设施农业的远程智能管理系统
一、 前言................................................................................................................................... 1
1．1 设施农业的概念 ............................................................................................................. 2 1．2 设施农业的发展背景和技术要点 ................................................................................. 2 二、 方案原理 ........................................................................................................................... 2
2．1 网络架构 ......................................................................................................................... 2
2．1．1 设施农业现场数据采集 ................................................................................... 3 2．1．2 鸡舍养殖业现场数据采集 ............................................................................... 3 2．1．3 中国移动网络 ................................................................................................... 3 2．1．4 信息发布 ........................................................................................................... 3 2．2 采集原理 ......................................................................................................................... 4 2．3 数据架构 ......................................................................................................................... 5
2．3．1 数据采集层 ....................................................................................................... 6 2．3．2 数据采集中层 ................................................................................................... 6 2．3．3 数据应用层 ....................................................................................................... 6 2．4 设计原则 ......................................................................................................................... 7 三、 系统功能 ........................................................................................................................... 7
3．1 功能架构 ......................................................................................................................... 7 3．2 功能特点 ......................................................................................................................... 8
3．2．1 数据采集 ........................................................................................................... 9 3．2．2 数据查询 ........................................................................................................... 9 3．2．3 数据分析与诊断 ............................................................................................... 9 3．3 产品特点 ....................................................................................................................... 10
3．3．1数据采集与传输设备 ...................................................................................... 10 3．3．2 温湿度采集仪 ................................................................................................. 11 3．3．3 空气质量测试议 ............................................................................................. 12 3.3.4 手机终端 ............................................................................................................. 13
四、 设施农业智能系统体验室的建设 ................................................................................. 13
4．1 中央控制器部分所需硬件配置和费用预算 ............................................................... 13 4．2 单个大棚所需硬件配置和费用预算 ........................................................................... 13 4．3 单个鸡舍所需硬件配置和费用预算 ........................................................................... 14 五、 项目收益 ......................................................................................................................... 14
5．1 工作效率上得到极大的提高 ....................................................................................... 14 5．2 自动分析报警 ............................................................................................................... 15 5．3 运行成本低 ................................................................................................................... 15 5．4 经济效益显著 ............................................................................................................... 15
一、 前言
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1．1 设施农业的概念
设施农业属于技术密集型的产业。它是利用人工建造的设施，使传统农业逐步摆脱自然的束缚，走向现代工厂化农业、环境安全型的现代农业。同时也是农产品打破传统农业的季节性，实现农产品的反季节上市，进一步满足多元化、多层次消费需求的有效方法。
1．2 设施农业的发展背景和技术要点
20世纪80年代以来，设施农业发展很快，特别是欧美、日本等一些发达国家，目前已经普遍采用计算机控制的大型工厂化设施，进行恒定条件下全年候生产，效益大为提高；在社会主义市场经济条件下，我国的设施农业以其较高的科技含量、市场取向的新机制、短平快的产销特点、效益显著的竞争力，取得了快速发展，改善了传统农业的生产方式、组织方式和运行机制，提高了农业科技含量和物质装备水平，成为现代农业重要的生产方式。
设施农业远程智能系统是指利用现代电子技术、移动网络技术、计算机及网络技术及网络技术相结合，将农业、养殖业生长最密切相关的空气的温度、湿度及土壤温度湿度等数据通过各种传感器以RS485总线动态的采集，并利用中国移动的3G TD网络技术，将数据及时传送到智能专家平台，使设施农业管理人员、农业专家通过手机或手持终端就可以及时掌握农作物的生长环境，及时发现农作物的生长症状，及时采取有效的控制措施，达到最大限度的提高农作物生长环境，降低运营成本，提高生产量，增加劳动效益。
二、 方案原理
设施农业远程智能系统主要通过温度传感器、湿度传感器和温控仪、湿控仪、空气测试仪相连接，再通过RS485总线和数据采集与传输设备相连，将温度、湿度等数据实时地通过中国移动的TD或GPRS网络送到远程智能系统，再将数据通过手机或手持终端发送给农业人员、农业专家、给农业专家的远程指导、方案决策提供数据依据。
2．1 网络架构
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图1 网络拓朴图
2．1．1 设施农业现场数据采集
设施农业现场主要以大棚生产为主，地理环境复杂、区域颁广是设施农业共同的特点，为此我们采用无线分布式数据采集，如上图1所示，将每个棚中数据采集的温控仪、湿控仪等通过RS485总线串联起来，再连接到数据采集和传输设备，通过中国移动网络的TD/GPRS无线传输到远程智能系统；
2．1．2 鸡舍养殖业现场数据采集
鸡舍养殖业现场主要以鸡舍为主，其区域分布广，一般有多个鸡舍，为此我们采用无线分布式数据采集，如上图1所示，将每一个鸡舍数据采集的温控仪、湿控仪、空气采集仪等通过RS485总线串联起来，再连接到数据采集和传输设备，通过中国移动网络的TD/GPRS无线传输到远程智能系统；
2．1．3 中国移动网络
中力移动网络主要为远程传输、无线发布提供高效率的传输网络平台；
2．1．4 信息发布
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信息发布主要通过移动网络（TD、GPRS等）将采集的空气温度湿度和土壤的温度、温度等通过手机/手持终端及时、快速地传送到设施农业人员、农业专家手中，以便及时掌握农作物的生产环境，避免因为自然环境的变化给农作物带来不利的生长环境，也不会因为设施农业人员不在现场而得不到及时信息，也为农业专家的远程指导提供良好的保证。
2．2 采集原理
根据设施农业大棚区域分布广及采集现场相对比较复杂、综合布线难度大等特点，在数据采集方式上不同于传统的工业自动化总线方式，考虑中国移动网络的覆盖区域广、信号相对稳定，我们选用工业总线和无线网络技术相结合方式，实现分片采集、广域传输，我们以一个大棚为倒，如下图2、图3所示：
图2 设施农业大棚数据采集原理
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图3 鸡舍养殖业数据采集原理
根据上图所示，在进行数据采集时，交空气温/湿度传感器、土壤温湿度传感器安置于设施农业现场，并联接到智能仪表，考虑大棚内区域较大，我们采用多点测量，即空气温湿度4个点、土壤温湿度4个点，通过RS485总线将智能仪表和数据采集与传输设备进行物理连接，将智能仪表采集的温度湿度，再通过中国移动网络的GPRS将数据通过短信方式发送到现场管理人员、农业专家等，减少了大量的现场综合布线，节约了大量的人力、物力和财力，也提高系统的可维护性。
2．3 数据架构
设施农业远程智能专家系统从数据架构上采用先进的三层架构模式，即数据采集、数据集中层和数据应用层，如下图4所示：
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图4 设施农业数据架构
2．3．1 数据采集层
数据采集层主要对设施农业现场作物生长大棚里空气温度、湿度和土壤的温度、湿度的数据采集，采集方式为周期性自动采集，采集周期可根据用户要求设定。
2．3．2 数据采集中层
主要对采集的数据进行周期性的存储，为数据应用提供数据依据，也为农业专家的远程指导提供数据依据；
2．3．3 数据应用层
考虑农业现场环境比较恶劣，信息化设施可能不到位，由于手机的普及化程度较高，中国移动网络的覆盖面积广，数据应用主要通过手机短信方式将数据及
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时传送给现场设施农业人员及农业专家。
2．4 设计原则
先进性
采用先进的系统架构体系和基于3G的网络通讯技术设备，做到配置和平共处技术应用的先进； 经济、实用性
设施智能系统以实用性为原则，充分利用现代化信息技术、移动通讯技术、在系统整体设计、硬件选型时结合企业现有系统实际情况，确定了合理、高性价比的建设方案； 开放、可扩展性
软件、硬件平台均采用模块化设计与开发，具有良好 的可扩充、扩展能力，能够非常方便地进行系统升级和更新，以适应今后业务的不断发展，并提供与系统的数据接口； 易于管理维护
由于主干网和数据通迅多采用无线通迅技术和中国移动的3G通迅技术，减速少了复杂的人工布线，以便于管理和维护。
三、 系统功能
设施农业远程智能系统通过农作物生长现场的空气温度、湿度等数据采集，让设施农业人员、农业专家等实时掌握农作物的现场生活环境，并结合农作物不同的生长周期（如：开花期、结果期）、不同的季节对温度、湿度的要求，进行人为干预、专家指导，以保证农作物有一个合适的生长环境；鸡舍养殖业根据主要以蛋鸡为主，根据对小鸡成长的三要素：温度、湿度和空气质量（氨气、二氧化碳和空气灰尘的会含量）的数据采集，实时了解鸡舍的温度、湿度和空气质量。对由于天气原因、自然灾害导致的温度、湿度和控制质量变化，通过手机短信及时通知鸡舍管理人员，通过人工预及时处理，保证小鸡有个良好的成长环境。
3．1 功能架构
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图5 系统采用C/S与移动TD/GPRS技术相结合的应用架构
3．2 功能特点
设施农业远程系统从功能特点上分为4个模块，主要包括数据采集、数据查询、分析、报警等，如下图6所示：
图6 设施农业远程智能专家系统架构图
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3．2．1 数据采集
数据采集是设施农业远程系统的基本功能，数据采集通过数据采集与传输设备和温度传感器、湿度传感器通过RS485总线连接，通过通讯协议轮训式问答，实时采集每台智能仪表的数据，包括：空气的温度、湿度和土壤的温度、湿度及空气气体含量（主要是NH3、CO2），再通过中国移动网络的GPRS，以手机短信方式将数据传送到设施农业管理人员、农业专家，如下表1所示：
表1 数据采集
3．2．2 数据查询
数据查询用于查询历史一段时间内数据变化情况，可查询历史任意时间及时间段查询每个大棚的历史数据，并通过图表的方式直观地展现给设施农业管理人员、农业专家等，如下表2所示：
表2 数据查询
3．2．3 数据分析与诊断
设施农业远程智能系统提供很高级的数据分析，可同时对某一数据或多个数据进行历史数据分析，分析方式可通过曲线、图标、棒图、饼图等，能过一段时间内的数据变化趋势及异常数据出现的频率高低，可能历史时间内的温度变化、湿度变化进行分析，诊断出家作物不同生长周期、不同的季节生产的最佳温度湿度等，给农业专家的远程指导、现场管理人员的协调指挥提供数据依据。
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3．2．4 数据报警
数据报警是设施农业远程智能专家系统的重要功能，数据报警包括越上限报警、越下限报警、越上上限报警和越下下限报警，需要预先将每个数据的上限值、下限值、上上限值和下下限值进行设定，定值可根据农作物种类、不同的生长周期、不同的季节进行修改，当某个数据超过上限或上上限、低于下限或下下限时，系统立即发出报警信息，报警信息包括报警时间、报警值、限值，并通过手机短信及时发送给设施农业管理人员、农业专家等，以便管理人员及时进行人工调节，避免因天气变化、换季、自然灾害等原因造成温度、湿度变化给农作物带来不利的生条条件。
3．3 产品特点
3．3．1数据采集与传输设备
A. 功能
1. 定时采集设备控制系统数据
根据与设备控制系统协议，定时读取设备控制系统数据 2. 根据命令采集设备控制系统数据
通过智能通道平台的命令，临时读取设备控制系统数据 3. 向设备控制系统发送控制命令
通过智能平台的命令，临时读取设备控制系统数据 4. 远程更新设备控制系统软件
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通过智能通道平台，向设备控制系统发送软件，远程更新（根据与设备控制系统自定义协议）
B. 规格
1. 基于ARM9高速CPU，操作系统Linux 2. 提供两个RS485接口 3. 提供一个Ethnet接口 4. 支持1-4G SD卡 5. 广域网络
双三频工作模式：900、1800和1900MHz 支持短信和GPRS 速度最高支持115Kbit/s 6. 外形尺寸
90*110*45
C. 特性
1. 温度范围
-20—60℃ 2. 湿度
0—90% 无凝露 3. 电磁干扰
满足EMI/EMC要求 4. 电压电流
2V，3A 5. 硬件看门狗
3．3．2 温湿度采集仪
WS2000温湿度测量仪表，具有线性化处理电路抗干扰设计，仪表、变送器和传感器组成一套湿湿测量仪表，WS2000温湿测量仪表具有测量准确度高，性能稳定等特点。 技术参数：
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3．3．3 空气质量测试议
GS2000定空气质量测试议，采用国际先进的传感器技术、检测精度高、反应时间短，可实时检测空气中氧气、硫化氢、氨气、一氧化碳、二氧化碳含量。 技术参数：
仪器类型：在线式气体检测装置 工作方式：连续检测 传感器：接插式电化学传感器
量程分辨率：CO（一氧化碳）：0-1000ppm，1ppm CO2（二氧化碳）：0-1000ppm,1ppm H2S（硫化氢）：0-100ppm,1ppm O2(氧气)：0-30%vol,0.1%vol NH3(氨气)：0-20ppm,0.1ppm Cl2（氯气）：0-20ppm,0.1ppm 工作温度：-20—50℃ 工作湿度：＜95%RH(非冷凝) 工作压力:86-106Kpa 响应时间: ＜60S(T90) 检测误差: ＜5%F.S 工作电压:165-265V AC
输出信号:4-20mA信号输出,两级继电信号开关量输出(220V/3A)
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防护等级:IP66 最大功率:7W
外型尺寸:220*210*80mm 重量:≤2.5Kg
3.3.4 手机终端
手机终端需要符合以下条件
1. Windows Mobile 5.0以上,Windows CE5.0以上,Symbian Series60 2. CPU 500MHz以上 3. 缓存2M以上
4. Java支持MIDP2.0以上,CLDC1.0以上
四、 设施农业智能系统体验室的建设
计划建设含有一个大棚和一个鸡舍的系统体验室。项目总投资约8万人民币,包括硬件部分、软件部分和集成实施部分，详细的硬件设置和费用预算说明如下：
4．1 中央控制器部分所需硬件配置和费用预算
4．2 单个大棚所需硬件配置和费用预算
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4．3 单个鸡舍所需硬件配置和费用预算
五、 项目收益
5．1 工作效率上得到极大的提高
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设施农业远程智能系统实时采集农作物生长的温度、湿度、空气气体含量，周期性存储，实时、准确、数据量大，同时它给数据分析提供了前提和基础，这是手工测量无法实现的，手工测量不仅周期长、耗时多，测量的准确性较差，不能确保每次都能提供可靠、准确的基础数据。
5．2 自动分析报警
在温度、湿度出现异常时，系统会立即通过手机短信发送给用户，保证用户发现问题立即解决，不会因为自然环境的影响给农作物带来不利的生长环境，使农作物在一个合适的环境下生产，这是人工测理无法达到的。
5．3 运行成本低
该系统的运行成本很低，可大大减少农业专家到现场指导所用的人力物力。
5．4 经济效益显著
设施农业远程智能系统让用户实现了解决农作物生产的温度、湿度，大大减少了人工测量所需的人力、物力；设施农业智能专家系统让农业、养殖业始终处在一个合适的温度、温度下生长，不会因为外界环境的变化引起共蕾脱落、育苗枯死等现象，从而导致农业少产、减产，所以此系统大大提高了农作物的产量，经济效益明显提高了。
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