蔬菜大棚智能自动控制系统的信息管理系统的系统设计

伊犁师范学院电子与信息工程学院2012届信息管理与信息系统专业毕业论文1第1章绪论1.1选题目的和意义中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要环节就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如:空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参量，直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施已经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测试软件。而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质、高效能的重要环节。目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。所以急需一种高效实时的监控设备，能实现大棚的实时监控，迅速了解大棚内的环境状态。1.2国内外相关研究综述1.2.1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、栽培管理到采集收包装形成了一整套的规范化技术体系。美国是最早发明计算机的国家，也将计算机应用于温室控制和管理最早、最多的国家伊犁师范学院电子与信息工程学院2012届信息管理与信息系统专业毕业论文2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，温室内监测项目包括室内气温、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、通风状况，泵的工作状况、二氧化碳浓度、Ec调节池和回流管数值，pH调节池和回流管数值；室外监测控制项目包括大气温度、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的方便。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，占世界四分之一以上，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，可绘制出设计参数曲线、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讯。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盒管理。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。1.2.2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，我国科学家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、二氧化碳、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研究项目，并且在项目中加大了计算伊犁师范学院电子与信息工程学院2012届信息管理与信息系统专业毕业论文3机应用研究力度，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的优化设计及实施”的专题。1.2.3我国温室存在的主要问题①科技含量和总体发展水平较低。我国设施栽培起步晚、基础差，没将其作为整体工程问题研究。从设施设备到栽培技术的生产管理不配套，生产不规范，难以形成大规模商品生产。②我国现有的温室控制系统仍以控制一个温室为主，没有基于温室群控制系统。这样降低了生产管理效率。③温室测控系统的通信仍然采用有线方式。温室测控系统的通信主要有485总线以及CＡＮ总线等有线方式。这些有线通信方式不仅使得温室内的信号线和动力线错综复杂，而且导致系统的可靠性降低，安装维护工作量变大，同时也不利于农业机器人等移动设备的作业，难以达到温室生产的“工厂化农业”水平。④缺少基于农业专家知识的上位机管理系统。我国目前的温室控制系统中，一些上位机只限于存储数据，没有根据农业专家知识的实时控制管理系统。⑤设施水平低，抵御自然灾害的能力差。我国目前部分温室的建筑材料主要是钢材和玻璃。但没有形成国家统一的标准和工厂系列的产品，且应用率仅占设施栽培面积10﹪，而绝大部分由农民自行建造的塑料日光温室业只能起到一定的保温作用，根本不能实现对温度、湿度、光照等环境因子的调控。⑥机械化水平低，调控能力差，作业主要依靠人力。生产管理主要靠经验和单因子定性调控。1.2.4设计内容和设计方法本课题主要是设计一种基于伊犁河谷蔬菜大棚智能自动化控制系统的管理信息系统，依靠低功耗的无线射频ＲF、节水灌溉、物联网和传感器等技术实时监测和控制大棚内的温度、空气湿度、土壤湿度以及光照度等环境参数，通过该控制系统通过手机通信等途径通知用户，再通过用户使用自动化控制系统来控制相关环境参数，从而使生物生长在最适宜的环境下，达到农作物能够增产的效果。温室是蔬菜栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类蔬菜对温度及湿度等生长所需条件的要求也不尽相同，为它们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境，以提早或延迟花期，最终将会给我们带来巨大的经济效伊犁师范学院电子与信息工程学院2012届信息管理与信息系统专业毕业论文4益。随着现代科技的发展，电子计算机已用于控制温室环境。该系统可根据需要，通过按键将环境信息输入MCU，根据情况可随时调节环境。温室环境自动化控制系统在大型现代化温室的利用，是设施栽培高新技术的体现。研究方法是通过企业系统规划法来设施的，目的是通过这次毕业设计，让我们将课本知识与实践相结合，更加深刻的理解自动控制的信息管理系统的运作模式及意义，也能够将所学知识和技能更多的运用于生活和工作中，学以致用。第2章基于伊犁河谷蔬菜大棚智能自动控制系统的信息管理系统的系统分析2.1系统分析2.1.1系统目标本系统基于自动化农业的思想，采用低功耗的无线射频ＲF、节水灌溉和物联网等技术，根据当地实际情况设计出一个实时监测和控制大棚内的温度、空气湿度、土壤湿度以及光照度等环境参数，并将数据传输到远程终端服务器上位PC机上进行分析、管理及远距离测控,构成多个蔬菜大棚的智能自动化控制信息管理系统，以改善以往管理者应用传统经验对大棚内的农作物进行灌溉、加温、降温、加湿、排湿和采光等人工控制,保证了棚内的湿度、温度、光照强度,具有通风时间、卷帘时间、灯光光照时间的自动控制和系统报警等功能,可自动监测调节农作物环境的温湿度、光照、O2浓度、通风、卷帘升降、滴灌控制、门禁、巡更等参数，通过HMI（自动化成套控制系统）系统显示输出帮助种植者作全面细致的数据分析，将数据通过网络和相关的通讯协议传递给上位数据存储和显示区域，实现远程的数据采集。并采取可靠的光纤通讯网络实现远程的设备的操作和相关数据的报警提示等。以及根据目前国家提倡的环保节能的标准对每个大棚都有相关的能源的计量装置，方便了种植者对自己所用资源的调配和对运行参数的维护。2.2系统要求2.2.1详细调查概述伊犁河谷蔬菜产业的现状（1）基础条件伊犁河谷地处祖国的西北边陲，东西长350公里，南北宽280公里，土地面积56148.83伊犁师范学院电子与信息工程学院2012届信息管理与信息系统专业毕业论文5平方公里。光热资源丰富，年日照时数达3150小时，积温丰富，昼夜温差大，降水量是全疆平均水平的2倍，气候湿润。丰富的水土资源和良好的自然环境十分适宜农作物生长（2）发展现状①近年来，伊犁州大力发展无公害、反季节、名特优蔬菜。2009年，蔬菜种植总面积达2.7万公顷，总产量达94万吨。2008年，新增温室大棚2.2万座，蔬菜种植面积将达3.3万公顷，总产量达148万吨，设施农产品出口10万吨。②2010年上半年，伊宁二类口岸出口水果、蔬菜1.05万吨，贸易额434.2万美元，与去年同期相比分别增长466.6％和567.3％。近年来，哈萨克斯坦国内对水果、蔬菜等农产品的消费需求不断增加。加之今年以来，在有关部门不断出台优惠措施的前提下，出口企业纷纷把目光投向果蔬出口贸易，蔬菜产业对外贸易规模不断扩大。③近年来，种子管理部门对蔬菜种子的质量监管更加严格，各种子经营企业名优种子销售比例明显提高。此外，相关部门也高度重视无公害蔬菜安全生产技术规程的落实，加大农药安全使用的宣传教育和监管工作，各主要蔬菜生产乡镇积极举办无公害蔬菜栽培技术培训班，农民对新技术、新品种的接受能力越来越强，科学种菜水平不断提高。2.2.2可行性分析报告（1）系统简述温室智能自动控制系统采用当前比较热门的无线传感器网络技术、ARM嵌入式技术和传感器技术相结合的方式，精准采集温室内部环境的各项指标，驱动相应执行器件（风扇、加湿器、加热器）平稳自动控制温室内部环境的变化。能根据用户设定的参数即温室内的土壤湿度、土壤温度、时间等参数来自动控制电磁阀和水泵等的自动动作，通过空气温度、空气湿度、二氧化碳等参数来自动控制循环风机、加温设备、二氧化碳发生器等的自动动作。（2）项目目标目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。因此，该项目的目标就是实现温室大棚的智能自动化控制。蔬菜大棚智能自动化控制的信息管理系统在农业领域中有着广泛的应用。我们从农产品生产不同的阶段来看，无论是从种植的培育阶段和收获阶段，都可以用物联网智能自动化伊犁师范学院电子与信息工程学院2012届信息管理与信息系统专业毕业论文6控制的技术来提高它工作的效率和精细管理。①在种植准备的阶段，我们可以在温室里面布置很多的传感器，分析实时的土壤信息，来选择合适的农作物。②在种植和培育阶段，可以用物联网的技术手段采集温度、湿度的信息，进行高效的管理，从而应对环境的变化。比如说通过采集设备，比如说降温了，我可以给他在温室里加热。③在农产品的收获阶段，我们也同样可以利用物联网的信息，把它传输阶段、使用阶段的各种性能进行采集，反馈到前端，从而在种植收获阶段进行更精准的测算。④提高效率，节省人工，如果是几千亩的蔬菜大棚，要对各大棚进行浇水施肥，手工加温，手工卷帘，那要用大量的时间和人员来操作。如果应用了物联网技术，手动控制也只需点击鼠标的微小的动作，前后不过几秒，完全替代了人工操作的繁琐。⑤温室测控自动化注重于节省劳动力，提高温室生产的效率和技术水平，实现温度、