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智能农业:农业大棚温室控制系统解决方案

来源:中国智慧农业网 作者:李伟 人气: 发布时间:2018-02-22
农业物联网:农业大棚温室控制系统解决方案
公司简介
       北京华宇展业科技有限公司是一个以新技术研发为代表的科技型企业。提供专业智能自控系统设备、温控设备、及相关仪器仪表的开发定制和相关产品的技术开发与技术服务。公司以过硬的技术稳步发展,以人性化服务为理念,竭诚为农、林、生物、科学研究等领域的客户提供专业、精制的环境模拟工程设备。公司主营的产品可按照实际要求定制人机界面、LED显示屏,集中操控中心平台以及工程项目自控的设计等。公司产品在农业博览园,园林监测,经济作物大棚和农展中心的设备多年来运行稳定可靠。 
       公司多年关注温室农业大棚控制技术,通过多个项目的具体实施和深化研究开发出一系列智能化温控系统与设备。目前开发和研制的基 于微计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。实现了完全自动化、无人化的控制方式。像园艺温室、蔬菜温室、组培育苗室内的播种、间苗、运苗、灌水、喷药等作业全部由微计算机自动化和无人化操作实现。利用计算机控制温室环境因素的方法,主要是将各种作物不同生长发育阶段所需要的环境条件输入计算机程序,当某一环境因素发生改变时,其余因素自动作出相应修正或调整。以光照条件为始变因素,温度、湿度和CO2浓度为随变因素,使这四个主要环境因素随时处于最佳配合状态。
       本公司研制的温室计算机无线监测系统,可以观测3公里以外农业大棚温室内的光照度、温湿度、土壤湿度、土壤温度,二氧化碳和水质,土壤盐分含量等环境状况,并可进行监测及控制。公司的所有设备均可通过无线方式组网、通信与温室管理中心监控系统平台进行统一的数据监控管理。减少温室建设中的电缆铺设、架线、预埋等工程量,使得整个温室农业控制系统的组建自由且随意。
一、 农业物联网: 温室与控制系统概述
       农业大棚温室是利用温室效应原理,采用自动控制技术、信息技术、机械技术、电子技术、接口技术等现代工程技术手段和工业化生产方式,为动植物生产提供可控制的适宜生长环境, 充分利用土壤、气候和生物潜能,在有限的土地上获得较高产量、品质和效益的一种高效、集约化的农业设施。温室可以摆脱自然条件和气候条件的制约,延长生产时间,实现农作物的全天候生产。另一方面,由于不受季节的限制,对于农业生产和科研也有着重要的意义。
       温室环境控制系统的发展大体经历了“手动控制-机械控制-分散电动控制-集中电子控制-计算机集成控制”这样几个发展阶段。传统的控制方式,很难模拟出植物生长所需要的环境,也难以对相互作用着的环境因子进行及时的调节。进入20世纪80年代,计算机技术迅速发展并且价格大幅下降,使得计算机控制系统成为温室环境控制系统的主流。
       智能温室控制系统是在微型计算机MCU或工业PLC的CPU上开发的监控软件。由微型计算机构建的主控核心MCU加上数据采集子系统、输出控制子系统构成一个完整的控制器。由于MCU体积小巧,运行速度快以及成本低的独特优势,使得智能化控制系统在中小型温室控制领域迅速的普及。而PLC具有的高稳定性、开发周期短优势也使得它在大型温室控制和农业科研方面应用广泛。因此这两种核心构成的温室控制核心基本上是温室控制的不二之选。
       公司生产的温室控制系统主要由这两种核心组成,模块化的设计使得应用的范围更广、可扩展性更强。现研发生产的智能化温室控制系统主要由高速微计算机芯片作为主要控制核心,配以供电子系统、环境数据采集子系统、动力控制输出子系统与人际交互子系统组成。可以准确地采集温室内空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、营养溶液浓度、二氧化碳浓度、风向、风速以及作物生长状况等参数,将室内温、光、水、肥、气等诸多因素综合,根据不同作物、作物不同生长阶段对环境因子的不同要求,通过执行机构协调到最佳状态,节能最高可达50%,并有节水、节肥、节药的效果。
       控制系统对温室内环境状况(包括气温、水温、土壤温度、管道温度、保温幕状况、通窗状况、泵工作状况、CO2浓度等)、温室外环境状况(包括大气温度、太阳辐射强度、风向风速、相对湿度等)全天侯密集监控与调节,提高了决策水平,减轻了技术管理的难度和工作量,为种植带来了很大方便,同时也给种植者带来了可观的经济效益。温室控制系统通过人机交互界面进行参数设置和必要的信息显示,可绘制出历史数据曲线、实时测量的数据曲线,可以进行设定的时间段内的数据查询,并能直接在上位机软件进行操作,实现上位机与下位机之间的通信。上位机软件集信息显示、参数设置、控制等功能于一体,能够很好地完成温室内环境因子的控制和管理。
       公司智能温室控制系统配套的产品较多,在实际应用中可按照项目的要求进行搭配,主要选配的部件有手机短信交互子系统、远程展览操控平台系统、LED大型数据显示系统、有线(无线)自组网管理系统与气象环境监测站子系统等。预置的管理员手机上,提示当前室内外的环境参数和设备运行的工况数据。
二、农业物联网:控制系统的功能
       智能温室控制系统主要实现对温室内外环境数据的监测和执行设备的控制功能,完成温室环境参数收集、被控设备状态监视、运行参数变化、接收故障报警信息、下达控制信号,并具有视频监控功能、分级报警功能、操作权限管理功能、报表统计和打印功能等。
2.1数据采集功能
       系统可实时收集室内的温度、湿度、光照、土壤(培养基)水分、土壤(培养基)温度、二氧化碳(CO2)浓度、培养液养分含量以及室外气象信息的数据采集功能。
2.2状态与数据的分析、显示处理功能
       能对监控的参数进行趋势分析,并可将历史数据做成表格或是曲线的形式呈现。能对异常的数据或状态进行保存记录。实时记录主要设备的运行状态,以及运行中的供电电压、运行电流以及其他主要工况状态的记录与显示功能。
2.3报警和事件处理功能
      系统能够实现对监控的温室状态、运行参数的异常状态(包括偏差报警、超限程报警、变化率报警、过压过流报警以及设备故障报警等)进行监测报警,并通过有效的管控机制做到紧急停机、临时关闭等功能。此外,并将这些特定的处理事件(包括操作事件、登录事件、工作站事件、应用程序事件)通过短信平台与远程操控中心进行有效报告。
2.4存储、查询功能
      系统通过设定的存储间隔能对采集的实时数据进行定时存储记录。包括报警类型、发生时间、报警变量名称、监测参数数据、处理措施等信息的记录存储,并能自动生成异常状态数据库以供查询。管理员通过系统提供的人际交互界面和内置数据存储卡就可对各种监控参数的历史数据、监控参数的曲线及趋势、报警和事件、控制方案数据等进行查询。
2.5报表及打印功能
      系统上位机软件还能够实现各种报表(包括报警和事件报表、实时曲线报表、历史曲线报表、控制方案数据报表)的自动生成打印。
三、农业物联网:控制系统的组成
       控制系统主要由执行器、控制主机以及远程管理平台组成。而控制主机又根据实际的温室分布方式分为集合型控制器与分体式控制器两种。
1.集合型控制器
       其中集合型控制器的组成较为复杂,它集合了人机交互、中控核心CPU、数据采集器、动力中继、动力输出等主要部件。一台集合型控制器可完成人机交互(真彩液晶触摸显示器)的数据查看与设定、提供室内外环境传感器的数据接口、输出执行器的动力强弱电中继隔离以及大功率交直流设备的动力输出等功能。同时系统控制器(即主控器)还可集成三项交流过压、过流监测、后备电源管理、短信交互和有线(无线)组网管理等模块。特别适用于集中温室群或紧凑式温室的环境与小型温室的监测与控制。这种集合型主控器由于是一个整体,因此每个单独的主控器就是一个系统,相对独立并可单独运行,但是每个主控器的内部数据无法共享,组建灵活性低、可扩展性差。且对于需要集中管理的场合需要通过集中管理模块进行组合,使之成为一个小型集合网络,然后通过这个集中管理模块与远端的集中管理电脑连接实现数据的集中管理。
2.分体式控制器
       对于温室群相对分散和灵活性与可扩展的场合,考虑使用分体式控制器则是最佳的选择。分体式控制器其实是将集合型控制器中的控制核心CPU和动力输出部分进行了分离,使它们变成了两个独立的个体,一个叫做主控柜,一个叫做动力输出柜。一般主控柜安放于展览厅或温室群的入口处,方便管理人员的操作和查看,同时也可用于集中数据展示。而动力输出柜则放在每个子温室内部,用于环境数据收集和动力设备的控制与管理。
       主控柜的与动力输出进行了分离后,远离了交流干扰源,并且内部空间变大,可以扩展出更多的数据采集和动力输出接口,提高控制器管理的温室数量。同时内部还可集成短信交互子系统,无线通信管理系统等附件,提高了控制器的应用范围。控制器的核心CPU下载集合温室控制系统,可以集中管理多达7个子温室。并且每个温室的数据可以共享一个控制器,达到了数据共享的目的。控制器上的10.4寸真彩触摸屏可实时显示或查询各个温室的室内环境参数变化,并分别存储到内置的SD卡上。主控柜预留室外气象监测站的数据采集接口,方便安装连接室外气象站,用于收集室外自然气象数据作为温室主控柜控制和判断的参考依据。同时温室主控柜也预留有上位机通信接口,方便连接办公室电脑的监控。管理员可通过办公室电脑登陆到主控柜上,察看实时环境数据、历史环境数据和设置运行参数等。主控柜的CPU是通过下行设备数据接口来连接到子温室的动力控制柜上的,这个数据线上最多可连接7个子温室的动力输出柜,总长度可达到1000米左右。主控柜将通过这条数据线连接到子温室的动力输出柜上,完成子温室的环境数据采集和动力设备的控制管理等功能,同时子温室的设备状态、工作电压、工作电流以及负载情况都将通过这条数据线进行传输。
3.分体式动力柜
       子温室中的动力柜中有数据通信接口解码单元模块,通过这个单元模块与主控柜相连来完成数据交换的作用。同时动力柜集成三项交流平衡缺相保护器、过流保护器、三项电压表、三项电流表、声光报警器、手控面板按钮、本地/远程转换旋钮以及三项交流接触器等电路。当子温室的本地动力柜需要进行手动操作时,只需要将本地/远程转换旋钮打在本地上,即可脱离主控器的控制管理,实现本地手动操作。在本地手动操作模式下,主控器将被禁止,同时主控器将通过指示灯或蜂鸣的形式提示管理员某个子温室的动力柜进入了手动模式,而这时在子温室现场的操作人员即可通过动力柜上的面板按钮进行设备的开启与关闭。虽然在本地手动模式下设备的控制权从主控器上剥夺,但子温室的环境数据和设备的实时状态仍然会通过数据通信接口上传到主控器,主控器也会实时的显示当前进行手动控制的动力柜进行了哪些操作以及这个子温室内部的环境数据的变化情况。当控制柜进入到远程档位后,动力柜的动力输出控制将交予主控器,同时面板上的手动操作按钮失效,只能用于指示相应设备的工作状态,防止自控和手控的冲突发生。
四、农业物联网:温室控制系统结构图
1.集合型温室控制系统
      单栋温室内可使用集合型主机也可采用分体型主机与动力柜组成,控制器通过收集放置于温室内部的各种传感器,采集室内的温度、湿度以及光照等环境参数,按照周密详尽的逻辑思维自动控制温室内部的风机、湿帘、补光以及水泵、天窗等动力设备。如上图所示。图中温室内部采用一台集合型温室控制主机。内置了人机触摸屏、环境模拟采集、电压电流显示、动力控制输出以及手自动控制面板等功能。采集的环境参数有室内温度、室内湿度、室内光照、室内二氧化碳(CO2)、土壤(培养基)水分、土壤(培养基)温度、营养液的盐分(EC)和酸度(PH)的浓度含量等参数,合理的控制各个设备的动作来达到室内温度和湿度的调节等功能。
      单栋温室控制集合主机柜可以连接16种传感器以及16路被控设备,涵盖了大多数温室设备的控制接口。其中常用的传感器有温湿度传感器、光照传感器、CO2传感器、土壤水分传感器、土壤温度传感器、盐分传感器、酸度传感器等。单路功率可达10kw。可连接控制通风系统、水帘降温系统、热风炉加温系统、自动施肥系统、补光系统、自动补气系统以及其他温室的必要设备等。温室控制器面板集成手动按钮面板,为手动操作提供了便利。同时面板上集成人机触摸显示屏,管理员通过显示屏可轻松的查看当前室内的各项环境参数,并可以调取往期历史数据来了解近一段时间内的环境数据变化的情况,为生产管理的调整做必要的数据参考依据。
       温室内部的控制器是这个系统中的主要核心,他负担着单个温室或多个温室群内部控制的重任,所有外设设备都是围绕着这个主控柜展开的。主控柜集成上行通信接口,可通过上行通信接口连接至远端电脑或操控平台上。在远端电脑或操控平台上安装上上位机监控软件即可远程查看温室内的环境数据。上位机监控软件提供数据读取与实时查看功能。并可对数据进行存储、绘图等操作,管理员也可通过软件的高级功能对主控制柜的运行参数进行查看和修改。也可通过软件的远程手控功能实现,远程的手动操作。远程操控平台支持投射数据到大型LED显示屏上,只要通过LED驱动器连接到远程操控平台上即可全天不间断地进行数据显示,给参观展览和远端数据管查看提供了方便。选配的短信发送平台还可预置多达5个管理员的手机号码,通过设定的时间间隔和特定事件变化的出现即可完成定时数据汇报、故障告警等及时提醒服务。由于短信发送平台是采用通信公司的GSM网络建立起来的,因此即使管理员身在他乡,只要手机不欠费,短信都会如期的发送到管理员的手机上。
2.分体式温室控制系统
      针对于成片的温室群比较分散的情况,可采用分体式控制系统组建,具体的结构示意图可参照下图:
      上图是公司研发的集散式温室控制系统结构示意图,这是个分体式温控器的温室群集中管理结构图。组建这个集中管理控制系统时,将温室划成群组形式,每组温室群由一个分体式主机柜统一管理,群组内的子温室中安装一台动力控制柜,并且通过数据线逐级相连。最终连接到分体式主机柜上,每个群组最多可连接7个子温室。集中管理器的下行接口起到集合各个温室控制主机柜的作用,将多个温室群的主机柜进行组合并通过上行接口连接到远程平台上,进行集中数据显示。由于集中管理器的集合作用,室外气象站的数据可实现数据共享,因此一个园区使用一套室外气象监测站即可完成所有温室的共同参照,节省了气象监测站的投资费用。同时每个温室组群共享一个温室主控器,不需要再每个温室都配置主控器,而只需要添加一台连接于主控器的动力输出柜,然后升级主控器的操作系统即可完成扩展温室的作用,减少的主控器的投资,节约了成本。由于分体式控制器的灵活配置和可扩展性使得在成片温室群的应用较为广泛。
3.温室控制系统的选配部件
      温室控制系统中的短信平台、集中管理器、LED显示屏、远程操控平台以及有线无线模块都是系统的选配部件。这些部件经过公司多年的开发运用已高度模块化并与系统紧密配合,可完成集中展览,远程操控、短信报警以及无线组网等功能。通过短信平台的加入可实现短信阅读、短信控制以及短信告警,集中管理器则可将分散式的温室群统一集合,LED显示屏则将这些集合的数据进行实时的展示。远程操控平台的建立可实现坐在办公室就能完全掌握基地的整体情况。而有线无线模块则可减少工程通信数据线缆的架设和降低项目施工成本等作用。这些选配部件即使在项目初期没有选用,在后期扩展时也不会对原来的系统结构造成大的破坏,仅需要合理的选配这些部件即可完成功能扩展。
五、农业物联网:主控器系统介绍
      温室自动监控系统主控器多采用可编程控制器PLC或微型计算机构建。温室控制器有小型、中型、大型、分散式、集中式以及集群式等多种类型,可应用于各种场合。例如普通薄膜大棚的记录监测、育苗基地的调温监控、连栋温室的集中化管理以及农博园和生态园的设备智能化管理与监控均可使用。且根据不同的使用环境建设需要提供定制服务。
       主控器具有完善的保护模块:可对短路、过流、过压、过热、过载等多种故障自行检测、自动停止工作并报警输出。系统具有自检、故障判断、故障记忆、故障显示、自动启动与手自动切换功能。备有手动开关控制,可以保证设备的安全连续运行。
       1、集中式主控器主要是把控制核心和动力输出集中在一个控制箱内,对于控制设备较少、功率较小或温室内部现场控制的场合尤其适用。面板上合理布置人机操作触屏、设备手控/自控切换旋钮以及设备工作指示灯。查看数据或进行参数设定时直接通过人机触屏查看和操作,全中文图形化界面,上手容易操作简单。内置SD卡可长期保存运行数据,通过触屏的实时数据显示以及历史数据显示功能可以以表格或曲线形式直观的显示出来。即使是普通操作人员只要知道运行所需的实际温度、湿度、光照或其他的参数也可自由操作。面板上的手控/自控旋钮用于切换系统的工作状态。在手控模式下,系统将交出最高控制权,工作人员即可通过面板的按钮自由操作受控设备的开启和关闭。且各个设备的工作状态可通过按钮的指示灯查看。而在自控模式下系统将获得最高控制权,面板的指示灯智能指示设备的工作状态,并不能进行实际操作,因此在自动模式下即使操作面板按钮也不会影响系统的正常工作,保证了系统工作的可靠性和安全性。
由西门子PLC构成的三合一集合型温室控制主控柜参考图与内部接线图
       德国西门子(SIEMENS)公司生产的可编程序控制器PLC在工业自控相关领域的良好口碑和不错的运行表现,使得在我国的应用也相当广泛。在冶金、化工、印刷生产线等领域均有不错的应用。它是集中的逻辑控制器,具有可配模拟量输入与开关量输出模块,运行速度快,带负载能力强,可扩展性灵活,抗干扰能力好等特点。鉴于这些优点公司将其应用到大型温室主控柜内部作为系统的核心控制部件,配合输入输出接口模块、10寸真彩人机触摸屏以及电源管理模块组成稳定的主控器,提高了系统的长期运行稳定性和可靠性。
        分体式控制器主要分为两个部分。一个是主控核心,另一个是动力输出。主控核心部分包含了主控CPU模块、数据采集模块、功能输出模块以及人际操作界面。而动力输出部分则包含了功率设备的开关电路、接触器输出电路、控制接口电路以及保护电路等。分体式控制器的主控器和动力输出柜可根据项目需要随意摆放,且动力输出部分还可继续拆分,如分成单个设备的动力箱或2个通道或3个通道或多个通道等自由分配,具体的拆分可根据实际需要具体实施。由于分体式控制器的自由性,在前期工程中不含自控系统的场合以及后期添加控制设备的场合均能自由扩展,灵活性很高。主控器可通过有线/无线两种数据通信的形式结合在一起,有线通信形式只需要一根数据线即可完成多达50个终端动力柜的互联,而无线模式则不需要任何通信线材的布置,只需要在主控器和受控动力箱(柜)内安装一个无线数据收发模块即可,组建工程量小,维护方便减少了工程布线的弊端。
       分体式温室控制器的主控柜一般安放于管理房内,方便管理人员的实时查看和具体操作。动力柜则分别安放于子温室内部,通过数据线与管理房内的主控柜连接。不管是主控柜还是动力柜,面板统一集成了受控带指示灯的按钮,用于手动操作和设备动作指示。控制系统在自动运行期间禁止人工面板的手动操作,即在自控模式下,面板操作按钮不起作用。只有在手动操作允许的情况下,自控模式才被禁止,同时允许面板的手动按钮操作。在子温室内部的动力柜如果处于手动模式时,动力柜将通知主控柜当前的工作模式,禁止自控运行,并将手动操作的所有动作传送给主控柜,起到动力柜手动操作时,主控柜同步显示的目的。这样可以方便管理员了解子温室内部的手动操作情况,及时作出反应。当动力柜恢复远控功能时,面板的手动操作按钮将被禁止,同时通知主控器并接受远在管理房内的主控器的控制,实现远端自动控制的目的。在这种模式下,动力柜完全由主控柜操作控制,因此如果主控制柜也处于自控模式下则控制权限交由系统内部的PLC进行自主控制,无需人为的操纵和干预,同样的主控柜的面板手动操作按钮也被禁止。当管理员需要进行手动操作时,只需要将自控/手控旋钮打在手控档位上,即可通过面板上的手控按钮对子温室内部的动力柜进行手动控制,而不需要管理员进入到子温室内走到动力柜前进行人工操作。这样在管理房内就可以统一的管理多个温室内部的动力柜而节省了时间。
       鉴于CPU的处理能力和温室内部的动力设备的数量,分体式控制系统最多能管理7个子温室并挂接7个动力柜,由于分体式主控柜具有自组网功能,因此超过7个温室的基地建议采用多套分体式控制系统组建,对于数量在50个以上的温室群,公司还可根据实际的情况作定制产品,从而进行有效的扩展。
六、农业物联网:人机触摸屏操作界面
        人机界面(也叫HMI) 触摸屏主要用于系统的数据显示和参数设置,并提供了数据查看,数据修改的功能,它安装在温室主控柜的面板上。显示包括了温室内部的温度、湿度、光照强度、风机状态、土壤湿度、土壤温度、空气含氧量、co2含量,以及配套设备的状态显示,如水箱水位、施肥水的浓度等参数都能一目了然,这样一个温室只需一个工作人员就可对整个温室的状态和数据信息完全的掌握,节省了人力资源。另外对于系统的异常状况在屏幕上也能及时的显示,并声光报警提醒工作人员及时的处理信息和排除故障。
人机触摸屏主要能实现以下几种功能:
实时的资料趋势显示——把读取的数据资料立即显示在屏幕上。
自动记录资料——自动将资料储存至数据库中,以便日后查看。
历史资料趋势显示——把数据库中的资料作可视化的呈现。  
报表的产生与打印——能把资料转换成报表的格式,并能够打印出来。
图形接口控制——操作者能够透过图形接口直接控制机台等装置。
警报的产生与记录——使用者可以定义一些警报产生的条件。
调取系统运行参数——使用管理员身份可调取系统运行参数进行查看和修改。
独特的管理员权限——具有管理员操作界面,提高系统安全性。
集中温室管理界面参考图
       人机操作界面设置有管理员权限,使用管理员的密码可登陆到系统中进行内部数据的设置与查看,非管理员只能进行实时数据查看,无法进行手动的参数设置和调取系统运行参数等功能,提高了系统的运行安全性。通过读取历史数据和实时数据可在显示屏上已表格的形式或是曲线形式展示出一段时间内的数据变化趋势,帮助管理员了解这段时间内温室内的环境变化情况,及时的为管理生产提供有效的数据支持。同时人机触屏内置有可插拔的大容量SD卡,用于保存运行数据和历史数据,最大支持容量达4G。按照每5秒保存一条数据的设置,一个4G的SD卡可连续保存3年的数据并且不会丢失。管理员或是技术员如果想要这些数据,只需要将SD卡取出后即可带走。为了被带走SD卡的这段时间数据能有效的保存起来,最好提前准备一个空的备用SD卡,待取出有数据的卡后,将备用卡插上即可继续保存数据。SD保存的数据可直接用Excel打开,特别适合管理员或技术员对以往温室的运行情况做数据分析。
七、智能农业设备:大型LED显示屏
       大型LED显示屏主要在展览厅内作实时数据的显示与设备动作的指示使用,提升基地项目整体形象和观赏性与实用性,同时也方便了管理员的日常数据检查和实时信息参考。大型LED显示屏有落地式和吊挂式两种,并且分为数码管显示和点阵显示两种类型。数码管显示直观的数字变化且显示模式固定,对于不需要做显示界面修改的地方比较适用。而点阵显示屏的显示比较细腻,并且可以自由定制显示界面,可实现分页显示,定时刷新和显示图片和动画等功能,这种显示屏其实就是广告显示屏的一种。但是需要注意的是,市面上的广告显示屏虽然显示效果绚烂,但却不能直接应用到实际的数据显示场合。因为这些广告显示屏没有数据接口,且不支持实时通信协议,无法与PLC和微型计算机进行数据交换。这种显示屏只能是电脑下载什么显示什么,且更新次数有限。当超过一定的次数以后,显示屏内部的控制卡就报废了。这就如同一张纸上面写了什么就显示什么,并且跟新数据时,需要全部擦除后在重新写,擦写的次数多了这张纸也就报废了。
点阵LED显示屏
       经过公司技术部的研发开发的工程专用LED控制卡完成了能实时数据通信和显示的任务,成功的将点阵LED显示屏应用到温室项目中来。实现了直接连接主控器更新显示温室内部数据,不需要提前通过电脑进行界面排版,无需担心高频率的数据通信影响LED显示屏的寿命。完成分页显示、各个子温室的集中显示、设备状态显示等。不管是数码管显示屏还是点阵显示屏,其大小尺寸均可按照实际工程需要进行定制,且可提供室内使用和室外使用两种规格,满足了大中小型温室的显示需求。
八、农业物联网:远程操控平台
       远程监控平台包含两个部分一个中心控制器一个立式大尺寸触摸显示操控台。
       中心控制器可以使用公司任何一种控制器组建,通过设置控制器的模式即可应用于远程操控平台和电子显示屏以及连接温室群主机。中心控制器的独立性使其可安放于触摸操控台内,也可单独安装于室内。中心控制器可选有线无线双功能模式,用于不同的场合。中心控制器可内置短信发送功能,在应用中可设置一组管理员手机号码,管理员可通过手机短信功能读取实时数据或操控温室主机。
远程操控平台设备如图:
       触摸显示操控台含有丰富的控制接口,系统通过远程数据线连接到监控平台上,只要在监控平台上打开温室监控软件并登陆连接到远端中央控制器就可以从远端将数据取回并保存显示出来,特有的远程集中监控功能可实时监控各个温室数据参数和设备状态,方便了远程的数据查看和设备状态的掌握。特有的远程操控功能,允许管理员账户进行远程手控管理,点击手控按钮可以手动控制远端设备的工作状态,在操控平台的操作就如同在温室内部的控制柜上操作一样方便。且操作过程中的设备状态实时反馈,让操作人员实时了解操作的动作是否有效。远程监控平台的工作与否不影响温室内的主机工作状态。即使远程操控平台没有运行或通信线断开,温室内的主机会自动进入自控脱机状态,防止操控中心因断电、检修以及故障导致的暂时性功能失效的现象。公司定期更新监控软件,在能连接互联网的状态下,可根据需要随时登陆网站下载更新软件,用于修复或增加系统功能。
九、农业物联网:上位机监控软件
       远程操控平台采用winXP/win7操作系统,系统上安装有上位机监控软件,通过上位机监控软件可登陆连接到温室主控柜上读取当前的实时数据,并可以保存到监控平台上。通过上位机软件可实时观测温室主控柜的运行参数和实时数据,并以图表的形式呈现出来。
       上位机提供温室控制器参数读取与设置功能,能从温室控制器中读取运行的参数并可以使用管理员身份进行参数的修改与调整。例如通道选择、时间设定、间隔设置、温度上下限、开启时间、关闭时间以及某个温室控制器的停止和运行开关设置等操作。
上位机软件气象站界面参考图
十、农业物联网:控制系统工作原理
控制系统的控制原理:
       系统根据用户设定的温度段和控制间隔以及时长自动的控制各项设备的动作。系统提供设置界面,管理员可设置温度、光照、水分、盐分等参数的上限值和下限值。控制系统实时检测室内的各项参数是否在所设定的阀值以内,随时进行设备的调控来达到保持室内环境稳定的目的。
       1、温度检测模式中,预先设定的温度上限和下限决定了室内温度的波动性,同时也决定了设备的开启方式。系统预先做了分段处理,在不同的温度梯度模式下,受控设备的动作数量有所不同。例如分组管理的轴流风机会预先设定在几个温度梯度等级中,温度每变化一个梯度等级,风机的开启数量就会不同。另外控制系统会根据室外气象站传回的气象参数做优化分析,充分的利用室外气象来补充或调节室内的温度需求。尽量减少频繁的设备开启与关闭,提高设备使用寿命,节约能源损耗,降低运行成本。控制系统在调节室内温度的同时,侧窗、水帘、内循环风机都是控制的系统变量。控制系统根据设定的逻辑分析库和各项参数的实时变化情况来自主决定哪些设备开启,哪些设备关闭。
       2、CO2补气控制分为定时补气和阀值补气两种选择。在定时模式下,只需要设定定时的间隔和补气时长,全天各个时间段均可进行自动补气,同时系统连接的co2采集传感器可采集所剩CO2的气量,当CO2达到报警预设值以后,将会提交报警请求,提示管理员更换或补充气源。而在阀值补气控制模式下,系统实时监测室内CO2的浓度大小,一旦CO2的浓度到达下限,系统自动按照用户设定的气雾补充时长和补充间隔来自动的控制电磁阀的开启和关闭。
       3.灌溉施肥模式根据事先布置得水分传感器、盐分酸度(也叫养分传感器)传回的实时数据,并与设定的参考值进行比较,在预定义的时间段内进行养分和水分的综合补给。系统可提供定时模式和实时监测模式切换,具体的逻辑控制还需根据实际灌溉设备和灌溉布局来决定。
       4.补光强度控制部分采用室外气象站的太阳照度和室内的光照传感器作为两个重要的参考依据。由于光照的滞后和随机性,系统只预设定光照启动强度阀值,当室内光照不足时,系统将收拢遮阳网,如果没有达到设定值则开启补光灯补光。一旦室内和室外光照阀值超过预设值则展开遮阳网。
       5.控制器可实现掉电自启动功能,一旦在运行期间系统由于供电问题造成的停电致使系统停止运行,等供电排除异常并上电后,系统将自动进入控制状态,根据室内的各项参数自动调整控制方式,适应被控环境的控制要求。
       6.控制器具有环境数据存储功能,全天数据循环的存储在“温室控制器”上,仅需要将内置的SD卡取出后连接到PC机上,就可以将历史数据全部读取出来,完成成年累月数据的收集。记录的数据和数据记录频率可根据需要设定。
       7.公司提供控制系统定制服务,可根据实际项目需求和特定的功能实现单独定制合适的温室控制器服务。另为满足温室间距较远或布线架设不方便的场合使用集中温室控制系统,公司还开发除了无线数据传输模块进行组网连接的模块产品。只要将无线数据连接模块连接到主控器或动力柜的数据接口上,即可实现无线温室群的管理和数据传输的任务。使得难以架设通信线缆的应用场合也能组建集中管理系统,并且通信距离还可达到2公里以外的范围。
       8.配套有后备电源系统,在供电不稳定和断电检修或供电故障时,及时复位控制系统,保存工作状态,维持主控核心最小模式的工作电压,并通过短信平台进行故障报警等。配置的后备电源在正常供电模式下会将后备电源的电池充满,以备不时之需。后备电源还可连接太阳能发电板,在只需采集记录的低功耗应用场所尤其适用。
十一、智能农业设备:控制系统常用的传感器
        传感器是系统检测环节的重要组成部分,用于将温室环境因子等非电物理量转变为控制系统可识别的电信号,为系统管理控制提供判断和处理的依据。传感器的主要技术指标有:线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率、漂移、精度等。常用传感器主要有温度传感器、湿度传感器、光照传感器、CO2(二氧化碳)传感器、土壤水分传感器、土壤温度传感器以及营养液的盐分(EC)和酸度(PH)传感器等。
(1)  空气温湿度传感器 
       温湿度传感器主要分为室内和室外温湿度的采集单元,室外一般使用轻型百叶型温湿度,可防太阳辐射和防雨。而室内一般采用带显示型和不带显示型的温湿度传感器。不管是那种类型的传感器,他们的作用都是将室内或室外的温湿度参数实时的收集并通过数据线传送给控制柜,完成前端数据的采集功能。系统根据传感器送回的数据经过比较计算和逻辑判断将控制输出对温度器决定性作用的设备,用于调节室内的温湿度参数。用于室外的温湿度传感器的参数略宽,这主要是根据使用地的不同做不同的选择,已适应使用地的实际需求。大多数作物的生长适宜温度在12℃~33℃之间,而温室内温度测量范围一般在0℃~50℃,湿度测量范围为0%~100%RH,供电电压采用工业标准24VDC,标准工业输出信号为(4~20)mA,精度为温度±0.5℃,湿度±3%RH,输出信号线性很好,可远距离传输。实际使用中,可以配置带有温湿显示的以及不带温湿小屏显示的两种类型,方便用户的选择。
(2)光照度传感器
       光是植物进行光合作用的主要能源,与光照强度和光照时间有关系,其采用高灵敏度的硅蓝光伏探测器作为传感器,具有测量范围宽,使用方便,便于安装,传输距离远等特点
l  供电电压:24VDC,
l  精度:±7%,
l  测量范围:0~200KLux,
l  输出信号:(4~20)mA,
l  环境温度:0~70℃,
l  湿度为0~70%RH。
       光照传感器主要使用到室外环境,对于室外的太阳光照检测,并送达到控制器,由控制器通过内部的计算和逻辑判断决定是否启用温室的遮阳网。
(3)风速传感器
l  .风速测量范0-30m/s                        .
l  测量精度 3%
l  分辨率0.1m/s                           
l  启动风速:0.4-0.7m/s
l  风向测量范围:0-360 全方位 16位          
l  测量精度: 3%
l  分辨率: 0.1m/s                              .
l  启动风速:0.4-0.7m/s
        风速传感器主要使用到室外,用于组建气象风速的检测采集使用,温室中普遍使用遮阳网和卷膜来进行遮光和保温使用,当遮阳网或是卷膜展开时,风速如果过大,将对遮阳网和卷膜造成损害,而系统会根据风速送回的风速信息做计算处理,用于在高风速的情况下及时地收回遮阳网和卷膜,防止大风对遮阳网和卷膜的破坏。另外系统还会根据这一信息来自行决定是否要关闭天窗和侧窗,以减小温室的风阻,提高温室的安全性和保证设备的正常使用。
(4)风向传感器
       主要用于对于做环境检测以及科研单位记录气象信息使用。同时天窗和侧窗工作状态与其有关。
技术参数:
l  精    度:±1m/s2                        
l  启动风力:0.2 m/s
l  电压输出型:
l  量    程:0~32. 4 m/s           
l  供电电压:7V~24 V  DC
l  输出信号:0.4~2V                      
l  负载能力:≥1000Ω
l  量    程:0~32. 4 m/s                    
l  供电电压:12V~24 V  DC
l  输出信号:4~20 mA                    
l  负载能力:≤500Ω
(5)雨雪传感器
       主要用于对于检测室外的雨雪情况,用作遮阳网和天窗以及侧窗的自动控制,即使的检测雨雪环境变化可即使的开启或收纳外遮阳、天窗和侧窗,防止雨水或下雪对室内温度、湿度环境的破坏以及防止对外遮阳幕布的寿命造成影响。
l  精度高,输入线电阻高,稳定性好
l  体积小,安装方便
l  传输距离长,抗干扰能力强
l  工作电压:12v~24v    
l  输出电压:0v~24v
(6)CO2传感器
       用于高标准要求的二氧化碳变送器,传感器采用硅基的非散射红外传感器带独特的内置参比;先进的单光束双波长测量,无移动部件,卓越的长期稳定性。传感器实时监测室内的CO2浓度大小,通过调节CO2气体的补充来保证室内植物光合作用下所需的二氧化碳的浓度要求。                   l  测量范围:0 … 2000 ppm         
l  准确度:± (2.5 %测量范围 + 3 %读数)
l  供电电压:+12v~24v/DC              
l  电流型:4mA~20mA
(7)土壤水分传感器
        土壤水分传感器采用晶体振荡器产生高频信号,并传输到平行金属探针上,产生的信号与返回的信号叠加,通过测量信号的振幅来测量土壤水分含量。由于水的介电常数比一般物料的介电常数要大得多,所以当土壤中的水分增加时,其介电常数相应增大,根据土壤介电常数与土壤水分之间的对应关系可测出土壤的水分。
l  测量参数:土壤容积含水量
l  水分量程:0-60%
l  水分精度:±3%(5~50%) 
l  温度量程:0-50℃
l  温度精度:±0.5℃
l  响应时间:响应在1秒内进入稳态过程
l  工作电压:5-36VDC(建议12VDC)
l  工作电流:50 mA
l  输出信号:0-1VDC、0-2.5VDC、4-20mA、RS485
l  密封材料:ABS工程塑料
l  探针材料:不锈钢 
(8)室外气象监测站
        室外气象监测站主要用来监测大气的气象信息,采集的数据用于温室主控柜做控制参考使用。温室主控器通过这些大气气象信息,实时的调整温室的控制策略,并充分的利用自然气候对温室的降温、补光、通风以及气体调节做适当的增补和判断。尽量减低能源的损耗,达到绿色节能的目的。  
       室外气象站的一般采用6参数监测站即可满足温室控制器的应用。监测的参数分别是:气象温度、气象湿度、风速、风向、太阳光强度、雨雪监测等。可配合太阳能供电,无需额外的供电,对于电缆架设不方便的地区可使用无线气象站完成系统连接。
十二、农业物联网:温室控制系统的选用
        温室控制系统的选用主要跟实际的温室结构、调控设备的数量、功率大小以及建造成本有密切的联系。不同的方案使用不同的温室控制结构,不同的结构使用的控制系统功能也有不同。因此方案前期技术沟通交流、整体方案的规划就显得尤为重要。通过以上详细的系统介绍,相信你也了解了温室控制系统的主要作用和相关构成,同时也大概能规划出所需要的功能和需求,相信通过具体与公司的技术沟通和需求交流能做成符合项目实际需求的温室控制系统。
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李伟

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