1. 前言

1.1國內外農業溫室大棚系統的現狀

中國是一個農業大國，目前在廣大農村，農業溫室比比皆是。近年來，隨著中國農業和農村經濟的發展，農業生產方式逐步由傳統的粗放經營式向現代集約型經營方式轉變，農業科技示範園，作為現代集約型農業和高新科技應用的示範視窗，應運而生。隨著科學技術的進步，溫室的結構檔次在逐步的提高，建設一種可提高溫室內作物產量和質量，降低生產成本，減輕工作人員勞動強度的農業溫室大棚智慧監控系統，是廣大溫室作物生產人員的迫切需求。

目前，雖然也有不少單位或個人引進了一些國外的計算機智慧監控系統，如溫室環境監控系統，施肥灌溉監控系統，工廠化育苗智慧監控系統等，這些系統真正實現了溫室控制的智慧化和自動化，但往往存在投資過大．系統維護不方便等各種發展制約瓶頸，再者就是要求溫室的管理操作人員本身有較高的文化素質和較豐富的工程技術經驗，目前中國廣大農民還不具備，這也限制了國外同類產品在國內的推廣應用。開發低價位、實用型的農業溫室大棚智慧監控系統對於推進中國農業自動化、智慧化程序具有重要的意義，同時也具有很大的市場潛力。據調查，目前市場上迫切需要的是一種低成本、操作使用簡便的實用農業溫室大棚智慧監控系統。針對這一要求及中國日光溫室量大、面廣的特點，研究一種既符合中國農業水平實際又適合農民經濟承受能力、技術上不低於國外同類產品的農業溫室智慧整合監控系統是非常必要的。智慧化農業溫室大棚是集農業科技上的高、精、尖技術和計算機自動控制技術於一體的先進的農業生產設施，是現代農業科技向產業轉化的物質基礎。它能營造相對獨立的作物生長環境，徹底擺脫傳統農業對自然環境的依賴性。目前，計算機監控在農業溫室大棚種植中得到了越來越廣泛的應用，並正在成為農業溫室大棚監控的核心。智慧化農業溫室大棚研究是當今興起的一門橫跨生物學、計算機科學、電子科學、機械設計和環境控制等幾大學科的綜合了多種高新技術的邊緣學科。從目前中國農業發展政策看，未來10一15年中國農業科技進步的重要內容就是推動規模經營和農業產業化的發展，所以研究開發適合中國的國情的農業溫室大棚智慧監控系統是非常必要的。

1.2本監控系統簡介

農業溫室大棚智慧監控系統集感測器、自動化控制、通訊、計算等技術於一體，透過使用者自定儀作物生長所需的適宜環境引數，搭建農業溫室大棚智慧化軟硬體平臺，實現對農業溫室大棚中溫度、溼度、二氧化碳等因子的自動監測。

本系統可以模擬基本的生態環境因子，如溫度、溼度、二氧化碳濃度等，以適應不同生物生長繁育的需要，它由資料採集裝置單元組成，按照預設引數，精確的測量溫室的溫度、溼度、二氧化碳引數等，並利用手動、自動兩種方式啟動或關閉不同的執行結構（遮陽幕、通風系統等），程式所需的資料都是透過各類感測器實時採集的。

該系統的使用，可以為植物提供一個理想的生長環境，並能起到減輕人的勞動強度、提高裝置利用率、改善農業溫室大棚氣候、減少病蟲害、增加作物產量等作用。

1.3本控制系統具有的特點

1.3.1預測性

透過對氣候引數的分析，可以預測控制裝置的執行情況，提高裝置的利用率，降低能耗。

1.3.2強大的擴充套件功能

透過選用不同的外圍裝置，可以控制溫室環境及風機、捲簾、灌溉等。

1.3.3完善的資料處理功能

透過中央控制軟體，可以不問斷地記錄溫度、溼度、二氧化碳等感測器的資訊以及各種控制裝置的動作記錄等。

1.4遠端監控功能

即使工作人員不在現場，也可以透過遠端監控系統對溫室內的環境引數及裝置進行監測和控制。

2. 農業溫室大棚智慧監控系統的設計

2.1系統設計要求

農業溫室大棚智慧監控系統是一個涉及到溫度、溼度、二氧化碳濃度及種植品種等多種因素的監控系統。因此，該系統的沒計應具備以下功能：

l、較寬的工作電壓範圍：110v-380v交流：

2、能長時間連續、穩定、可靠的工作；

3、能對溫室內的溫度、溼度、二氧化碳濃度等引數進行準確的測量：

4、能根據種植品種的不同，可以設定溫度、溼度、二氧化碳濃度的預警。

2.2系統設計原則

1、系統性能穩定，執行可靠。

2、操作簡單，維護方便。

3、整個系統易於擴充套件。

4、執行經濟節能，維護費用低。

5、效能價格比高。

2.3系統整體架構

系統採用上、下位機監控方案，下位機為系統前端採集裝置，實施對溫室大棚環境引數的檢測與環境調整機構的控制；上位機為系統遠端監控計算機，採用視覺化程式語言設計介面友好的環境監測與管理系統，實現對溫室的遠端監控與管理操作。其基本的框架圖如下：3

3. 農業溫室大棚智慧監控系統的建設

3.1 系統介紹

該系統利用溫度、溼度、二氧化碳等感測器採集現場的相關資料，採集到的資料在現場就透過無線方式傳送到資料伺服器中，透過應用伺服器和web伺服器對採集到的資料進行應用和顯示。

系統網路結構分為三層，第一層為資料管理層：由電腦和乙太網組成；第二層為資料傳輸層：採用GPRS無線資料傳輸；第三層為資料採集層：由GPRS RTU遠端測控終端和感測器組成，該層和第一層之間無需電纜連線；所有的感測器和GPRSRTU遠端測控終端只需要用一根電纜連線。

3.2 資料管理層

中心採用透過GPRS/GSM 網路把室外各站點感測器資料傳送到中心計算機，在這裡進行各個站點引數設定，及對各站點執行情況進行統計，並可透過專用軟體在計算機上儲存，實時顯示所有大棚站的溫溼度、二氧化碳資料和圖表。同時可以人工進行特殊操作。

建立GPRS中心連線的兩種方式：

A．監控中心伺服器採用固定IP地址，當監控點數量增加，中心不用擴容即可滿足需求（適用監控點數較多幾百上千個）。

B．監控中心伺服器採用動態IP地址（可以申請花生殼軟體採用域名的方式），當監控點數量增加，中心不用擴容即可滿足需求（適合監控點數在300個左右的）。

3.3 資料傳輸層

本系統資料採集層與資料管理層（中央處理系統）之間的通訊、採用目前應用已經比較成熟的GPRS網路實現遠端通訊。

採用GPRS無線資料傳輸具備如下特點：

1、可靠性高：

與SMS簡訊息方式相比，GPRS採用面向連線的TCP協議通訊，避免了資料包丟失的現象，保證資料可靠傳輸。中心可以與多個監測點同時進行資料傳輸，互不干擾。GPRS網路本身具備完善的頻分複用機制，並具備極強的抗干擾性能，完全避免了傳統數傳電臺的多機頻段“碰撞”現象。

2、實時性強：

GPRS具有實時線上的特性，資料傳輸時延小，並支援多點同時傳輸，因此GPRS監測資料中心可以多個監測點之間快速，實時地進行雙向通訊，很好地滿足系統對資料採集和傳輸實時性的要求。目前GPRS實際資料傳輸速率在30Kbps左右，完全能滿足系統資料傳輸速率（≥10Kbps）的需求。

3、監控範圍廣：

GPRS網路已經實現全國範圍內覆蓋，並且擴容無限制，接入地點無限制，能滿足山區、鄉鎮和跨地區的接入需求。比較很多無線資料網路（叢集，雙向傳呼，CDPD，CDMA）而言，其網路覆蓋是最好的。

4、系統建設成本低：

由於採用GPRS公網平臺，無需建設網路，只需安裝裝置就即可，建設成本低；也免去了網路維護費用。

5、系統運營成本低：

採用GPRS公網通訊，全國範圍內均按統一費率計費，省去昂貴的漫遊費用, GPRS網路可按資料實際通訊流量計費，(1分-3分/1K位元組)，也可以按包月流量收費，從而實現了系統的低成本通訊。

6、可對各監測點儀器裝置進行遠端控制：

透過GPRS雙向系統還可實現對儀器裝置進行反向控制，如：時間校正、狀態報告、開關等控制功能，並可進行系統遠端線上升級。

7、系統的傳輸容量，擴容效能好：

能滿足突發性資料傳輸的需要，而GPRS技術能很好地滿足傳輸突發性資料的需要；由於系統採用成熟的TCP/IP通訊架構，具備良好的擴充套件效能，一個監測中心可輕鬆支援幾千個現場採集點的通訊接入。

總之，它真正體現了少用少付費的原則。透過GPRS無線網路將使用者裝置資料傳輸到Internet中的一臺主機上，實現資料遠端傳輸，可廣泛應用於“物聯網”涉及的各個行業。

感測器用來對溫室內的溫度、溼度、二氧化碳濃度進行實時資料採集。根據溫室作物生長特點和環境要求，選擇精度較高、執行穩定，價效比較高的感測器是十分有必要的。在該專案所採用的感測器類別及效能引數如下：

防護型紅外二氧化碳變送器是在進口紅外二氧化碳感測器基礎上設計的一款專門用於在農業等多種高溼場合使用的產品系列，該產品系統有電壓、4-20mA電流介面可選配。該產品採用多重防護，確保內部的感測器不受外界高溼等環境影響，確保感測器可靠穩定工作。產品具有更低的供耗，訊號輸出更加穩定，並且嵌入了自動校準模式，確保長期工作穩定性和精確度。

4. 監控系統軟體平臺（軟體功能可定製）

農業溫室大棚智慧監控系統的軟體管理功能主要包括使用者管理模組、資料實時顯示模組、歷史資料管理模組、報警資料管理模組、曲線分析模組、網路資訊釋出及資源共享模組等功能。

4.1實時資料顯示模組

資料實時顯示模組主要是將各種感測器實時採集到的環境引數、裝置執行狀態進行顯示，以滿足人們對溫室環境監測的需求。

4.2歷史資料管理模組

使用者可透過訪問系統伺服器，遠端檢索回放站端的任意歷史資料。系統提供了智慧化快速檢索回放歷史資料的功能，可按時問、異常情況等進行檢索，大大降低了檢索時間和複雜程度，使使用者可以迅速地查詢到需要的歷史資料。

4.3報警資料管理模組

透過該模組，使用者可以實現全方位的報警資訊通報。線上報警欄中的報警資訊，在每一個監控頁面都是相同的，無論在中心還是辦公網路內的客戶端，可以讓操作人員最短時間內發現報警資訊，解決故障。

4.5曲線資料分析模組

一個好的農業大棚溫室智慧監控系統，不僅在於它能實時、遠端監控系統，關鍵還要能夠提供曲線資料．透過對曲線資料的分析，從中找出對溫室中農作物生長最為有利各種引數，並透過與農業專家系統的介面．提供一個農作物生長最為有效的模型。

4.6網路資訊釋出及資源共享模組

位於監控中心的監控伺服器與廠區內的區域網絡連線，在區域網內進行資訊釋出，這樣廠區管理層的人員都可以在它自己辦公室裡的計算裡隨時透過IE的方式訪問主機伺服器內的全部資料和畫面。

每位瀏覽者都將擁有唯一的使用者名稱和密碼的身份驗證，它的使用者名稱決定它的監控範圍。雖然是採用IE的方式訪問現場資料，但所看到的全部資料及畫面與資訊中心伺服器的內容完全相同、效果也完全一樣。速度方面也不會任何的延時。

通常廠區辦公管理網路允許被連線到網際網路，這樣即使出差在外地的領導也同樣可以連回廠內訪問現場的資料。

5. 系統優勢

本系統採用分散式控制結構，依據分散採集資料。集中操作管理，相對獨立的設計思想，綜合運用計算機網路通訊和模糊控制技術，實現了單個溫室的智慧控制以及多個溫室的聯網監控。控制系統可根據溫室內溫度、溼度、二氧化碳濃度等引數的變化，按照預先設定的條件對風機、灌溉、二氧化碳發生器等裝置進行全自動控制，系統具有功能強大、效能優越、配置靈活、安全可靠等優點。

01、全天候不間斷線上監測，無論晴雨雷雪，均可實現資料的持續採集，讓資料具有連續性，對農業溫室環境引數的歷史分析和技術最佳化變得更加有效。

02、所有資料實現無紙化記錄，歷史可查，可根據客戶的需求定製各種分析報表和列印格式，使該系統更加人性化和實用性。

03、真實有效的現場資料給政府、企業的管理上帶來的可追溯、可衡量的標準，降低了管理的難度。

04、降低環境對監測的影響，無論是有毒有害的環境還是障礙物，都可實現訊號的遠端無線採集，降低現場巡檢的難度，提高巡檢和引數記錄的難度。

05、大大降低人力成本，透過該系統的運用，減少了人員的投入，實現讓更少的人管理更多的裝置和安全領域。

06、實現了防患於未然，該系統會對歷史執行資料和安全警戒值進行掃描判斷，當變化達到臨界值時會自動透過手機簡訊方式通知使用者，讓使用者及時對裝置和安全隱患進行及時處理，做到早發現早處理。

07、良好的功能擴充套件性，使得該系統能隨時適應客戶需求的變化，做到及時的調整和最佳化，順應客戶的變化而變化。

08、加密的資料和多層安全保護，讓客戶對資料的管理更加安全可靠，不會擔心資料被劫持和破解。

農業大棚環境監控系統監控的主要是環境因子啊，也就是大棚內的內環境。包括溼度、溫度、CO2濃度、光照強度、土壤溫度、土壤溼度、葉面溫度、露點溫度等等。

另外，還有一些監控系統可以檢測土壤中的ph、亞硝酸鹽等等。

總體上來說，環境監控系統監測的數值還是比較專業和複雜的。

透過監測和分析這些專業的大棚內環境資料，可以提出相應的生產報告，指導農業生產者來進行生產。還可以產生資料的歷史記錄，對未來的農業生產進行相關走勢的預測。

目前，農業大棚環境監控系統大部分都為遠端智慧監控系統，可以透過gprs等傳輸相關訊號到手機或電腦上，方便溫室生產者在棚外進行資料監控。

個人認為，目前的監控系統是未來農業大資料發展的一個很重要的環節和起步，也是農業智慧化的開端。

首先，我們先來看下，環境監控系統監測的內容都有哪些，主要包括溫度，空氣相對溼度，二氧化碳濃度，光照度等氣象因子資料，還有土壤水分，土壤溫度，土壤ec值等土壤資料監測。透過監測探頭來測定這些氣象因子資料，一般五到十分鐘上傳一次，有的氣象站可以實時讀取資料，有的需要用電腦等工具去複製氣象資料，有的在手機端就可以遠端檢視任意的資料。

其次，再來談談監測這些環境因子的作用有哪些，第一，對作物生長環境實時掌控，不同的作物對於環境因子需求不一樣，比如番茄生長的適宜溫度是25到35度，只有在最適溫度範圍內，作物才可以正常生長，傳統農業是透過大量田間經驗累積，種植技術人員有一個經驗概念，來判斷和指導農業生產，不是精確農業操作，同時對於技術人員經驗有較高要求，這些現代化的儀器裝置，可以精確測定環境因子。第二，指導農事操作。設施農業的目的是為作物營造一個最適的生長環境，比如透過風口來調控大棚內溫度和空氣相對溼度，而傳統農業開閉風口是根據種植經驗，冬天上午八九點左右開啟風口，晚上三四點左右關閉風口，而有了這些環境監測儀器，就可以根據實時溫度，來判斷是否需要開閉風口的操作。第三，實現智慧化管理。作物生長與氣象因子具有顯著相關性，比如比較著名的彭曼公式，就是根據氣象因子來計算作物蒸騰量，從而指導灌溉，所以，可以建立作物生長與氣象因子的模型，實現智慧化管理。

目前，這些氣象因子監測裝置，由於價格高，農戶對於智慧手機操作不熟練等問題，推廣使用的範圍並不廣泛，下一步要針對產品，結合中國農業基本情況，做好設計。