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基于物聯網的草莓無土栽培智能管理系統設計與實現研究論文

實用文 時間:2021-08-31 手機版

  無土栽培是指不用天然土壤,使用基質或不使用基質,用營養液灌溉植物根系或用其他方式來種植植物的方法。無土栽培能夠避免水分大量滲透和流失,克服土壤連作障礙,在節約用水、緩解耕地緊張等問題上優勢突出,具有作物生長快、經濟效益高,產品質量好,無污染、不受地區和季節限制、便于實現生產工廠化和自動化等優點,是設施栽培發展的高級階段和重要方向。在發展速度快、栽培效益高,連作障礙明顯的設施草莓栽培中,無土栽培的應用優勢更為突出,且其可實現溫室大棚立體栽培,顯著提高經濟效益和生態效益。無土栽培以人工創造的作物根系環境取代土壤環境,不僅能滿足作物對礦物質營養、水分和氧氣的需要外,還能應用人工技術對這些環境加以控制和調整,使其在品質方面按照需求發展。然而傳統的應用人工對溫室環境及其營養液進行控制、調整和檢測,效率低下,容易出現錯誤和偏差。如何對無土栽培環境實施全方位實時監測、實時傳輸,根據生產要求及時調整環境參數,有效地提高生產效率和產品質量成為目前無土栽培技術的一大難點。隨著農業物聯網技術的發展,以傳感技術與物聯網技術相結合的全方位田間環境監控技術得到迅速發展。但所研制的產品功能普遍比較單一,擴展性差,更由于不能大批量生產,導致價格較高,沒有取得較好的推廣效果。設施農業物聯網技術還沒有出現一個可以在穩定性、經濟性和通用性上均衡發展,最終占據市場主導地位的管理系統或管理平臺。

  本文利用先進的計算機技術對無土栽培溫室大棚的生長環境進行科學檢測、科學分析和有效控制,使其具有最為適宜的生長小環境,準確、及時掌握環境數據,科學控制草莓生長過程,達到增產、改善品質、調節生長周期、提高經濟效益的目的,進而實現農業生產集約、高產、優質、高效、生態和安全的目標。設計的系統適用性好、擴展性強、穩定性好,經濟性和通用性都相對較高。同時,可通過遠程監控,實時分析,實現遠程指導、實時動態教學和管理,實現智能溫室的全自動化,也可以在廣大設施農業領域中起到示范作用,實現“智慧農業”的推廣和應用。

1 系統架構設計

  本研究設計的無土栽培溫室大棚物聯網智能管理系統,可使生產或其他過程按照人們編制的工作程序自動進行監控,當被監控的對象運行時,無需人的直接參與。智能監控包括自動監測和智能控制2 個方面,即利用計算機對環境因素或生產過程各因素進行全天候不間斷的實時監測,并根據實時數據和控制模型進行智能判斷,根據實際需要給出實時控制方案,自動完成各設備的控制。本系統集傳感器、自動化監測、自動化控制、通訊、計算等技術與專家系統于一體,通過預置草莓生長發育所需的適宜環境參數和控制模型,搭建溫室智能化軟硬件平臺,實現對草莓無土栽培溫室中溫度、濕度、光照、營養液濃度、pH 值、EC 值和CO2濃度等因子的自動監測和控制。

  1. 1 系統設計目標

  本系統由前端部分來完成對環境監測因子的含量監測與匯總、轉換、傳輸等工作,監測因子包括空氣溫度、濕度、光照、營養液溫度、pH 值、EC值、溶解氧、CO2濃度等環境參數,這些監測因子由數據采集終端使用不同的方法進行測量,通過數據處理轉換后經由GPRS 等網絡向在線監測數據平臺傳輸數據,由在線監測數據傳輸平臺實現數據的接收、過濾、存儲、處理、統計分析并提供實時數據查詢等任務。當某個指標超過設定值的時候,自動開啟或者關閉指定設備。整個系統可安全、可靠、準確、實時、全面、快速、高效地將真實的草莓無土栽培生產環境信息展現在管理人員的面前,并實現智能化管理和控制。使草莓在一個充分優化的環境中生長發育,充分提高資源利用效率,減少病蟲為害,節約養分、水分、能源及管理成本等,使管理精準、生產高效、生態安全。系統總體設計

  1. 2 系統設計框架

  無土栽培溫室智能管理系統主要包含智能監測管理、智能控制模型和智能控制管理三部分。系統設計框架圖見圖2。其中智能監測管理系統主要由傳感器、數據接駁器、集線器、數據傳輸終端及傳輸網絡、數據存儲器構成的在線監測系統,該系統主要負責水培溫室環境因子的采集、處理和管理等。智能控制模型主要由草莓栽培專家系統、草莓生長發育各函數模型及其管理模型組成,主要實施對監測到的數據根據草莓生長發育與環境的關系模型進行科學分析、準確判別,實施控制方案的制定和發布。智能控制管理系統由控制策略程序和執行機構組成,執行機構由營養液調控系統、水分調控系統、pH 調控系統、EC 值調控系統、溶解氧調控基于物聯網的草莓無土栽培智能管理系統設計與實現857無土栽培溫室的環境智能監控系統設計框架系統、空氣溫度調控系統、空氣濕度調控系統、光照調控系統等組成,執行機構的實施均采用電磁閥或電機控制。

  1. 3 系統重要功能

  1. 3. 1 溫室環境的自動監測

  通過在線監測系統能對所有影響草莓生長發育的溫室環境實施全天候的在線自動監測。即可自動監測溫室內的空氣溫度、空氣濕度、光照強度、CO2濃度、營養液溫度、溶解氧、pH 值、EC 值、營養液用量、灌溉水量等參數; 同時,可以監測溫室外的空氣溫度、空氣濕度、光照強度等參數。并且在線監測數據傳輸平臺可以實現數據的接收、過濾、存儲、處理、統計分析并提供實時數據查詢等。不但可以使管理人員或系統本身根據實時數據和歷史數據實施精準的管理,同時,還可以使領導、專家及其科研、教學人員實時觀察、掌握植物生長發育狀況及其與環境因子的關系,并進行相關決策、研究和教學等等。

  1. 3. 2 溫室環境的自動控制

  根據自動監測各環境參數及其系統設計的草莓生長發育模型、專家系統及其管理模型等,制定和發布的指令,智能控制系統可以實現溫室環境的自動控制,主要包含棚內栽培營養液調節和更換,溶解氧的自動調節、pH 的自動調節、EC 值的自動調控、遮陽網和薄膜的卷簾、閉簾,水簾、風機的開和關,加溫、降溫、通風、排濕設施的開關、灌溉和增濕設施的開關等。所有系統既可以實施全自動的控制,根據需要也可以實施手動控制。自動控制可以單個溫室為基本控制單位、室內單個控制設備為基本控制單元,利用計算機技術開發分布式控制系統; 基于分布式控制系統,開發利用動力供電線路( 交流220 V) 為母線的載波數據傳輸接口電路。

  1. 3. 3 信息管理

  本系統可以實現監測數據的自動存儲和分析管理,監測數據的遠程遙測與控制指令的遠程傳輸管理,及其自動控制方案的制定與發布,包括根據營養液溶度、溶解氧、pH 值、EC 值等控制下限和上限進行自動的營養液調節或更換等控制方案; 根據棚內溫度、棚內外光照強度或時間進行水簾和風機及遮陽網的卷簾和閉簾等控制方案; 根據棚內空氣濕度大小制定的排風控制方案、根據作物需要或按照時間制定的增濕控制方案等; 棚內營養液積溫、空氣積溫、累計光照時間及氣溫濕度、營養液pH、EC 等影響水培植物生長發育的重要參數曲線圖表的繪制管理。


本文來源http://www.nvnqwx.com/shiyongwen/2297407.htm
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