设施农业环境小气候无线监测技术设计与应用

2015年第三届天津市大学生物联网创新与工程应用设计竞赛参赛作品文档参赛作品名称：_设施农业环境小气候无线检测技术设计与应用_学校天津***学院计算机与信息工程学院团队名称****指导教师曹**刘**参赛成员万*李**魏**目录一、2015第三届天津市大学生物联网创新与工程应用设计竞赛登记表.......1二、作品文档方案部分...............................................21.方案概述......................................................22.作品的创新点：................................................43.系统实现原理..................................................54.硬件设计.....................................................75.软件设计......................................................96.系统测试及结果................................................97.程序源代码...................................................13三、Video1一、2015第三届天津市大学生物联网创新与工程应用设计竞赛登记表题目设施农业环境小气候无线监测技术设计与应用学校及学院天津农学院计算机与信息工程学院学生姓名1万*专业班级14物联网一班联系方式（手机、邮箱）1872211****学生姓名2李**专业班级14物联网一班联系方式（手机、邮箱）1366200****学生姓名3魏**专业班级14物联一班联系方式（手机、邮箱）1392071****指导教师曹**、刘**作品关键词设施农业、无线监测、环境气候作品摘要设施农业环境小气候无线监测技术是一种环境监测仪器，可对日光温室的空气温度、地（基质）温度、空气湿度、露点温度、光照强度进行实时监测。测量信息在中文液晶屏上直观的显示出来，同时可根据用户设置的适宜条件判断当前环境因素是否符合用户所种植作物的当前生长阶段，并把所测环境参数值、管理作物方法及仪器本身的工作情况等信息通知用户。仪器可随时将所测量值其存入存储器中，同时通过串行通讯口把数据发送给计算机。仪器配有上位机软件，可以对下位机进行参数设置、显示实时数据列表和曲线、显示历史数据列表和曲线、历史数据分析等操作。主要参考文献1.何希才，白广存，微型计算机温室环境监控管理系统[J]．电子技术应用，1996，(3)：9-10.2.张瑞华，温室环境自动监控[J]．计算机与农业，2002。(2)：8-10.3.陈建恩，王立人，苗香雯，温室数据采集系统远程通信接口设计研究[J]，农业工程学报，2003，19(4)：259—263.4.刘锦，张岩，张荣辉.基于物联网架构的温室环境监测系统[J]河北农业大学学报，2013，36(3)：115—1195.刘洋，张钢，韩璐.基于物联网与云计算服务的农业温室智能化平台研究与应用[J]．计算机应用研究，2013，30(11)：3331-3335.6.成小良，邓志东.基于ZigBee规范构建大规模无线传感器网络[J]．通信学报，2008，29(11)：158—164.备注★特别声明提交内容均原创，作品属于参赛选手，大赛组委会有发布权和使用权。2二、作品文档方案部分1.方案概述（1）背景设施农业生产具有高投入、高产出、高技术含量和高附加值等特点。自2007年天津市九次党代会召开以后，天津市委、市政府就开始部署实施设施农业的“4412”工程，设施农业建设成为全市农业最大经济增长点。通过几年的建设，取得的成效非常显著：增加了农民收入、推动了农业发展方式的转变、促进了科技研发与转化、加快了农产品质量安全体系建设等。但还存在着资金投入不足、土地流转慢、农民积极性不高、科技支撑力度小等一系列问题。发展设施农业仍然是当前天津市现代都市农业建设中的一项头等大事。为打造沿海都市型现代农业发展格局，建设稳定的城市农副产品供应基地，天津市大力发展设施农业并取得显著成效、截至2014年，天津市设施农业累计总面积已达到80万亩，确保了蔬菜设施化生产能力的大幅提升，同时，全市已建成工厂化农业科技示范园区22个，直接带动40多万名农民增收。据调查，种植业设施生产平均每公顷效益为117300元，平均每公顷投入33945元，其收益高于种粮收益26倍。可见，设施农业是农业增效、农民增收的一条重要途径。目前我市设施农业综合环境调控能力较差，温室生物环境信息获取手段落后，温室管理技术水平低下，导致设施农业发展后劲不足。尤其是蔬菜生产,存在着凭传统经验、单产水平较低等弊病。使得我市设施农业生产始终处于“高投入、低产出”的粗放型管理状态。（2）应用领域本项目提出的设施农业环境小气候无线监测技术在温室智能化管理中发挥日益重要的作用。它是一项科技含量高、管理精细的系统工程，把温室生物、环境、工程结合成有机整体，综合分析各项因素，为种植户提供直观、易懂、准确的环境信息，从而实现科学管理、科学种植。（3）国内外研究现状①国外状况世界发达国家如荷兰、美国、以色列等大力发展集约化的温室产业，温室内温度、光照、水、气、肥实现了计算机调控，从品种选择、栽培管理到采收包装形成了一整套完整的规范化技术体系。3美国是最早发明计算机的国家，也是将计算机应用于温室控制和管理最早、最多的国家之一。美国有发达的设施栽培技术，综合环境控制技术水平非常高。环境控制计算机主要用来对温室环境(气象环境和栽培环境)进行监测和控制。以花卉温室为例，温室内监控项目包括室内气温、水温、土壤温度、锅炉温度、管道温度、相对空气湿度、保温幕状况、通窗状况、泵的工作状况、CO2浓度、Ec调节池和回流管数值、pH调节池和回流管数值；室外监控项目包括大气温度、太阳辐射强度、风向风速、相对湿度等。温室专家系统的应用给种植者带来了一定的经济效益，提高了决策水平，减轻了技术管理工作量，同时也为种植带来了很大方便。以园艺业著称的荷兰从20世纪80年代以来就开始全面开发温室计算机自动控制系统，并不断地开发模拟控制软件。目前，荷兰自动化智能玻璃温室制造水平处于世界先进水平，拥有玻璃温室1.2万多平方米，占世界1/4以上，有85％的温室用户使用计算机控制温室环境。荷兰开发的温室计算机控制系统是通过人机交互界面进行参数设置和必要的信息显示，可绘制出设定参数曲线、修正值曲线以及测量的数据曲线，可以从数据库内调出设定的时间段内参数以便于必要的数据查询，并能直接对计算机串行口进行操作，完成上位机与下位机之间的通信。上位机软件集参数设置、信息显示、控制等功能于一体，同时还能够很好地完成温室灌溉和气候的控制和管理。此外，国外温室业正致力于向高科技方向发展。遥测技术、网络技术、控制局域网已逐渐应用于温室的管理与控制中。控制要求能在远离温室的计算机控制室就能完成，即远程控制。另外该网络还连接有几个通讯平台，用户可以在遥远的地方通过形象、直观的图形化界面与这种分布式的控制系统对话，就像在现场操作一样，给人以身临其境之感。②国内状况我国农业计算机的应用开始于20世纪70年代，80年代开始应用于温室控制与管理领域。20世纪90年代初期，中国农业科学院农业气象研究所和作物花卉研究所，研制开发了温室控制与管理系统，并开发了基于Windows操作系统的控制软件；90年代中后期，江苏理工大学毛罕平等人研制开发了温室软硬件控制系统，能对营养液系统、温度、光照、CO2、施肥等进行综合控制，是目前国产化温室计算机控制系统较为典型的研究成果。在此期间，中国科学院石家庄现代化研究所、中国农业大学、中国科学院上海植物生理研究所等单位也都侧重不同领域，研究温室设施的计算机控制与管理技术。“九五”期间，国家科技攻关项目和国家自然科学基金均首次增设了工厂化农业(设施农业)研究项目，并且在项目中加大了计算机4应用研究的力度，其中“九五”国家重大科技产业工程“工厂化高效农业示范工程”中，直接设置了“智能型连栋塑料温室结构及调控设施的优化设计及实施”的专题。20世纪90年代末，河北职业技术师范学院的闫忠文研制了作物大棚温湿度测量系统，能对大棚内的温湿度进行实时测量与控制。中科院合肥智能机械研究所研制了“农业专家系统开发环境—DET系列软件”和智能温室自动控制系统，能够有效地提高作物产量、缩短生长期、减小人工操作的盲目性。北京农业大学研制成功“WJG-1”温室环境监控计算机管理系统，采用了分布式控制系统。河南省农科院自动化控制中心研制了“GCS—I型智能化温室自动控制系统”，采用上位机加PLC的集散式控制方法，软件采用智能化模糊算法。中国农业大学设计研制的“山东省济宁大型育苗温室计算机分布式控制系统”，实现了计算机分布控制。（4）功能描述通过传感器技术对温室的气温、地温、空气湿度、露点、光照进行实时监测，并在中文液晶屏上直观的显示出来，同时可根据内嵌专家知识判断当前环境因素是否符合用户所种植作物的当前生长阶段，并把所测环境参数值（气温、地温、空气湿度、露点、光照）、管理作物方法（打开天窗或加温等等操作指示）及仪器本身的工作情况（传感器是否出现故障）等信息通知用户。仪器可随时将所测量值存入存储器中，同时通过串行通讯口把数据发送给计算机。仪器配有上位机软件，可以对下位机进行参数设置、Flash预警、显示实时数据列表和曲线、显示历史数据列表和曲线、历史数据分析等操作，帮助农户对温室进行科学的管理，降低农民劳动强度，提高劳动效率，更好的起到了节水、节肥、增收的作用。2.作品的创新点：（1）使用两种信息传输方式保证数据传输畅通ZigBee无线传输技术对与砖墙的穿透能力还是很有限的，故在使用中，温室比较密集的情况下必须每隔一堵墙或者两堵墙就布置一个ZigBee节点，而在温室较空旷的时候使用就不太受此限制，效果更佳。在移动通信公司的GPRS业务平台上构建远程无线数传测控系统，具有可充分利用现有网5络，缩短建设周期，降低建设成本的优点，而且设备安装方便、维护简单。GPRS远程无线数据传输试验相对简单，主要是测试当地的中国移动信号的强弱。其原理是在AGPRS1090中安装一张能够GPRS上网的手机卡，AGPRS1090接收并通过中国移动通讯传输由GPRS无线数据采集器采集到的温湿度数据，再通过互联网连接到用户的上位机软件上，进而达到及时管理温室信息的目的。（2）探索作物长势诊断技术多年来高光谱遥感在获取农业生物、生态、环境信息方面已取得了一系列研究成果，在这些成果的基础上,探索在温室设施栽培环境下利用高光谱技术获取作物长势信息的机理和方法,将是非常有意义的。作物的长势以及所形成的产量，是与作物叶面积指数、叶绿素浓度、叶温，叶面对特征频段电磁波吸收或反射等因素有着密切的关系，利用光谱分析与先进传感器件获取这些信息，可识别估计作物生长过程的环境胁迫，估计植株干物质重或预测产量，进而建立基于信息和知识的温室作物的理想生育轨道以及相应的管理模式，实现温室生产过程监测管理的定量化和科学化。3.系统实现原理无线传感网络采集系统的组成：具体内容：首先将日光温室按照距离的远近和管理的权属关系分为四个温室群，每个温室群都是一个独立的温室环境监测单元。在各温室群内温室中放置基于Zigbee无线通信技术的环境监测节点，监测信息包括：温度、湿度、二氧化碳、光照。环境监测节点将采集的信息汇聚到各温室群的监控PC机上，实现数据的实时显示及存储功能，同时监控PC机利用GPRS网络将节点的环境监测信息发送到温室管理平台实现温室数据的远程采集和监视。系统结构6如图所示。（1）环境监测节点：环境监测节点是日光温室监测系统的数据获取层。环境监测节点采用单片机技术开发，集成先进的温度、湿度、光照、二氧化碳传感器，准确的获