智慧农业物联网平台建设方案

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智慧农业物联网系统组网图****

2.2.1**& nbsp;**智能温室组网说明

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本组网图展示的是一个小面积示范区

2.2.2**& nbsp;智能节水灌溉组网说明**

2.2.3**& nbsp;组网方式**

greenhouse controller and control center utilize GPRS wireless communication and control protocol, while greenhouse controllers are connected to electrical devices and sensors via wired connections.

该网络架构具有良好的稳定性，并支持远程监控功能。随时可通过终端设备访问温室环境数据以及相关参数信息。

2.2.4**& nbsp;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。

定时模式由设备根据预设的时间段进行启停控制，并依据指定的时间参数自动执行相应的操作流程

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**

平台软件承担着整个系统功能的实现工作。然而，在整体效能上起关键作用的是多个核心要素。其中 software 的质量直接关系到项目的成功与否。该系统的管理软件分为三层结构，并且其设计架构采用了模块化分层模式。

数据层****

数据层主要负责处理多种数据分析工作，并收集并管理这些信息。
包括但不限于土壤墒情监测、气象条件记录以及植物生长过程中的各项参数测量。
同时还包括通过多种传感器设备获取的各项环境与生产相关的关键指标。

此层次属于基础层，在此层次上实现了多种数据源的信息收集与整理，并对这些数据进行了存储与分析处理过程的同时负责接收并执行多样化的控制命令以及完成相关设备参数设置与日常维护工作等任务。通常情况下此类功能由专业技术人员负责配置与日常维护工作无需普通操作人员具备相关技能

应用层****

该层是核心部分，在此主要工作内容在于规划并实施灌溉方案。具体而言，在线采集的关键气象及墒情数据将被收集并整合，并融合人工输入的作物各生长阶段所需水量信息以及以往的经验数据等参数进行计算分析。通过这些综合信息的数据处理与分析，则能够生成科学合理的灌溉计划。

当灌溉计划生成后，则由该系统的自动化管理模块处理。具体而言，在预先设定的时间节点上自动发送相应的控制指令，并分别控制水泵及相关的阀门。然而，在实际运行中依据实时监测到的信息进行警报设置，并依据气象数据及土壤湿度状况的变化自动生成优化方案，并据此制定相应的调整策略。这些优化措施包括但不限于降水量不足时延长浇水周期或减少浇水量；土壤墒情异常时暂停或增强 irrigation频率；以及干旱条件下采取限制浇水的做法等；人工确认后再继续实施这些决策步骤。

根据需要进行合理的调整和优化灌溉方案，并告知后台管理人员是否遵循新的优化方案进行灌溉操作。

界面层****

作为软件设计的顶层界面，在系统架构中扮演着关键角色。其设计目标包括科学性、美观性、易用性和易于维护四个核心要素。该系统能够提供丰富的数据分析功能，并实时监控灌区的各项灌溉指标以及土壤墒情数据参数。通过结合FLASH等工具构建图形界面，并广泛使用这些技术来优化用户体验和提高工作效率，在系统中支持生成多种多样化的数据统计图表以满足管理需求

3**.1.2平台软件功能**

该应用软件必须遵循 B/S 和 C/S 结构风格的界面设计，并采用全图形化设计方案以实现触摸屏操作功能。该软件应遵循上节所述的标准三层架构模式进行开发：其中底层系统将使用 C++ 语言进行编程实现；界面上层将采用 JAVA 语言开发界面上层脚本；而数据库系统则基于 MYSQL 技术实现。在功能模块方面，则将内置集成必要的数学分析模型以满足操作员上网浏览网页等基本需求。

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），

赋予不同角色相应的权限等级，在注册过程中为具体用户分配相应的行为权限，并确保每位用户均获得与其角色相对应的访问权限。系统登录必须经过身份验证流程，并对该过程进行全面的安全防护措施。仅允许经过身份认证的合法用户进入系统，并对其行为进行严格的权限控制以确保系统的安全运行。最终实现了系统的安全管理体系的有效运行

权限管理：主要涉及系统权限在菜单级别的管控措施；基于菜单功能划分的类别下实施相应的控制措施。

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****

主要通过系统的运行维护模块对设备、通信线路和数据库资源进行定期检查和优化配置。该系统旨在便于用户快速掌握所管理的对象信息。

智能温室控制器管理****

智能温控系统作为本项目的关键设备发挥着核心作用。
本系统的功能模块负责对所建设项目的 首台温控设备进行全生命周期管理与维护工作。
主要数据信息主要包括以下几项：
智能温控编号
温控操作范围划分
通信线路配置情况
以及相关备注记录等

通道管理****

通道管理的主要职责是对首部控制器、气象监测设备、土壤墒情监测设备以及其它数据通信信道实施维护与管理。通过集中化管理实现对数据接口的统一维护。

终端管理****

终端设备的管理可以通过依据设备类型以及相关首端控制器等条件实现各类终端设备的日常维护与管理流程。

数据备份还原****

为了解决可能出现的数据丢失或服务器崩溃等问题 节水灌溉实时监测与自动化控制综合管理系统配备全面的数据保护功能

故障管理****

当首部控制器或各类终端设备出现运行故障时, 系统将按照预先设定的警报参数向相关人员发出警报提示, 其主要包含一些设备的工作状态异常以及模拟量超出设定范围的情况; 非关键级别的告警信息可通过声光方式进行显示, 关键级别的告警信息则可通过短信的形式, 在发生于现场的时间内及时发送给相关负责人.

3.1.2.3 灌溉计划****

该系统主要通过作物种植规划、轮作分组管理、新建轮作分组、轮作计划管理、新建轮作计划以及智能化灌溉控制等核心功能模块的支持，在完成基本决策逻辑的同时构建智能化 irrigation管理体系；

本系统的核心模块主要负责制定和优化灌溉方案，并对各项关键指标进行数据统计和分析。

灌溉计划制定****

周期灌溉模式： 周期灌溉模式即为定时灌溉模式的一种应用方法，在温室大棚管理中具有重要价值。通过调节温室阀门并设置具体的开始时间和结束时间以及时长参数，则可实现温室温室内各阀门的定时开启与关闭功能；即可实现温室环境水分供应的周期定时给水功能。

自动灌溉模式： 首先选择需进行自动灌溉操作的温室大棚，并启动系统后依次完成以下步骤：一是设定土壤墒情监测指标；二是依次启动各阀门并确保其与土壤墒情监测系统的连接；三是系统将根据预设参数自动调节灌水速度和时间表。当系统运行稳定后即可实现全区域精准化浇水作业。

上述灌溉计划通过自动化技术将智能温室控制系统的灌溉需求数据传递，并实现存储功能；当土壤墒情参数达到预定的设定值时（即达到设定阈值），系统启动排灌装置以完成灌溉任务。

手动灌溉模式： 根据需求选择需进行 manual irrigation 的 greenhouse，在此模式下, 农户可定时开启及关闭 greenhouse 的 valve controls. 系统将根据设定好的 irrigation schedule 将该 irrigation plan 自动下发至 各智能 greenhouse controllers, 从而实现 manual watering.

计划优化调整****

当灌溉期启动时系统会监测到降雨情况（例如通过雨量传感器）。一旦累计降水超越预设阈值系统将根据土壤墒情自动优化 irrigation schedule。此时该系统将扣除相应降水量并生成新的irrigation plan随后发送至所有相关设施以取代原有的调度方案。

计划执行监控****

整个系统的运行状态、各灌溉单元的相关数据以及异常警报信息均具备实时监控功能。

计划数据管理****

系统会将已完成的灌溉计划数据存储在数据库中，并无需等待即可查询历史灌溉计划数据。

模型参数设置****

编制灌溉计划所依赖的数学模型需输入相关参数数据；随后通过该数学方法进行分析计算得到相应结果。

日志管理****

日记管理主要分为登录日记与操作日记两大类。登录日记主要记录了用户每次进入系统的行为记录；在操作过程中产生的详细记录则由操作日记完成。通过这些记录信息能够清晰追踪每位用户在系统中的活动路径。具体的查询需求可以通过相应的功能模块实现。管理人员可以通过本系统提供的清除功能对已不再具有实用价值的日志文件进行批量处理。

3.1.2.4 实时监控****

通过远程监控系统，中控室可实时获取各泵房监控站内各类阀门与水泵的控制信号信息，并能实现对水泵和相关阀门的远方控制。同时还会记录包括蓄水池水位、管道流量等在内的各种模拟参数数据。

在设备监控界面上直观呈现相关电磁阀的位置信息及其启停状态，并提供轮灌操作功能及当前系统运行状态数据；支持对电磁阀启停状态进行统一实时查询；当执行轮灌启动时会触发界面锁定机制；允许单独启停电磁阀并对其实现状态进行查询记录；在界面锁定状态下即进入安全模式（仅显示系统信息供查看），无法进行任何操作指令直至输入密码解锁后方才能执行设备控制功能

灵活控制方式****

自动控制：该系统按照预设的灌溉计划，在指定时间段内开启灌水控制终端进行灌溉，并在约定时间关闭阀门以完成灌溉过程。

在经验数据库尚未建立的情况下，在没有经验数据支撑下也可以进行定制化灌溉计划的配置，在屏幕上可以直接配置任何一个灌溉系统中的任何一个轮灌区的起始时间和持续时长（以及每次浇水的时间长度等），系统会依据设计好的轮灌分区方案进行相应的调整，并自动整合后生成最终的执行指令。

即时控制模式：无需遵循灌溉计划，在任何认为有必要浇水的情况下，通过遥控即可开启或停止相应的轮灌区或水泵。

3.1.2.5 数据统计****

数据统计功能****

查询统计系统主要通过降雨量数据可视化呈现、土壤水分变化趋势图、气象信息数据采集与处理、阀门实时运行状态反馈等技术手段进行信息收集和分析，并结合大数据平台对历史数据进行科学的方法进行统计与分析。通过整合互联网技术和物联网设备的数据资源，利用先进算法对数据进行深入挖掘潜力，并构建标准化种植数据库。最终目标是提升生产效率、增加产量并实现可持续增收。

（1）环境信息数据实时统计及展示****

逐一查看每个土壤墒情站的地力变化趋势图，可以通过合并的方式生成一个整体趋势图，并支持打印功能。

（2）历史记录****

通过程序界面的操作可实现历史记录信息的查询，并涵盖泵阀启闭时间和灌溉周期等详细参数；同时提供温室环境参数数据和土壤墒情监测数据。

数据分析功能****

本系统中的数据可视化工具旨在通过数据分析支持 Irrigation Planning, Water Supply Analysis, Scheme Evaluation, 和 Information Dissemination 等关键业务活动

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）本身作为智能终端具备自主运行能力。它不仅拥有对水循环系统以及温室本体的全自动控制功能，并可通过传感器网络实现向下级设备（如风机、卷帘等）的联动控制；同时支持上行通信连接至 control center 和 mobile application platform, 最终达到大面积连片统一监控和精准调节的目标。

该系统具备对水泵运行状态、水池液面高度以及管道工作压力等多种参数的实时监控能力，并且能够实现对引渠进水阀门的调节以控制水泵运转，并定期进行过滤器冲洗以及施肥阀的操作。此外还具备欠压失相及管路失压等多种故障状态的实时检测与报警功能

3**.2.2传感器与控制设备**

3**.2.2.1土壤墒情工作站**

在每个墒情监测站布置一只土壤水分传感器，并将其埋设深度设定为40厘米；该传感器将实时监控作物根系生长土层内的土壤水分含量。

本项目中土壤墒情工作站采用响应式工作模式，在管理平台或移动端应用程序中的查询指令后按要求返回相应的监测数据

一般情况下无需人工干预配置；
该系统具备自动监测与本地存储功能；
在完成土壤湿度数据采集后依据预先设定的工作流程将数据发送至监控中心。

3**.2.2.2环境数据采集工作站**

基于温室面积的规划下,每个连栋温室配置有空气温湿度传感器,以及光照强度传感器与二氧化碳传感器各一套.实时采集并上传环境数据,除了自动管理电气设备外,该系统还具备温度与湿度的预警功能,能够通过短信或者声光报警的方式向温室负责人发出警报信息,从而帮助他们及时应对可能出现的问题.环境监测系统每隔5分钟就会收集一次数据信息

3**.2.2.3电动阀阀门系统**

因全面权衡使用连续性需求与建设投资成本，为了避免设置旁路及检修阀之必要，由此可见阀门必须具备手动开启之功能，在机械或电路故障发生时即可正常进行灌溉作业。

3**.2.2.4肥料选择**

该系统采用直径较小的滴灌管设计，在实际应用中往往轻而易举被细小的杂质堵塞，并最终导致施肥效率低下。因此，在选择肥料时应着重考虑以下几个因素：

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；

用微量元素施肥时应当选用螯合态微肥料以避免与大量元素肥料混用导致形成沉淀物的情况

3**.3智慧农业控制系统优势**

行业领先采用模块化设计方案提供统一的硬件平台支持确保所有对外接口均按照EMC标准进行设计在系统设计中采用了电信级与汽车级先进技术并持续处于智能化 irrigation解决方案领域领先地位

实时监测：该系统具备即时报警触发、故障预警报告生成以及设备定位与排查模块。该系统能够精准识别故障发生位置，并完成故障原因分析。持续跟踪系统各环节的工作状态

该平台采用无线基站管理模式进行先进管理，在功能上更加丰富完善，并显著增强了系统的容错能力。相比现有市场产品，在稳定性、可靠性以及易用性等方面均有明显提升。平台成功解决了同类产品存在的技术缺陷问题，在提升设备使用效率的同时大幅提升了系统工作效能，并有效降低了人力投入和系统的维护成本。

分布式结构方面能够与上层管理软件建立连接，并且向下支持灵活的网络架构配置；该系统具备接口类型多样和良好的灵活性与扩展能力；它能够支持最多接入数十种不同类型的设备；这种设计适用于绝大多数的节水灌溉场景。

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