溫室大棚溫濕度監(jiān)控

1、天津科技大學(xué)外文資料翻譯天津科技大學(xué)本科生外文資料翻譯學(xué) 院 電子信息與自動化學(xué)院 專 業(yè) 2011自動化（實(shí)驗(yàn)班） 題 目 基于觸摸屏、PLC的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓 名 張會來 指導(dǎo)教師（簽名） 2015年3月20日利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對辣椒溫室系統(tǒng)的控制摘 要：本文的研究表明：“辣椒溫室系統(tǒng)（PGHS）”收集溫室辣椒生長的最適條件的信息。國內(nèi)辣椒栽培設(shè)施的溫度變化范圍相對比較大并且設(shè)備內(nèi)部必須保持相對干燥。此外，CO2濃度不均勻，對辣椒生長產(chǎn)生不好的影響。為了應(yīng)對這些問題，“辣椒溫室系統(tǒng)”（PGHS）是基于無線技術(shù)，為幫助農(nóng)民種植辣椒設(shè)計(jì)的。該系統(tǒng)提供了對生長環(huán)境的監(jiān)測，它是利用傳

2、感器測量溫度、濕度、光照、葉片濕度、果實(shí)等信息來監(jiān)測辣椒生長環(huán)境數(shù)據(jù)，“人工光源控制服務(wù)”是安裝在溫室內(nèi)通過分析收集到的數(shù)據(jù)來提高能源效率和控制生長環(huán)境，從而處理控制溫室。關(guān)鍵詞：美國海軍；辣椒；溫室1. 引言 最近國內(nèi)園藝產(chǎn)業(yè)的數(shù)量和它的技術(shù)質(zhì)量在資本密集型的行業(yè)取得了實(shí)質(zhì)性的增長，現(xiàn)在它除了現(xiàn)有的國內(nèi)需求成了一個(gè)在海外出口需求潛力巨大的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)。1。辣椒是一種創(chuàng)造高附加值的園藝產(chǎn)品。辣椒的產(chǎn)量取決于日照量，日照強(qiáng)度和日照時(shí)數(shù)的不同2。辣椒的種植成本由供熱成本，農(nóng)資成本和勞動力成本組成。其中，對于困難農(nóng)民供熱成本和農(nóng)資成本比重都很高3。本研究的提出是為了培養(yǎng)紅辣椒而建立一個(gè)“辣椒溫室系統(tǒng)”（

3、PGHS），這需要精確的成長管理?！袄苯窚厥蚁到y(tǒng)”（PGHS）利用IT技術(shù)在實(shí)時(shí)采集農(nóng)作物生長信息來控制栽培設(shè)施從而控制農(nóng)作物成長環(huán)境的系統(tǒng)?！袄苯窚厥蚁到y(tǒng)”（PGHS）減少農(nóng)作物的生長、發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)的偏差。它還利用生物特征數(shù)據(jù)來控制栽培設(shè)施從而優(yōu)化最佳成長環(huán)境和創(chuàng)造在辣椒根區(qū)的最佳條件。這個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化管理生產(chǎn)要素，減少了能量損失、肥料和水，這樣就降低了生產(chǎn)成本。用人工光源提供人工照明使農(nóng)作物有良好的成長環(huán)境，這樣持續(xù)供應(yīng)高質(zhì)量的，新鮮的蔬菜將變得有可能。農(nóng)民將通過栽培設(shè)施給客戶持續(xù)供應(yīng)高質(zhì)量的新鮮蔬菜從而提高生產(chǎn)力和收入?！袄苯窚厥蚁到y(tǒng)”（PGHS）的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)都是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文

4、由以下內(nèi)容組成。第2章介紹了監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用在韓國和海外農(nóng)業(yè)環(huán)境的相關(guān)技術(shù)。第3章闡述了為“辣椒溫室系統(tǒng)”（PGHS）的研究提供的配置元素和服務(wù)。第4章闡述了“辣椒溫室系統(tǒng)”（PGHS）的實(shí)施內(nèi)容。第5章是結(jié)論。2. 相關(guān)的研究 2.1農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)采用集成傳感器模塊圖 1監(jiān)控系統(tǒng)本系統(tǒng)采用的各種環(huán)境傳感器來收集的作物栽培所需的環(huán)境信息。它是一個(gè)基于傳感器網(wǎng)絡(luò)對農(nóng)業(yè)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測的系統(tǒng)。大多數(shù)現(xiàn)有的無線傳感器節(jié)點(diǎn)基于傳感器網(wǎng)絡(luò)需要每個(gè)傳感器特性具有單獨(dú)的轉(zhuǎn)換/控制模塊。為了克服這個(gè)問題，一個(gè)集成的傳感器模塊的開發(fā)，使得到的作物栽培所需的信息的各種傳感器成為一個(gè)整體，為一個(gè)單一的節(jié)點(diǎn)。新的傳感器和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)

5、控系統(tǒng)也得到了發(fā)展，讓他們適應(yīng)新的集成傳感器模塊并運(yùn)用到測試環(huán)境，為了驗(yàn)證新開發(fā)的系統(tǒng)4。傳感器節(jié)點(diǎn)也安裝并且測量的環(huán)境信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測變得有可能4。 2.2溫室環(huán)境的綜合管理系統(tǒng)圖 2 監(jiān)控系統(tǒng)界面“溫室環(huán)境綜合管理系統(tǒng)”能夠通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)監(jiān)測溫室狀態(tài)。具有遠(yuǎn)程控制功能，它允許用戶管理他們的農(nóng)場，沒有時(shí)間和地點(diǎn)的限制，只要有可用的互聯(lián)網(wǎng)連接5。為了無處不在的農(nóng)業(yè)環(huán)境，在溫室建立一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)為了監(jiān)測影響環(huán)境的環(huán)境因素，如溫度、濕度、日照、二氧化碳、氨量、風(fēng)速和降水。同時(shí)，“溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)”包括通風(fēng)機(jī)、窗口、加熱器、加濕器、照明和視頻處理器這些控制裝置靈活的改變測量的環(huán)境要素5。 2.3無所不在的

6、農(nóng)場服務(wù)器系統(tǒng)圖 3 UFSS用戶控制頁面本系統(tǒng)采用太陽能6。這個(gè)UFSS（無處不在的農(nóng)場服務(wù)器系統(tǒng)）可以監(jiān)測和采集現(xiàn)場環(huán)境信息并且這個(gè)系統(tǒng)運(yùn)用環(huán)境和土壤的傳感器、CCTV相機(jī)、GPS（全球定位系統(tǒng)）模塊、無電源限制太陽能電池模塊和系統(tǒng)的位置定位6。該系統(tǒng)分為三層6。設(shè)備層包括傳感器、GPS、CCTV相機(jī)和太陽能電池6。中間層包括土壤管理、位置管理、移動管理、信息存儲和Web服務(wù)器6。應(yīng)用層提供了土壤和環(huán)境監(jiān)測服務(wù)，監(jiān)測服務(wù)的位置，運(yùn)行監(jiān)測服務(wù)，統(tǒng)計(jì)服務(wù)。 2.4溫室自動控制系統(tǒng)圖 4 溫室的用戶控制頁面在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.4GH帶寬傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)7。人們可以在任何地方通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控從溫度，

7、濕度，葉片溫度和葉片濕度傳感器定期收集的溫室環(huán)境和作物產(chǎn)量狀態(tài)信息7。同時(shí)，該系統(tǒng)可以自動控制窗口、風(fēng)扇、基于此數(shù)據(jù)的溫室加熱器7。當(dāng)運(yùn)用本系統(tǒng)，相比現(xiàn)有的系統(tǒng)生產(chǎn)者可以管理溫室環(huán)境和作物的實(shí)際生長狀態(tài)。3. 辣椒溫室系統(tǒng)應(yīng)用層生長信息監(jiān)測環(huán)境監(jiān)測栽培設(shè)施控制中間層Web服務(wù)數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)分析人工光源控制PLC控制傳感器物理層傳感器人工光源PLC控制信息控制信息遙感數(shù)據(jù)圖 5 辣椒溫室系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3.1 系統(tǒng)配置“辣椒溫室系統(tǒng)”（PGHS）包括以下三層。物理層是環(huán)境傳感器，采集環(huán)境信息，人工光源生長控制裝置和PLC。中間層是數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)控制。應(yīng)用層是圖形用戶界面和控制。3.1.1物理層：物

8、理層具有一個(gè)傳感器裝置可以采集辣椒培養(yǎng)介質(zhì)信息并發(fā)送這個(gè)原始數(shù)據(jù)給中間層。它還具有“人工光源生長控制裝置”來控制LED光源對辣椒最優(yōu)增長的波長和光強(qiáng)度。PLC控制器在收集的環(huán)境信息基礎(chǔ)上控制溫度、濕度和根區(qū)的生長環(huán)境。它收集栽培場地環(huán)境信息和建立一個(gè)控制平臺通過每個(gè)模塊來監(jiān)督和控制“辣椒溫室系統(tǒng)”（PGHS）。3.1.2中間層：中間層是由“數(shù)據(jù)過濾模塊”，“數(shù)據(jù)分析模塊”，“環(huán)境控制模塊”，“人工光源控制模塊”，“害蟲數(shù)據(jù)庫”，“數(shù)據(jù)庫”和“Web服務(wù)器”組成。數(shù)據(jù)過濾模塊處理來自傳感器的原始數(shù)據(jù)和保存溫度、濕度、光照度和根區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫中?！皵?shù)據(jù)分析模塊”基于存儲在數(shù)據(jù)庫中的信息來分析栽

9、培場所的環(huán)境和農(nóng)作物狀況。環(huán)境控制模塊發(fā)送控制信號給物理層的PLC?！叭斯す庠纯刂颇K”發(fā)送控制信號給人工光源控制器?！昂οx數(shù)據(jù)庫”為害蟲防治提供害蟲信息。“數(shù)據(jù)庫”保存環(huán)境數(shù)據(jù)和分析辣椒栽培場所的數(shù)據(jù)。Web服務(wù)器是用戶通過控制頁面應(yīng)用程序來分配服務(wù)。3.1.3應(yīng)用層：應(yīng)用層是由用戶控制界面應(yīng)用程序組成，為使用者給“辣椒溫室系統(tǒng)”（PGHS）提供了服務(wù)。 3.2提供的服務(wù)圖 6 提供辣椒溫室的服務(wù)有辣椒的“生長信息監(jiān)測服務(wù)”，“生長環(huán)境監(jiān)測服務(wù)”，“根區(qū)環(huán)境監(jiān)測服務(wù)”和“人工光源控制服務(wù)”和“培養(yǎng)環(huán)境控制服務(wù)。對其中的細(xì)節(jié)如下。3.2.1生長環(huán)境監(jiān)測服務(wù)生長傳感器溫室傳感器數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)

10、分析Web服務(wù)器成長信息過濾生長信息過濾成長信息分析成長信息環(huán)境信息過濾環(huán)境信息過濾環(huán)境信息分析環(huán)境信息圖 7 生長環(huán)境監(jiān)測服務(wù)序列圖“生長環(huán)境監(jiān)測服務(wù)”提供辣椒成長信息和溫室信息。在辣椒栽培期間，如果辣椒和空氣之間的溫差會超過4攝氏度，會出現(xiàn)結(jié)露并且辣椒會患上灰色霉菌病。為了解決這個(gè)問題，傳感器測量位于辣椒果實(shí)表面和辣椒葉片背面少于5cm處的溫度。傳感器將以2分鐘的周期來采集溫度數(shù)據(jù)。用戶可以通過這些傳感器知道辣椒和空氣之間的溫度差這樣可以主動的應(yīng)付作物和大氣之間的溫差引起的問題。為溫度，濕度和光照度附加的傳感器都安裝在溫室內(nèi)這樣用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)了解情況，確定辣椒培養(yǎng)介質(zhì)成長環(huán)境?！吧L環(huán)境

11、監(jiān)測服務(wù)“的激活過程如下。安裝在溫室作物上的傳感器收集原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理將提取的葉片溫度，葉面濕度和溫室環(huán)境信息（溫度，濕度，照度）并將它們保存在數(shù)據(jù)庫中。保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并且通過Web服務(wù)器以網(wǎng)頁的形式提供了給用戶。3.2.2 根區(qū)環(huán)境監(jiān)測服務(wù)分析根區(qū)環(huán)境信息過濾根區(qū)環(huán)境信息根區(qū)傳感器數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)分析Web服務(wù)器根區(qū)環(huán)境信息過濾根區(qū)環(huán)境信息圖 8 根區(qū)環(huán)境監(jiān)測服務(wù)序列圖辣椒栽培主要是通過培養(yǎng)基進(jìn)行；因此，根區(qū)的管理是非常重要的，因?yàn)樗鼘ε囵B(yǎng)基的吸收效率影響很大。作物根區(qū)的土壤環(huán)境變化的意義是為了根區(qū)提高吸收和儲存養(yǎng)分。EC和pH值是特別重要的。如果土壤EC不足，果實(shí)將不如葉片生長的快

12、。如果EC太高，產(chǎn)量下降。當(dāng)土壤中肥料含量增加，pH值下降 8 。該服務(wù)使用的EC和pH值和根區(qū)環(huán)境監(jiān)測等特點(diǎn)。激活過程和“成長環(huán)境監(jiān)測服務(wù)”是相同的。3.2.3人工光源控制服務(wù)：LED比起現(xiàn)有的白熾燈泡可以節(jié)省80%的能量。LED防止害蟲和調(diào)整農(nóng)作物的生長速度這樣運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間就可以調(diào)整了。LED的波長對作物的各種影響見下表。這項(xiàng)服務(wù)應(yīng)用在人工光源控制服務(wù)”，讓它有助于對辣椒生長速度控制及提高產(chǎn)品質(zhì)量。表 1 人工光源的影響波 長影 響14001000 (IR-A)沒有具體的對作物的影響。給出了熱沖擊780(IR-A) 促進(jìn)作物伸長率的影響660(red)最大限度地提高葉綠素反應(yīng)（655）610

13、(red yellow)光合作用不好。防止害蟲（580 650）430440(blue)最大限度地提高光合作用（430），最大限度地提高葉綠素反應(yīng)（440），引誘害蟲。400 315(UV-A)在一般情況下，葉片厚。葉片顏色深。引誘害蟲。280(UV-B)在許多合成過程中的重要反應(yīng)（產(chǎn)生抗體），如果太強(qiáng)是有害的100(UV-C)讓莊稼迅速枯萎3.2.4培養(yǎng)環(huán)境控制服務(wù)控制信號環(huán)境傳感器P L C數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)分析環(huán)境信息過濾環(huán)境信息過濾環(huán)境信息分析環(huán)境信息圖 9 培養(yǎng)環(huán)境控制服務(wù)序列圖“培養(yǎng)環(huán)境控制服務(wù)”的控制設(shè)備在基于傳感器收集的和保存在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)而安裝辣椒溫室內(nèi)。這個(gè)服務(wù)保持作物生

14、長在最佳環(huán)境。激活環(huán)境如下。來自栽培場所的環(huán)境信息發(fā)送給中間層數(shù)據(jù)管理。他們將重疊或錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)修正后保存在數(shù)據(jù)庫中。然后將保存的數(shù)據(jù)發(fā)送給“數(shù)據(jù)分析模塊”，分析辣椒生長的最佳控制信息。這些信息接著保存在數(shù)據(jù)庫并將信號發(fā)送到PLC，它會自動控制設(shè)備如通風(fēng)機(jī)、暖風(fēng)機(jī)。3.2.5 害蟲信息服務(wù)害蟲信息服務(wù)是探討害蟲對農(nóng)作物的危害和辣椒病害的發(fā)生條件，并且將這些信息提供給農(nóng)民。辣椒疾病和害蟲的發(fā)生條件將被制作成數(shù)據(jù)庫并且顯示這個(gè)信息，使農(nóng)民能夠主動的應(yīng)對疾病和害蟲的發(fā)展。4. 實(shí) 施 各種設(shè)備如傳感器，通風(fēng)機(jī)和風(fēng)扇加熱器被安裝在辣椒溫室內(nèi)用來檢測“辣椒溫室系統(tǒng)”（PGHS）的性能。圖10和圖11所示的

15、傳感器是測量果實(shí)的溫度，葉片溫度和葉片濕度。圖12傳感器用來采集的根區(qū)環(huán)境信息。圖13是GUI應(yīng)用程序，為用戶提供“辣椒溫室系統(tǒng)”（PGHS）服務(wù)。圖10是從辣椒果實(shí)和葉片收集的信息，圖 11可以顯示在圖13的（b）中。圖12中收集的根區(qū)信息可以顯示在圖13的（c）中，圖13的（d）顯示圖 14收集的害蟲信息。 圖10 果實(shí)傳感器 圖11 葉片傳感器 圖12 根區(qū)傳感器 圖 13 GUI應(yīng)用程序圖15 測量溫室環(huán)境信息的測量值可以顯示在圖 13 （a）中。傳感器收集的數(shù)據(jù)通過服務(wù)器和最佳的生長數(shù)據(jù)將被發(fā)送到數(shù)據(jù)庫中。然后服務(wù)器發(fā)送信號到圖16的人工光源控制器和圖17的PLC控制器?！袄苯窚厥蚁到y(tǒng)”（PGHS）對辣椒生長的最佳優(yōu)化控制性能已經(jīng)被證實(shí)。 圖14 害蟲信息 圖15環(huán)境傳感器 圖16人