1、 山西省農機裝備設施技術引進試驗項目實施方案 項目名稱：日光溫室關鍵參數(shù)控制系統(tǒng)試驗開發(fā) 項目類別：科研開發(fā)起止年限：2013年2月至2014年6月負責單位：山西省農機局承擔單位：山西農機新技術服務中心一、項目實施目標1、本項目研究一種遠程和本地相結合的植物生長環(huán)境控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)植物生長規(guī)律自動監(jiān)測與調節(jié)室內溫度、濕度、二氧化碳含量及各種有機肥的參數(shù)，滿足設施農業(yè)精準生產的要求。2、開展現(xiàn)代信息技術在提升農機化裝備效能方面的研究應用。利用現(xiàn)代網(wǎng)絡的自由性，研究各平臺的數(shù)據(jù)共享，遠程專家判斷以及用戶對系統(tǒng)的實時控制等關鍵技術。為今后連片設施農業(yè)的高效化、規(guī)模化、集成化發(fā)展起到積極推動作

2、用。二、項目項目詳細工作內容 通過開發(fā)設施農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術，遠程獲取溫室大棚內部的空氣溫濕度、土壤水分溫度、二氧化碳濃度、光照強度及視頻圖像，通過模型分析，遠程或自動控制濕簾風機、噴淋滴灌、內外遮陽、頂窗側窗、加溫補光等設備，保證溫室大棚內環(huán)境最適宜作物生長，為作物高產、優(yōu)質、高效、生態(tài)、安全創(chuàng)造條件。同時，該系統(tǒng)通過手機、PDA、計算機等信息終端向農戶推送實時監(jiān)測信息、預警信息、農技知識等，實現(xiàn)溫室大棚集約化、網(wǎng)絡化遠程管理，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術在設施農業(yè)生產中的作用。本系統(tǒng)適用于各種類型的日光溫室、連棟溫室、智能溫室。該系統(tǒng)包括：傳感終端，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊，通信傳輸模塊，控制模塊，執(zhí)行機構，工

3、業(yè)計算機終端和人機交互界面軟件平臺，如下圖所示。（1）傳感終端 溫室大棚環(huán)境信息感知單元由無線采集終端和各種環(huán)境信息傳感器組成。環(huán)境信息傳感器監(jiān)測空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度等多點環(huán)境參數(shù)，通過無線采集終端以GPRS方式將采集數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心，以指導生產。1）溫濕度監(jiān)測通過溫濕度傳感器監(jiān)測大棚室外空氣環(huán)境溫濕度、室內空氣環(huán)境溫濕度、地表溫濕度、土壤溫濕度等，并能對數(shù)據(jù)進行采集、分析運算、控制、存儲、發(fā)送等。2）光照度監(jiān)測通過光感和光敏傳感器監(jiān)測記錄溫室大棚內光線的強度，可以直接與相關的補光系統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)等設備相連，必要時自動打開相關設備。最后通過傳輸技術將相關數(shù)據(jù)傳送到用戶

4、監(jiān)控終端。3）CO2濃度監(jiān)測在溫室大棚內部署二氧化碳濃度傳感器，實時監(jiān)測溫室中二氧化碳的含量，當濃度超過系統(tǒng)設定闕值范圍時，通過無線傳輸技術將相關數(shù)據(jù)傳送到用戶監(jiān)控終端，由相關工作人員做出相應調整。4）分區(qū)域檢測同一個棚內劃區(qū)域控制管理，可實現(xiàn)每個種植區(qū)不同溫濕度、不同氣體配置等環(huán)境技術指標。用戶可以通過上位機來監(jiān)測、查詢各區(qū)域的數(shù)據(jù)。也可以分塊進行單獨控制和整體協(xié)調控制。5）報警控制用戶可設定某些參數(shù)指標的上限和下限。比如大棚溫度應在30-15攝氏度之間，高于或低于這個溫度范圍都會產生報警信息，并在上位機中控平臺和現(xiàn)場控制節(jié)點顯示出來。6）節(jié)點故障通知現(xiàn)場控制節(jié)點出現(xiàn)故障時可及時以中心服務器

5、平臺、手機短信、報警信息等方式通知管理者。7）備用冗余功能為了避免設備故障及異常帶來不便，影響作物的生長。設備可進行擴展冗余，當設備出現(xiàn)故障時，輔助設備進行切換。從而實現(xiàn)連續(xù)無故障運行，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。（2）通信終端及傳感網(wǎng)絡建設 溫室大棚無線傳感通信網(wǎng)絡主要由如下兩部分組成：溫室大棚內部感知節(jié)點間的自組織網(wǎng)絡建設；溫室大棚間及溫室大棚與農場監(jiān)控中心的通信網(wǎng)絡建設。前者主要實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集及傳感器與執(zhí)行控制器間的數(shù)據(jù)交互。溫室大棚環(huán)境信息通過內部自組織網(wǎng)絡在中繼節(jié)點匯聚后，將通過溫室大棚間及溫室大棚與農場監(jiān)控中心的通信網(wǎng)絡實現(xiàn)監(jiān)控中心對各溫室大棚環(huán)境信息的監(jiān)控。1）大棚現(xiàn)場布點大棚

6、現(xiàn)場主要負責大棚內部環(huán)境參數(shù)的采集和控制設備的執(zhí)行，采集的數(shù)據(jù)主要包括農業(yè)生產所需的光照、空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤水分、CO2濃度等參數(shù)。傳感器的數(shù)據(jù)上傳采用低功耗有線傳輸模式，傳感器數(shù)據(jù)通過有線傳輸模塊將數(shù)據(jù)無線傳送到網(wǎng)絡中心節(jié)點上，用戶終端和一體化控制器間傳送的控制指令通過無線發(fā)送模塊傳送到中心節(jié)點上。中心節(jié)點再經過邊緣網(wǎng)關將傳感器數(shù)據(jù)、控制指令封裝并發(fā)送到位于internet上的系統(tǒng)業(yè)務平臺。用戶可以通過有線網(wǎng)絡/無線網(wǎng)絡訪問系統(tǒng)業(yè)務平臺，實時監(jiān)測大棚現(xiàn)場的傳感器參數(shù)，控制大棚現(xiàn)場的相關設備。2）控制終端 溫室大棚環(huán)境智能控制單元由測控模塊、電磁閥、配電控制柜及安裝附件組成，通

7、過GPRS模塊與管理監(jiān)控中心連接。根據(jù)溫室大棚內空氣溫濕度、土壤溫度水分、光照強度及二氧化碳濃度等參數(shù)，對環(huán)境調節(jié)設備進行控制，包括內遮陽、外遮陽、風機、濕簾水泵、頂部通風、電磁閥等設備。3）視頻監(jiān)控系統(tǒng) 作為數(shù)據(jù)信息的有效補充，基于網(wǎng)絡技術和視頻信號傳輸技術，對溫室大棚內部作物生長狀況進行全天候視頻監(jiān)控。該系統(tǒng)由網(wǎng)絡型視頻服務器、高分辨率攝像頭組成，網(wǎng)絡型視頻服務器主要用以提供視頻信號的轉換和傳輸，并實現(xiàn)遠程的網(wǎng)絡視頻服務。在已有Internet上，只要能夠上網(wǎng)就可以根據(jù)用戶權限進行遠程的圖像訪問，實現(xiàn)多點、在線、便捷的監(jiān)測方式。4）監(jiān)控中心 監(jiān)控中心由服務器、多業(yè)務綜合光端機、大屏幕顯示系

8、統(tǒng)、UPS及配套網(wǎng)絡設備組成，是整個系統(tǒng)的核心。建設管理監(jiān)控中心的目的是對整個示范園區(qū)進行信息化管理并進行成果展示。 （3）應用軟件平臺 應用軟件平臺界面如下圖所示，該平臺可將土壤信息傳感器、空氣環(huán)境監(jiān)測傳感器、外部氣象傳感器、視頻信息等設備的基礎數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一存儲、處理和挖掘，通過中央控制軟件的智能決策，形成有效指令，通過聲光電報警指導管理人員或者直接控制執(zhí)行機構的方式調節(jié)設施內的小氣候環(huán)境，為作物生長提供優(yōu)良的生長環(huán)境。1）友好的用戶登陸管理界面規(guī)定用戶使用權限，不同用戶提供不同的操作權限，非用戶不能登陸系統(tǒng)，保證系統(tǒng)安全，操作簡單而富有人性化。2）實時歷史、曲線報表數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)將采集到的數(shù)

9、據(jù)信息以實時曲線的方式顯示給用戶，并根據(jù)需要按照日、月、季、年參數(shù)變化曲線生成歷史報表。便于對溫室大棚運轉情況進行分析做出改進，提高溫室大棚的生產效率。3）多種形式的報警功能，適合不同場合需要工作人員根據(jù)溫室大棚內的具體情況設置溫度、濕度等參數(shù)限值。在監(jiān)測時，如發(fā)現(xiàn)有監(jiān)測結果超出設定的閾值時，系統(tǒng)會自動發(fā)出報警提醒工作人員，報警形式包括：聲光報警、電話報警、短信報警、E-MAIL報警等。4）遠程控制現(xiàn)場采集設備將采集到的數(shù)據(jù)通過有線網(wǎng)絡傳輸?shù)街锌財?shù)據(jù)平臺，用戶從終端可以查看溫室大棚現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)，并使用遠程控制功能通過繼電器控制設備或模擬輸出模塊對溫室大棚自動化設備進行控制操作，如自動噴灑系統(tǒng)

10、、自動換氣系統(tǒng)、自動澆灌系統(tǒng)。5）監(jiān)控終端監(jiān)控終端通過可視化、多媒體的人機界面實現(xiàn)以下主要功能：溫室大棚內植物生長環(huán)境狀況全面顯示、查詢，包括各種參數(shù)、光照強度以及歷史數(shù)據(jù)等；向溫室大棚內監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)調度命令、調整設備運轉狀況，確保溫室內為植物生長最適宜環(huán)境。（4）方案創(chuàng)新點1）農業(yè)專家系統(tǒng)農業(yè)專家系統(tǒng)是把專家系統(tǒng)知識應用于農業(yè)領域的一項計算機技術。這項技術可根據(jù)農業(yè)生產流程的需要，有針對性的研究開發(fā)出一系列適合不同地區(qū)生產條件的實用經濟型農業(yè)專家系統(tǒng)，為農技工作者和農民提供方便的、全面的、實用的農業(yè)生產技術咨詢和決策服務。本方案所建立的專家系統(tǒng)可為大棚作物生長，管理，病蟲害防治以及提高產量等方

11、面提供預警，操作建議等服務。本智能系統(tǒng)根據(jù)前期建立的監(jiān)測裝置，記錄空氣溫度，濕度和CO2濃度，以及土壤水份、養(yǎng)分含量。利用攝像頭獲取近距離照片分析作物群體結構、長勢，進行病情診斷。本系統(tǒng)通過以上技術手段可達到溫室大棚內生產管理決策的準確、高效性。本系統(tǒng)可根據(jù)大棚作物種類，自動建立作物模擬模型，即由作物，環(huán)境，技術和經濟等要素構成作物生長整體系統(tǒng)。通過數(shù)學模型模擬作物生長發(fā)育、器官生成和產量形成等生理生態(tài)過程。系統(tǒng)可分析這些生理過程與環(huán)境、技術、經濟之間的數(shù)量關系，據(jù)此制定出作物高產栽培技術模型，為實現(xiàn)作物的高產、優(yōu)質、高效提供技術支持。2）PID模糊控制系統(tǒng)為了解決傳統(tǒng)方法難以對溫室大棚進行精

12、確控制的問題，本系統(tǒng)采用模糊PID控制方法。PID控制能使系統(tǒng)實現(xiàn)較高的控制準確度和較強的自適應性和魯棒性，同時又很大程度上提高了系統(tǒng)的靈活性，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能和靜態(tài)性能，從而獲得了良好的控制效果。所以，本系統(tǒng)提出在溫室溫度，濕度及CO2控制系統(tǒng)中引入模糊PID控制算法，實現(xiàn)依據(jù)溫室內農作物生長條件來調整控制系統(tǒng)，創(chuàng)造一個適合農作物生長發(fā)育的環(huán)境。 三、項目實施技術路線 開展項目調研（解當前設施農業(yè)集約化規(guī)模化生產急需解決問題）-收集資料（了解當前我國設施農業(yè)發(fā)展相關關鍵技術的背景與現(xiàn)狀）-制定項目實施方案（明確項目實施目標、步驟與過程以及資金的使用）-開展項目實施（按照項目進度計劃實施項

13、目）-過程監(jiān)督與組織（依據(jù)國家規(guī)定及財務制度全程監(jiān)督項目的實施情況）-組織驗收（依據(jù)驗收指標開展項目驗收）。 四、項目實施預期成果本項目研究的對象及技術新穎、內容對設施農業(yè)的現(xiàn)代化具有重要意義。項目完成后將提供控制軟件一套；發(fā)表論文1-2篇；生產設備一套；建設精準設施農業(yè)試驗示范基地一座。 五、項目實施進度安排2013年9月至12月 完成本項目科研資料的查新、收集，確定相關技術最近發(fā)展態(tài)勢，確保項目研發(fā)的先進性 2014年1月至5月 組織專業(yè)研究人員，確立研發(fā)方向，定制好相關配件，完成實施方案編制，建設項目試驗示范基地，保證項目科學、有序開展。 2014年7月至10月 開展項目設計與研發(fā)，相關

14、儀器設備的采購。 2014年11月至12月 完成儀器設備的安裝，開展項目調試；完善項目各控制系統(tǒng)的考核試驗。 六、項目實施組織形式1）組織領導以山西農機新技術服務中心為本項目的組織和領導單位，由中心主任張賽仕對本項目進行領導。以山西省農村新能源示范站為本項目的具體實施單位，由王曦負責本項目的技術調研、技術宣傳、技術培訓、技術示范、技術推廣等工作，最終負責轉化好本項目研究工作。2）科學管理項目示范基地建設完成后，由專人負責本項目的技術示范、技術培訓、技術服務工作，常年接待社會各界人士及農民學習和參觀。財務人員嚴把財務關，確保專款專用，防止擠占挪用，防止浪費，嚴格監(jiān)督專項資金的使用。嚴格物資管理制

15、度，對技術示范、技術培訓的所有設備，都要登記造冊，明確管理人員，防止丟失、損壞。3）建立技術和財務檔案各種物資一律登記歸檔。各種技術原始數(shù)據(jù)一律歸檔。各種圖紙、圖表一律存檔。各種財務報表一律入檔。各種參觀人員資料、示范戶資料一律存檔。 七、項目實施預算 項目實施年度財政資金預算表項目承擔單位： 單位：萬元項目名稱：日光溫室關鍵參數(shù)控制系統(tǒng)試驗開發(fā) 項目負責人：王曦立項時間：2013年7月財政撥款總預算數(shù)：8本年預算：15其中：財政撥款：8其他資金：72013-2014年度明細支出（按本年總支出填列，包括財政撥款和其他配套資金）序列支出類型備 注1設備費品 目 數(shù) 量預計金額工控機11.5視頻信息采集13.0傳感器