温室大棚温湿度监控要点.pdf

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1、天津科技大学本科生 外文资料翻译 学院电子信息与自动化学院 专业 2011自动化（实验班） 题目基于触摸屏、 PLC的蔬菜大棚温湿度监控系统设计 姓名张会来 指 导 教 师 （ 签名） 2015 年 3 月 20 日 天津科技大学外文资料翻译 1 利用无线传感器网络对辣椒温室系统的控制 摘 要：本文的研究表明：“辣椒温室系统（PGHS ）”收集温室辣椒生长的最适 条件的信息。国内辣椒栽培设施的温度变化范围相对比较大并且设备内部必须保 持相对干燥。此外， CO2浓度不均匀，对辣椒生长产生不好的影响。为了应对这 些问题，“辣椒温室系统” （PGHS ）是基于无线技术，为帮助农民种植辣椒设计 的。该

2、系统提供了对生长环境的监测，它是利用传感器测量温度、湿度、光照、 叶片湿度、果实等信息来监测辣椒生长环境数据，“人工光源控制服务”是安装 在温室内通过分析收集到的数据来提高能源效率和控制生长环境，从而处理控制 温室。 关键词 ：美国海军；辣椒；温室 1. 引言 最近国内园艺产业的数量和它的技术质量在资本密集型的行业取得了实质 性的增长，现在它除了现有的国内需求成了一个在海外出口需求潜力巨大的优势 产业。 1 。 辣椒是一种创造高附加值的园艺产品。辣椒的产量取决于日照量， 日照强度 和日照时数的不同 2 。辣椒的种植成本由供热成本，农资成本和劳动力成本组 成。其中，对于困难农民供热成本和农资成本

3、比重都很高3 。 本研究的提出是为了培养红辣椒而建立一个“辣椒温室系统”（PGHS ），这 需要精确的成长管理。 “辣椒温室系统”（ PGHS ）利用 IT 技术在实时采集农作物生长信息来控制 栽培设施从而控制农作物成长环境的系统。“辣椒温室系统” （PGHS ）减少农作 物的生长、 发育、产量和品质的偏差。 它还利用生物特征数据来控制栽培设施从 而优化最佳成长环境和创造在辣椒根区的最佳条件。这个系统优化管理生产要 素，减少了能量损失、肥料和水，这样就降低了生产成本。用人工光源提供人工 照明使农作物有良好的成长环境，这样持续供应高质量的， 新鲜的蔬菜将变得有 可能。农民将通过栽培设施给客户持续

4、供应高质量的新鲜蔬菜从而提高生产力和 收入。“辣椒温室系统”（PGHS ）的设计和实现都是基于无线传感器网络。 本文由以下内容组成。 第 2 章介绍了监控系统应用在韩国和海外农业环境的 相关技术。第 3 章阐述了为“辣椒温室系统” （PGHS ）的研究提供的配置元素和 服务。第 4 章阐述了“辣椒温室系统”（PGHS ）的实施内容。第 5 章是结论。 天津科技大学外文资料翻译 2 2. 相关的研究 2.1 农业监测系统采用集成传感器模块 图 1 监控系统 本系统采用的各种环境传感器来收集的作物栽培所需的环境信息。它是一个 基于传感器网络对农业环境实时监测的系统。大多数现有的无线传感器节点基于

5、传感器网络需要每个传感器特性具有单独的转换/ 控制模块。为了克服这个问题， 一个集成的传感器模块的开发， 使得到的作物栽培所需的信息的各种传感器成为 一个整体， 为一个单一的节点。 新的传感器和网络监控系统也得到了发展，让他 们适应新的集成传感器模块并运用到测试环境，为了验证新开发的系统4 。传 感器节点也安装并且测量的环境信息，实时监测变得有可能4 。 2.2 温室环境的综合管理系统 图 2 监控系统界面 天津科技大学外文资料翻译 3 “温室环境综合管理系统” 能够通过网络实监测温室状态。 具有远程控制功 能，它允许用户管理他们的农场，没有时间和地点的限制， 只要有可用的互联网 连接5 。为

6、了无处不在的农业环境，在温室建立一个传感器网络为了监测影响 环境的环境因素，如温度、湿度、日照、二氧化碳、氨量、风速和降水。同时， “温室环境监测系统”包括通风机、窗口、加热器、加湿器、照明和视频处理 器这些控制装置灵活的改变测量的环境要素5 。 2.3 无所不在的农场服务器系统 图 3 UFSS用户控制页面 本系统采用太阳能 6 。这个 UFSS （无处不在的农场服务器系统）可以监测 和采集现场环境信息并且这个系统运用环境和土壤的传感器、CCTV 相机、GPS（全 球定位系统）模块、无电源限制太阳能电池模块和系统的位置定位6 。该系统 分为三层 6 。设备层包括传感器、 GPS 、CCTV

7、相机和太阳能电池 6 。中间层包 括土壤管理、位置管理、移动管理、信息存储和Web服务器6 。应用层提供了 土壤和环境监测服务，监测服务的位置，运行监测服务，统计服务。 天津科技大学外文资料翻译 4 2.4 温室自动控制系统 图 4 温室的用户控制页面 在本系统设计 2.4GH带宽传感器节点和执行器节点7 。人们可以在任何地 方通过网络监控从温度， 湿度，叶片温度和叶片湿度传感器定期收集的温室环境 和作物产量状态信息 7 。同时，该系统可以自动控制窗口、风扇、基于此数据 的温室加热器 7 。当运用本系统，相比现有的系统生产者可以管理温室环境和 作物的实际生长状态。 3. 辣椒温室系统 图 5

8、辣椒温室系统结构 应用层 生长信息监测环境监测栽培设施控制 中间层 Web 服务 数据管理数据库数据分析 人工光源控制 PLC 控制传感器 物理层 传感器人工光源PLC 控制 信息 控制 信息 遥感 数据 天津科技大学外文资料翻译 5 3.1 系统配置 “辣椒温室系统” （PGHS ）包括以下三层。物理层是环境传感器，采集环境 信息，人工光源生长控制装置和PLC 。中间层是数据分析和系统控制。应用层是 图形用户界面和控制。 3.1.1 物理层 ：物理层具有一个传感器装置可以采集辣椒培养介质信息并发 送这个原始数据给中间层。 它还具有“人工光源生长控制装置” 来控制 LED光源 对辣椒最优增长的

9、波长和光强度。PLC 控制器在收集的环境信息基础上控制温 度、湿度和根区的生长环境。 它收集栽培场地环境信息和建立一个控制平台通过 每个模块来监督和控制“辣椒温室系统”（PGHS ）。 3.1.2 中间层： 中间层是由“数据过滤模块”，“数据分析模块”，“环境 控制模块”，“人工光源控制模块”，“害虫数据库”，“数据库”和“Web服 务器”组成。数据过滤模块处理来自传感器的原始数据和保存温度、湿度、光照 度和根区环境数据到数据库中。 “数据分析模块” 基于存储在数据库中的信息来 分析栽培场所的环境和农作物状况。环境控制模块发送控制信号给物理层的 PLC 。“人工光源控制模块”发送控制信号给人工

10、光源控制器。 “害虫数据库”为害虫防治提供害虫信息。“数据库”保存环境数据和分析 辣椒栽培场所的数据。 Web服务器是用户通过控制页面应用程序来分配服务。 3.1.3 应用层： 应用层是由用户控制界面应用程序组成，为使用者给“辣椒 温室系统”（ PGHS ）提供了服务。 天津科技大学外文资料翻译 6 3.2 提供的服务 图 6 提供辣椒温室的服务 有辣椒的“生长信息监测服务”，“生长环境监测服务”，“根区环境监测 服务”和“人工光源控制服务”和“培养环境控制服务。对其中的细节如下。 3.2.1生长环境监测服务 图 7 生长环境监测服务序列图 “生长环境监测服务” 提供辣椒成长信息和温室信息。在

11、辣椒栽培期间， 如 果辣椒和空气之间的温差会超过4 摄氏度，会出现结露并且辣椒会患上灰色霉菌 病。为了解决这个问题， 传感器测量位于辣椒果实表面和辣椒叶片背面少于5cm 生长传 感器 温室传 感器 数据管 理 数据库数据分 析 Web 服 务器 成长信息 过滤生长信息 过滤成长信息 分析成长信息 环境信息 过滤环境信息 过滤环境信息 分析环境信息 天津科技大学外文资料翻译 7 处的温度。传感器将以 2 分钟的周期来采集温度数据。 用户可以通过这些传感器 知道辣椒和空气之间的温度差这样可以主动的应付作物和大气之间的温差引起 的问题。 为温度，湿度和光照度附加的传感器都安装在温室内这样用户可以通过

12、网络 了解情况，确定辣椒培养介质成长环境。 “生长环境监测服务 “的激活过程如下。 安装在温室作物上的传感器收集原 始数据。数据管理将提取的叶片温度，叶面湿度和温室环境信息（温度，湿度， 照度）并将它们保存在数据库中。保存的数据进行分析并且通过Web 服务器以 网页的形式提供了给用户。 3.2.2 根区环境监测服务 图 8 根区环境监测服务序列图 辣椒栽培主要是通过培养基进行；因此，根区的管理是非常重要的， 因为它 对培养基的吸收效率影响很大。 作物根区的土壤环境变化的意义是为了根区提高 吸收和储存养分。 EC 和 pH 值是特别重要的。 如果土壤 EC 不足，果实将不如叶 片生长的快。 如果

13、 EC 太高，产量下降。 当土壤中肥料含量增加， pH 值下降 8 。 该服务使用的 EC 和 pH 值和根区环境监测等特点。激活过程和“成长环境 监测服务”是相同的。 3.2.3人工光源控制服务： LED比起现有的白炽灯泡可以节省80% 的能量。 LED防止害虫和调整农作物的生长速度这样运输的时间就可以调整了。LED的波 长对作物的各种影响见下表。 这项服务应用在人工光源控制服务”，让它有助于 对辣椒生长速度控制及提高产品质量。 分析根区环境信息 过滤根区环境信息 根区传感 器 数据管理数据库数据分析Web 服务 器 根区环境信息 过滤根区环境信息 天津科技大学外文资料翻译 8 表 1 人工

14、光源的影响 波 长影响 14001000 (IR-A) 没有具体的对作物的影响。给出了热冲击 780(IR-A) 促进作物伸长率的影响 660(red)最大限度地提高叶绿素反应（655） 610(red yellow) 光合作用不好。防止害虫（580 650 ） 430440(blue) 最大限度地提高光合作用 （430），最大限度地提高叶绿素 反应（ 440），引诱害虫。 400 315(UV-A)在一般情况下，叶片厚。叶片颜色深。引诱害虫。 280(UV-B)在许多合成过程中的重要反应（产生抗体），如果太强是 有害的 100(UV-C) 让庄稼迅速枯萎 3.2.4 培养环境控制服务 图 9

15、 培养环境控制服务序列图 “培养环境控制服务” 的控制设备在基于传感器收集的和保存在数据库中的 数据而安装辣椒温室内。这个服务保持作物生长在最佳环境。 激活环境如下。 来自栽培场所的环境信息发送给中间层数据管理。他们将重 叠或错误的数据修正后保存在数据库中。然后将保存的数据发送给 “数据分析模 块”，分析辣椒生长的最佳控制信息。这些信息接着保存在数据库并将信号发送 到 PLC，它会自动控制设备如通风机、暖风机。 控制信号 环境传感 器 P L C 数据管理数据库数据分析 环境信息 过滤环境信息 过滤环境信息 分析环境信息 天津科技大学外文资料翻译 9 3.2.5 害虫信息服务 害虫信息服务是探

16、讨害虫对农作物的危害和辣椒病害的发生条件，并且将这 些信息提供给农民。 辣椒疾病和害虫的发生条件将被制作成数据库并且显示这个信息，使农民能 够主动的应对疾病和害虫的发展。 4. 实 施 各种设备如传感器， 通风机和风扇加热器被安装在辣椒温室内用来检测“辣 椒温室系统”（ PGHS ）的性能。图 10 和图 11 所示的传感器是测量果实的温度， 叶片温度和叶片湿度。 图 12 传感器用来采集的根区环境信息。图 13 是 GUI应用 程序，为用户提供“辣椒温室系统”（PGHS ）服务。图 10 是从辣椒果实和叶片 收集的信息，图 11 可以显示在图 13 的（b）中。图 12 中收集的根区信息可以

17、 显示在图 13 的（c）中，图 13 的（d）显示图 14 收集的害虫信息。 图 10 果实传感器图 11 叶片传感器 图 12 根区传感器图 13 GUI应用程序 天津科技大学外文资料翻译 10 图 15 测量温室环境信息的测量值可以显示在图 13 （a）中。传感器收集 的数据通过服务器和最佳的生长数据将被发送到数据库中。然后服务器发送信号 到图 16 的人工光源控制器和图17 的 PLC控制器。 “辣椒温室系统”（ PGHS ）对辣椒生长的最佳优化控制性能已经被证实。 图 14 害虫信息图 15 环境传感器 图 16 人工光源控制器图 17 PLC 控制器 天津科技大学外文资料翻译 11 5. 结 论 本研究了解了对农作物辣椒的精确管理和提高产值的辣椒温室环境监控系 统。该“辣椒温室系统”（PGHS ）是建立一个网络，由传感器测量温度、湿度、 照明和其他。 该系统还控制风机， 加湿器，照明和通过 GUI应用程序对实测数据 视频处理。 这个“辣椒温室系统” （PGHS ）将有助于增加农民收入，这是国内农业产业 的当务之急。该系统将通过从众多的辣椒产地提供的生长环境信息来创建其他研 究结果。可以通过改善辣椒新品种分布率来增强我国园艺产业的价格竞争力。