基于物联网的智慧温室大棚光热系统设计.pdf

江苏农机化 2024 5 为农业农村现代化提供重要的人才保障 江苏 省始终把农机技能人才培育工作摆在重要位置 选拔和培养了一大批全国五一劳动奖章 江苏省 五一劳动奖章获得者及 全国技术能手 江苏工 匠 土专家 等技能精英 在第四 第五届全国 农业行业职业技能大赛中 江苏代表队包揽了农 机驾驶员 农机修理工两个赛项的团体和个人第 1名 广大农机高技能人才活跃在农机化生产服 务一线 为推广应用农机化新技术 新装备 新模 式 促进农机化高质量发展 全面推进乡村振兴 作出了不可替代的贡献 下一步 江苏将以赛引才 对标一流 开门办 赛 打造农机技能竞赛一流品牌 吸引全省广大农 机从业人员关注竞赛 参与竞赛 以竞赛为纽带 同台竞技 展示技艺 交流经验 将以赛育才 充分 用好产教融合共同体 校企合作平台 人才创新联 盟等载体 建立技术规范 发布评价标准 建强专 家队伍 推动竞赛成果应用到生产服务一线 以竞 赛的机制化推动育人的常态化 将以赛促训 进一 步涵养壮大基层农机技能人才队伍 紧扣农机化 重大行动 重大项目 重点技术 深化基层技能培 训模式创新 以竞赛引领培训提质增效 将以赛促 学 选树高技能人才典型 进一步探寻完善工匠 大师的技能成长成才 筑梦圆梦之路 用榜样的力 量鼓舞人 用先进的事迹激励人 营造好学习知 识 锤炼技能 崇尚创造的良好氛围 作者单位 江苏省农机化服务站 收稿日期 2024 09 29 理论知识竞赛 科 研 开 发 基于物联网的智慧温室大棚 光热系统设计 李艳 1 吴忠贤 2 刘晨 3 朱鑫霞 4 雷任雄 5 周翔 6 摘要 文章针对温室大棚光热环境监测与控制的需 求 设计了一套基于物联网的智慧温室大棚光热监 测系统 该系统基于物联网技术构建 以PLC控制 器为核心 整合传感器采集系统和智能控制单元 实现对温室内部环境 如气温 相对湿度 光照强 度 CO 2 浓度等指标 的实时监测与控制 测试结果 表明 该系统可以有效提高温室大棚的管理效率 降低人工成本 提升作物产量和品质 实现绿色环 保生产目标 关键词 物联网 温室大棚 光热系统 传感器 远程 操控 0 引言 随着科技的快速发展 农业生产方式逐步向 智能化 自动化方向转变 物联网技术的应用 使得温室大棚能够实时获取温度 湿度 光照 CO 2 浓度等环境参数 并通过数据分析和智能决 策 优化作物的生长环境 提高农产品的产量和 品质 1 3 本文针对温室大棚光热环境监测与控 制的需求 研发了一套基于物联网的智慧温室大 棚光热监控管理系统 该系统基于物联网技术 构建 以PLC控制器为核心 整合传感器采集系 5 DOI 10 16271 ki jsnjh 2024 05 003 江苏农机化 2024 5 统和智能控制单元 实现对温室内部环境 包括 气温 相对湿度 光照强度 CO 2 浓度等指标 的实 时监测与控制 4 6 1 系统总体框架设计 本设计运用物联网技术对温室大棚内的光 照和温度进行监测和控制 系统包括感知层 传 输层及应用层三部分 感知层主要部署在温室 大棚内 包括多种环境监测传感器 如光照强度 传感器 温湿度传感器等 负责收集大棚内的光 热数据 并通过执行器控制模块实现环境的自动 调节 通过4G模块实时上报数据 并接收上层 下发的控制指令 以实现对环境的精准调控 传 输层包括核心网络和4G网关 负责业务数据的 传输 应用层包括数据可视化界面和用户操作 界面 负责数据的展示和用户交互 通过有人云 平台 不仅可安全存储数据 还能对数据进行深 入分析 以优化温室管理 用户可以通过电脑或 移动设备查看实时数据 历史数据 并可根据系 统推荐或自定义设置进行环境调控 系统通过对各传感器监测数据的综合分析 有针对性地生成用于控制调控装置的执行指令 以解决传统温室管理中响应不及时的问题 构 建智能监控系统核心目的是通过大棚内分布的 各种传感器模块采集关键环境参数 然后利用传 输模块将数据传输至中央控制系统 再通过云平 台实现数据的远程监控和管理 用户可以根据 实时环境信息 对温室内相关设备 如补光灯 风 扇 遮阳网等 进行智能控制 确保植物生长在最 适宜的环境中 为提升温室大棚的智能化管理水平 实现对 温室大棚的 云管控 设计并开发了温室大棚远 程管理系统 该系统由系统管理 环境监测 自 动化控制 安全预警四大部分构成 系统整合利 用安装在温室大棚现场的多种传感器设备 智能 控制单元 高清摄像头等硬件设施 实现对大棚 内环境的实时监测 环境自动调控 异常情况报 警以及平台管理等功能 1 系统管理 包括用户管理 后台支持及设 备维护 增设权限分配与审计跟踪功能 支持多 级权限和系统日志记录 便于问题追踪和优化 以确保操作安全性与数据可追溯性 2 环境监测 除实时监控大棚内光热环境 数据外 增加土壤湿度 CO 2 浓度监测功能 支持 多维数据分析 包括时间序列对比分析等 为精 准决策提供支持 3 自动化控制 引入智能学习算法 根据历 史数据和天气预报自动调整控制策略 自动调节 补光灯亮度和加热板温度 优化能源使用和作物 生长环境 4 安全预警 功能扩展至设备故障预警和 紧急事件响应 系统在检测到设备异常时 能发 出故障预警 在发生紧急情况 如火灾 时 能快 速启动响应程序 与本地消防系统联动 确保大 棚安全 2 硬件系统设计 2 1 智能光强调控系统设计 光照强度调控对温室大棚作物的生长至关 重要 传统的依赖人工检测和调整光照的方法 不仅耗时费力 而且难以实现精确控制 为此 本文设计并开发了一套基于RS485通信的智能光 强调控系统 该系统能够实现24小时不间断的 光照监测和自动调控 系统由传感器模块 控制 单元和通信接口组成 光照传感器连接方式 见图1 传感器模块主要包括BH1750光照强度传感 器 安装支架和防护罩等 BH1750传感器能够 实时监测大棚内的光照强度 测量范围为0 65535lx 具有监测精度高和快速响应的特点 该传感器的输出可以通过I2C总线转接为RS485 信号 方便与控制单元的数据交互 图1 光照传感器连接方式 6 江苏农机化 2024 5 控制单元采用高性能的西门子200smartPLC 接收传感器模块传来的光照数据并进行数据处 理和分析 通过中间继电器调节大棚内部的人工 光源强度 以确保作物得到最佳的光照环境 RS485通信接口具有优越的抗干扰能力和长 距离传输特性 使得系统能够覆盖更大的农业大 棚区域 这种接口支持多点通信 能够连接多个 设备 确保数据传输的安全性和稳定性 通过 RS485网络 传感器信息可以有效地传输到中央 控制系统 确保整个系统的协调一致 提高整个 光照控制系统的响应速度和操作效率 从而实现 高效的光照管理 优化作物生长环境 2 2 智能温度调控系统设计 温度是衡量温室大棚内作物生长环境质量 的重要指标之一 直接影响作物的生长活力 在 智慧温室大棚的运行过程中 当温度低于或高于 设定的阈值时 如未及时采取调温措施 作物可 能会因不适宜的温度条件而生长受损或死亡 调温设备主要有加热板和遮阳网等 其中 加热 板通过电热元件产生热量 提升大棚内的温度 而遮阳网则通过遮挡部分阳光来降低温度 图2 为作物加热板温度控制图 本文设计的智能温度调控系统主要由温度 传感器 PLC控制器 加热板以及遮阳网等几个关 键组件构成 系统管理员可以利用专为大棚设 计的远程管理平台 设置和调整所需的温度参 数 系统核心功能是实时监控大棚内的温度 并 将其与预设的目标温度进行比较 这种动态监 测可保证温度控制的精确性和及时性 当监测 到大棚内的温度低于预设值时 系统会自动激活 加热板 以增加内部温度 反之 如果检测到温度 超过设定值 系统则会自动部署遮阳网 通过遮 挡部分阳光来降低温度 3 温室远程管理系统设计 3 1 系统架构设计 智慧温室大棚光热监测系统的架构如图3 所示 包括传感器终端 控制器 执行设备和远 程控制端 远程控制端主要用于保存并查询各 种设备数据 包括传感器收集的历史信息 以及 业务信息 用户能够通过手机Android应用和 计算机的Web界面管理平台 检查和搜索关于温 室环境的实时数据 历史数据以及专家的分析 报告 系统的智能控制柜主要包括智能网关 智能 控制器 电源等设备 智能网关作为本地硬件设 备与云服务器之间的数据传输中介 使用西门子 200smartPLC作为主控制器 负责处理由温度传 感器采集的参数和控制执行机构的任务 数据 交换通过PLC与智能网关完成 后者内置物联网 卡 并通过4G网络与服务器通信 系统使用的通信协议是MQTT 消息队列遥测 传输 这是一种轻量级的发布 订阅模式通信协 议 适合物联网 小型设备和移动应用等应用场 景 智能网关作为MQTT客户端 同时承担发布者 和订阅者的角色 实现了双向通信功能 确保数 据及时上传和控制指令的精确执行 智能网关 承担了重要的数据通信角色 定期向MQTT服务订 阅的特定主题发送关于光热等环境因素的数据 图2 作物加热板温度控制图 图3 温室远程管理系统架构图 eb 7 江苏农机化 2024 5 周期性数据上报确保了信息的实时性和准确性 智慧温室管理平台也订阅了相同的主题 使得平 台能实时接收来自现场的最新环境数据 从而进 行有效的数据监控和分析 当温室管理需要进 行环境调整时 操作人员可以通过管理平台发出 具体的控制指令 这些指令被智能网关捕捉并 解析 由智能网关将这些指令转换成数据包发送 给PLC 可编程逻辑控制器 PLC根据接收的数 据包执行相应的操作 如调整温度或改变光照强 度 以满足作物生长的需求 远程监控和控制 模块极大地方便了管理人员的工作 提高了温室 管理的自动化水平 使得温室环境更加稳定和适 宜作物生长 3 2 智能温室大棚管控平台设计 本设计采用了B S架构的分层模式 确保了 数据的流畅传输和完整性 同时增强了数据的安 全性 Web端平台包括监测模块 远程控制模块 生长视频监控模块和农业管理模块 监测模块 负责对温室大棚内的光热环境参数进行实时监 控和预警 并能展示历史数据 便于用户追踪了 解环境变化 远程控制模块允许用户远程操作 加热设备 补光灯等关键设施 并通过集成的视 频监控功能 实现对温室作物生长状况的实时观 察 此外 平台支持记录和调度农事活动 能够 存储和分析温室面积 种植作物种类及各种植区 域作物生长情况等重要信息 4 结语 本文设计了一套基于物联网的智慧温室大 棚光热监测系统 应用物联网技术在多个温室大 棚区域部署光热监测设备 对数据进行实时收 集 有效克服了温室大棚数据收集难 精度低的 问题 开发的智能环境调控系统允许操作人员 通过温室管理平台设置设备参数 以精确地控制 现场的加热和光照设备 实现环境条件的精细调 整 从而减少了生产成本 所设计的智能温室管 理平台可以远程监控和调控光照和温度 增强了 远程管理效率 该系统在江苏南京国家农业高 新技术产业示范区温室大棚基地进行实地测试 运行效果良好 参考文献 1 王生 物联网背景下智慧温室大棚蔬菜种植技 术 J 农业工程技术 2024 44 15 74 75 2 李帅 基于物联网的温室大棚环境智慧控制系 统研发与应用 J 智慧农业导刊 2024 4 9 5 8 3 朱婧玮 智慧农业温室管控系统研究 J 南方 农机 2023 54 14 58 61 4 田朝杰 汪婷 陆翔 物联网和大数据技术在温 室大棚农业生产中的应用 J 农业工程技术 2023 43 17 22 23 5 朱凯 李鹏 基于开源物联网技术的温室环境 监测系统设计 J 农机化研究 2024 46 12 204 207 6 彭丽红 物联网技术在温室环境控制系统中的 应用 J 农业科技与信息 2022 23 112 115 基金项目 2023年江苏省现代农机装备与技 术示范推广项目 NJ2023 44 作者单位 1 南京源昌新材料有限公司 2 南京农业大学 3 江苏省农业机械试验鉴定站 4 江苏省职业农民培育指导站 5 江苏省现代农业装备科技示范中心 6 江苏省农机化服务站 收稿日期 2024 07 29 8