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智慧农业物联网系统组网图

2.2.1 智能温室组网说明

该组网图演示的为小面积示范区，每个连栋温室为 1个灌溉区域，1个子系统，该子系统完成对温室内风机、卷帘、天窗、阀门、水泵等设备的自动化控制，同时完成温室内空气温湿度、二氧化碳、光照强度、土壤墒情等传感器的数据采集工作，并把相关数据上传至控制中心，实现全自动化的管理。后续扩建将每个温室划划分为一个子系统，直接接入到控制中心即可，可实现大面积的智能温室水肥一体化管理。

2.2.2 智能节水灌溉组网说明

2.2.3 组网方式

温室控制器与控制中心采用 GPRS 无线传输及控制模式，温室控制器与电气设备、传感器之间的连接采用有线连接方式。

该种组网方式稳定可靠，可以实现远程控制，可随时随地查看温室的实时状态及实时数据。

2.2.4 远程操作模式

智慧农业的操作模式分为三种。

1）全自动模式：根据设定的阀值自动控制开关，无需人为控制和管理。

2）定时模式：可人为设置设备开启关闭时间，按照设定的时间，自动完成相关操作。

3）手动模式：可以对每个设备进行手动开关。

第三章智慧农业物联网平台介绍

3.1 平台软件

3.1.1 平台软件总体框架设计

平台软件是实现整个系统功能的载体，是系统最终能否发挥效用的关键所在，因此可以说管理软件的好坏决定着项目的成败。节水灌溉实时监测与自动化控制综合管理系统软件为三层结构，见下图：

数据层

数据层主要完成各类数据的采集和存储，如土壤墒情数据、气象数据、植物生长数据及各类传感器数据等。

该层为底层，主要完成各类数据的自动采集、存储和处理，各类控制指令的发送，各类测控设备的配置和管理等。由开发人员或专业技术人员进行配置和维护，不需要一般操作人员掌握。

应用层

该层为核心层，最主要的内容就是灌溉计划的制定和执行。可根据自动采集的气象、墒情等数据，结合人工输入的作物不同生长阶段的需水信息、以往灌溉的经验值等数据，制定出科学合理的灌溉计划。

灌溉计划形成后，即由该层的自动控制程序负责执行，按照计划时间点自动发出相应的控制指令，操作泵、阀等设备。在灌溉计划执行的过程中，根据自动监测的气象、墒情等变化情况做出预警，并生成优化和调整方案，人工确定后继续执行。例如：降雨停灌、降雨不足调整灌溉时间或强度、墒情超限停灌等等。

适时调整和优化灌溉计划，并提醒后台管理人员，是否按照新的优化方案执行灌溉计划。

界面层

界面层为软件设计的最上层，设计目标为科学、美观、易用、易维护。该层可提供丰富的数据分析，实时显示灌区的灌溉情况、土壤墒情参数以及整个灌区的网络拓扑图，可结合 FLASH 等工具多采用图形界面，能够自动生成各类数据图表。

3.1.2 平台软件功能

应用软件必须是基于 B/S 与 C/S 结构风格界面，要采用全图形化设计，支持触摸屏控制，达到操作员会上网浏览网页就会使用应用软件的要求应用软件采用上节所述标准三层结构，底层用 C++编程，界面脚本采用JAVA语言，数据库采用 MYSQL。应用功能模块包括上述功能结构图中的所有内容，内嵌集成必要的数学分析模型。

3.1.2.1 用户管理

对使用该系统的用户分成不同的角色（如：管理员、操作员等），

对不同的角色授予相应的权限，对具体的用户进行注册时赋予相应的角色，从而得到相应的使用权限。本系统登陆时需要通过身份验证，只有合法用户才能进入该系统，并受相应的权限控制。从而实现了系统的安全性管理。

权限管理：一般系统权限控制到菜单级别，权限管理按照菜单功能对系统权限进行维护；

角色管理：维护系统操作所需的各级角色；

角色权限分配：给每个角色，赋予相应的功能权限。

3.1.2.2 设备管理

节水灌溉实时监测与自动化控制综合管理系统首先通过系统维护的各类子功能对系统管理的各类设备、通信通道、数据库对象等进行维护。方便用户一目了然理解系统所管理的各类对象。

智能温室控制器管理

智能温室控制系统是整个项目的核心设备，该功能对系统建设的首部控制器进行管理和维护。主要的信息包括智能温室控制器编号、智能温室控制器控制范围、通信信道、备注信息等。

通道管理

通道管理主要对首部控制器、气象监测设备、土壤墒情监测设备、其他数据通信信道进行维护和管理。通过集中化管理，对数据接口进行统一维护。

终端管理

终端管理可以按设备类别、所对应的首部控制器等条件对所有的终端设备进行维护和管理。

数据备份还原

为了防止数据库崩溃、系统故障或其他人为原因造成的数据库瘫痪或者数据丢失等问题，节水灌溉实时监测与自动化控制综合管理系统提供安全、稳定、便捷的数据库备份与还原功能。具有系统管理权限的用户在登陆系统后可以定时或不定时对系统数据库进行备份；当发生任何数据故障、数据灾难时用户无须面对专业的数据库问题而只需要一键点击，即可选择任意备份时段的数据库进行还原。

故障管理

当首部控制器或各类终端设备在运行过程中出现故障时，系统会根据设定的报警参数进行报警提示，主要包括系统中监测到的一些设备报警以及模拟量的越限报警，对于不重要报警信息可以通过声光方式在监控室显示，对于重要报警信息可以通过手机短信的方式在报警的第一时间发送到相关人员。

3.1.2.3 灌溉计划

灌溉计划主要通过作物种植管理、轮灌组管理、新建轮灌组、轮灌计划管理、新建轮灌计划、智能控制管理等功能，达到初步的决策支持功能，实现智能化灌溉；

该功能是本系统的核心功能，包括制定、优化并执行灌溉计划，并对各项指标进行统计分析。

灌溉计划制定

周期灌溉模式：周期灌溉模式即定时灌溉模式，选择将要进行灌溉的温室大棚：选择温室阀门，输入开始时间、结束时间及时长，可完成温室内每个阀门的定时开始及关闭，实现周期定时灌溉。

自动灌溉模式：选择将要进行灌溉的温室大棚：设置土壤墒情阈值，点击确定，依次类推，完成所有阀门与土壤墒情的阈值设定，即可实现全灌区的自动化灌溉控制。

上述灌溉计划自动下发给智能温室控制系统并存储，每到土壤墒情参数达到设定阈值，系统自动打开阀门进行灌溉。

手动灌溉模式： 选择将要进行灌溉的温室大棚：手动开启及关闭温室阀门，该灌溉计划自动下发至各智能温室控制器，系统实现手动灌溉。

计划优化调整

如果灌溉期间检测到降雨（如安装雨量计），在降水量超过设定的限值后系统会参考墒情信息自动调整，减去降水量后重新安排计划并下发并覆盖上次计划。

计划执行监控

整个系统的运行状况、各灌溉单元的相关数据以及故障报警信息都可以随时监控。

计划数据管理

系统对于已经执行过的灌溉计划数据，会保存到数据库中，随时可以对历史灌溉计划数据进行查询。

模型参数设置

编制灌溉计划用到的模型，需要输入所需的参数数据，然后根据模型分析计算出相应的结果。

日志管理

日志管理包括登录日志和操作日志两部分。登录日志主要是操作员每次登陆系统的记录；操作日志详细记录了操作员的每一项动作。有了日志记录，可以清楚的看到每个操作员对系统的各项操作轨迹，需要时可以进行各种查询。管理员可以对过期的、无用的系统日志进行清理和批量删除。

3.1.2.4 实时监控

中控室通过远程监控系统采集各现场监控站泵房内的各个阀门与水泵的控制信号，实现水泵和阀门的远程控制，同时还采集相关的模拟量数据，如蓄水池水位、管道流量、过滤器前后水压、电机电流、电压、墒情、气象等数据。

在设备监控界面上直观显示相关电磁阀的位置、状态、是否启用轮灌，正在灌溉的组别，灌溉持续时间、当前系统时间显示等信息。该界面可以对电磁阀的状态统一实时查询；轮灌启动、界面锁定；电磁阀的单独开启关闭、状态查询。界面锁定以后（安全模式），整个界面上操作人员不能有任何操作动作（不能控制设备，只能浏览查询信息），只有通过密码实现解锁才能进行控制操作。

灵活控制方式

自动控制：系统根据自动生成的灌溉计划在指定的时间自动打开灌水控制终端进行灌溉，在指定的时间自动关闭阀门结束灌溉。

定制灌溉模式：在经验数据库还没有建立起来时，也可以直接定制灌溉计划，在屏幕上直接设置任何一个灌溉系统的任何一个轮灌小区何时开始灌溉，灌多长时间等，系统会根据灌溉设计中的轮灌组分配，自动进行调整合并后下发执行。

即时控制模式：可不通过灌溉计划，在认为需要灌水时直接遥控打开或关闭某个轮灌区或水泵。

3.1.2.5 数据统计

数据统计功能

查询统计主要通过降雨量柱状图、土壤墒情曲线、气象信息数据查询、阀门实时信息查询、阀门历史信息查询等功能，同时对各类历史进行科学的统计、分析，融合大数据、互联网及物联网等相关技术，对数据进行充分的挖掘，形成农作物的标准种植信息库，从而达到提高能效、增产增收的目的。

（1）环境信息数据实时统计及展示

单独查看每个土壤墒情站的墒情过程线，可叠加共同输出墒情过程线并可打印。

（2）历史记录

通过控制程序界面，可查询相应的历史记录，包括各泵阀的开启、关闭时间，灌溉时长、周期等，以及温室的各类环境数据及土壤墒情数据。

数据分析功能

统计分析模块的功能设计应以满足灌溉计划、供水分析、方案评价、信息发布等业务需求为目标，统计分析模块的主要功能包括：灌溉计划统计、水量统计分析、环境信息统计、历史信息统计等功能模块等。

3.2 智慧农业物联网系统方案设计

3.2.1 智能控制系统

智能温室控制器（首部控制器）本身为智能终端并可独立运行。具备对水源和首部的全自动控制功能，向下能与传感器组网，实现灌溉、温湿度、风机、卷帘等设备的控制，向上也能与控制中心及手机客户端组网，最终实现大面积连片集中管理。

该控制系统应能监测水泵工况、水池水位、管道压力、供水流量和电量等参数，并可控制引渠进水闸门、水泵、过滤器冲洗以及施肥阀等。还应具有欠压、缺相、相序、管路失压等完整的故障监测保护和报警功能。

3.2.2 传感器与控制设备

3.2.2.1 土壤墒情工作站

每个墒情监测站布置 1 只土壤水分传感器，埋深 40cm，监测作物根系生长土层的土壤水分。

本项目中土壤墒情工作站工作模式为应答式，在控制中心或手机客户端的查询指令后按要求返回相应的监测值；

墒情站通常情况下无需设置和维护，具备自动采集和本地存储功能，采集不同深度土层的墒情数据后根据预设工作模式传回中控室。

3.2.2.2 环境数据采集工作站

根据温室面积，每个连栋温室安装套空气温湿度传感器，1 套光照强度传感器，1 套二氧化碳传感器。采集数据实时上传，除自动化管理电气设备以外，还具备温度、湿度告警等功能，通过短信或声光报警的方式通知温室责任人及时处理问题。环境数据采集每 5分钟采集一次数据。

3.2.2.3 电动阀阀门系统

因综合考虑使用连续性需求和建设投资，不设旁路及检修阀，因此阀门必须具备手动开启功能，在出现机械或电路故障时能够完成灌溉操作。

3.2.2.4 肥料选择

智能微灌系统的滴灌管出水口很小，非常容易被各种微小的杂质堵塞，影响到微灌施肥的效果。为此肥料的选择注意以下几个方面：

1、必须是全溶性的肥料，溶于水后无沉淀；

2、肥料的相溶性要好，搭配使用不会相互作用生成沉淀物；

3、施磷肥时尽量通过基肥施入土壤；

4、用微量元素时，应选用螯合态微肥，否则与大量元素肥混合使用时易产生沉淀物。

3.3 智慧农业控制系统优势

行业领先：模块化设计，统一的硬件平台，所有对外接口均进行 EMC 设计。系统设计借鉴电信级和汽车级的先进设计理念，行业领先的智能灌溉解决方案。

实时监控：系统支持自动报警、告警分析和设备诊断功能，准确定位和诊断故障节点，可实时监控整个系统的运行情况。

先进管理：平台采用无线基站的管理模式，整个系统功能更加丰富，容错能力更强，系统运行更加稳定、可靠、易用。该平台成功解决了目前市场上同类产品的存在的某些缺陷，大大提升设备使用率和系统工作效率，充分降低了人力及系统维护成本。

分布式结构：可与上层管理软件对接，向下也可实现灵活组网，接口种类丰富，可同时接入10多种设备，具有强大的灵活性与可扩展性，满足几乎所有节水灌溉场景的需求。