1、温室大棚温湿度监控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。该系统提供了对生长环境的监测，它是利用传感器测
2、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
3、），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
4、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。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
5、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“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
6、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。 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
7、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 辣椒温室系统结构 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波长和光强度。PLC控制器在
8、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光源控制器。“害虫数据库”为害虫防治提供害虫信息。“数据库”
9、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。 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
10、椒果实表面和辣椒叶片背面少于5cm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；
11、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。表 1
12、人工光源的影响波 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 培养环境控制服务序列图“培养环境控
13、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。3.2.5 害虫信息服务害虫信息服务是探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
14、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
15、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。
