土壤所形成的一個可供植物生長的模擬環境，通過改變環境改變農作物的生長條件，使其可以突破地區、季節的限制，為種植人員帶來更高的收益。而同時，智能控制系統以及電子計算機的出現使農業生產更加的智能化自動化，使溫室控制的方法變的更加多樣化，種植人員在溫室大棚中使用濕度、二氧化碳、地質、土壤、光照、風力等傳感器來采集溫室大棚內的數據信息，對溫度與濕度參數進行全面分析，隨后將這些信息上傳到智能控制平臺，由工作人員進行信息的收集、分析、整理、處理，再利用電腦系統監控大棚內部的情況，利用風扇、布簾、澆灌噴頭、補光燈等設備對溫室大棚進行遠程操控，為農作物的生長提供有力環境。

2系統設備設計分析

本次實際選擇的溫室大棚為60m×10m，根據實際測試，其設備的能耗情況為，12個90W功率的風機，其總功率為1080W,平均每天使用5h，能耗共計5.4kW⋅h；12個100W功率的補光燈，其總功率為1200W，平均每天使用2h，其總能耗為2.4kW⋅h；2個120W功率的水泵，其總功率為240W,平均每天使用1h，其能耗共計0.24kW⋅h；60個5W功率的節點，其總功率為300W,平均每天使用24h，其總能耗為7.2kW⋅h；其余網關、加熱、節能等設備的能耗共計8.76kW⋅h。因此可以得知，本次設計的每天總能耗為24kW⋅h。而系統使用的發電設備為2000W的太陽能發電系統，每天的發電量總計為14kW⋅h，剩余電量則由外部電網負責供應。

3系統總體設計分析

3.1感知層

工作人員使用物聯網技術來建立溫室大棚控制系統，需要運用到ZigBee路由器，這個路由器的功耗較低，且最高速率能達到250kbit/s，傳輸頻率為2.5G，因此在溫室大棚中使用程度較高，種植人員與工作人員可以利用其中的協調器進行信息的傳遞。種植人員需要使用GPRS技術與智能系統進行交互，智能系統通過路由器感知到每一個傳感器帶來的消息，并及時進行溫室環境調節。感知層需要具備溫室大棚的全面感知能力，為種植人員提供全面、及時的大棚環境信息，為其提供參考依據，是整個物聯網中的核心部分，也是智能系統中的基礎部分。

3.2傳輸層

傳輸層與物聯網、通信網以及物聯網密不可分，其是工作人員與種植人員溝通的橋梁，是兩者進行數據傳遞以及決策下達的紐帶。本次系統設計的傳輸層為溫室局域網與遠程廣域網。在傳輸的過程中傳輸層要保證信息的安全可靠，加快信息的流通。在本次選擇的種植基地中，溫室大棚的數量較多，控制器與終端之間存在著較遠的跨度，為保證信息傳輸，系統使用了以太網技術，運用有線傳輸容量大、穩定性強、傳輸距離長、防干擾的特點保證信息傳遞的準確性，又將廣域互聯網技術與GSM通信技術加以結合，使種植人員可以使用瀏覽器與手機來獲取大棚的信息，及時進行管理。

3.3應用層

應用層是智能系統的“大腦”，其負責對信息進行整理、融合、處理以及，其是保證大棚智能運行的決策者與指導者，應用層在溫室集控系統中就可以對大棚的數據信息進行處理。集控計算機在獲取了感知層的信息之后，會將這些信息存入數據庫中，本次系統設計使用了SQLServer軟件建立了數據庫系統，包括環境數據庫以及設備信息數據庫兩種，數據庫擁有著查詢、提取、增加以及修改等基本功能[1]。

4系統功能設計分析

4.1監測功能

本系統使用了LabVIEW技術進行了監控平臺的開發工作，監控平臺包括了數據采集功能、監測功能、控制與輸出功能以及參數設置功能，工作人員運用此系統可以隨時監控大棚內部的情況，了解溫室內的濕度、溫度、光照以及CO2濃度，以便于工作人員進行環境調節。大棚內環境參數的獲得方式較為簡單，工作人員只要使用智能系統中的現場控制功能就可以直接顯示所需信息，也可以使用瀏覽器或手機APP進行遠程查詢。本系統具有氣體監控功能，工作人員使用了電阻式的氣體傳感器，以此作為氣體監控系統的核心。工作人員將半導體安裝在探測區域內，使其監控溫室內的O2濃度以及CO2濃度，網關會將數據發送給現場人員，當人們發現溫室信息不符合要求時，及時進行通風與換氣，使O2濃度以及CO2濃度達到種植標準。

4.2控制功能

本次系統的控制功能設計了兩種模式，分別為手動命令下達模式以及自動命令下達模式。手動命令下達模式的主要功能有兩種，一是運用繼電器與接觸器來控制系統設備的運行與停止，是脫離現場的手動模式。二是使用觸摸屏、集控平臺以及手機瀏覽器等功能進行的遠程手動控制，系統會讀取PLC中的相關信息，利用繼電器進行設備控制[2]。自動控制功能為智能控制，系統會根據大棚內部的溫度因子與濕度因子進行自動控制，運用計算機進行多種控制共同運行，使溫室的內部環境始終保持在適當的狀態。

4.3管理功能

溫室大棚的智能系統應當具備一定的管理功能，因此需要設置集中管理平臺進行溫室環境的管理。管理平臺的功能應當包括：數據采集、信息傳輸、監控監測、數據管理以及參數設置等，其中，采集模塊的主要功能是將感知層的數據進行采集并儲存，監控模塊的功能為監控溫室內部情況，數據模塊的功能為對大棚信息的收集、處理，使工作人員的命令更加切實有效[3]。

5結論

溫室大棚智能系統的構建需要運用到物聯網技術。經過上述內容可知，智能化農業建設已經成為了我國未來的發展趨勢，物聯網技術在農業中的應用使農業生產擺脫了天氣、雨水、土壤等因素的限制，使農業生產出現了巨大的變革，所以，農業人員需要使用物聯網技術構建智能系統，促進農業發展。

參考文獻

[1]朱明,曹越.基于LoRa技術的設施農業溫室大棚智能控制系統的設計與實現[J].南方農業,2019,13(27):175-177+180.

[2]向緒友,周超,鐘旭.溫室大棚智能控制系統標準研究綜述[J].湖南農業科學,2018(09):123-126.

[3]劉璐,劉光偉.關于物聯網的設施農業溫室大棚智能控制系統的研究[J].科技資訊,2018,16(24):95-96.

作者：胡天讓 張旭紅 陳巖 單位：甘肅畜牧工程職業技術學院