CN103134551A - 一种基于物联网设施蔬菜农田环境监测与标准化生产系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于物联网设施蔬菜农田环境监测与标准化生产系统，它包括设施农田组网监测控制设备和监测预警平台；设施农田组网监测控制设备将网内监测到的设施农田环境参数及相应视频文件经3G网络或以太网传输至监测预警平台，对设施农田环境进行实时监测和控制。本发明采用由主控数据采集设备和若干被控数据采集设备构成的物联网，将采集到的监测数据经3G网络或以太网传输至监测预警平台，实现对设施农田环境进行实时监测。在监测预警平台内，根据实时监测到的设施农田环境参数可以有效指导设施大棚农业生产过程中各种农事活动。本发明可以广泛应用于设施农田应用中。

Description

一种基于物联网设施蔬菜农田环境监测与标准化生产系统

技术领域

本发明涉及一种农业种植环境监测与生产控制系统，特别是关于一种基于物联网技术的设施蔬菜农田环境组网监测与标准化生产系统。 

背景技术

“农业物联网数控系统”是物联网技术的一部分，当前，物联网已成为各国构建经济社会发展新模式和重塑国家长期竞争力的先导领域。发达国家通过国家战略指引、政府研发投入、企业全球推进、应用试点建设、政策法律保障等措施加快物联网发展，以抢占战略主动权和发展先机。我国已具备一定的应用、技术和产业基础，并以建设物联网产业园区、智慧/智能城市建设和应用示范等为标志，形成了物联网发展热潮，取得了积极进展，国家“十二五”已经把物联网列入发展纲要当中，这给物联网产业的发展提供了良好的发展机遇。 

目前，国内外的物联网企业大多是传感器生产企业或微气象设备生产企业。专业研究具体行业物联网应用的国家和机构很少，更没有形成可直接指导农业生产或整合、优化整体产业的专业系统。其技术水平还停留在单一采集设备只能配置少量传感器采集数据、不能自由组网采集数据和有效控制农业设施、不能采用无线技术传输数据和视频信息，上述三者的结合技术更是无人问津。 

如何真正实现农业物联网设备网络化、集群化管理，将各个物联网的信息孤岛有机的联成网络，并在物联网的各个节点实现有效控制，才是真正实现了“农业物联网”的联网概念，进而实现多路采集、无线自由组网、无线有线自由传输等技术特点。 

“农业物联网数控系统”在监测、保护和改善生态环境方面有着非常重要的作用。系统通过自由组网或独立监测的方式对一系列环境要素的数据采集和分析再结合有关行业专家提供的应用参数，对该地区的环境进行监测和控制。可广泛应用在食品安全、化工、仓储、退耕还林还草、天然林保护、封山育林、大气环境监测、水质水体监测和控制、植物生长及环境监测和控制、沙漠治理监测、农业灌溉、设施农业、城市立体绿化、渔业生产、区域化农业大生产。目前“农业物联网数控系统”已在高效优质设施农业和高档水产养殖领域得到应用，更重要的是此系统在保障食品安全、食品追溯，以及扩大农产品出口等方面具有十分重要的意义。 

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够实时的并可组网监控的设施农田环境，能有效指导设施大棚农业生产过程中各种农事活动的基于物联网技术的设施蔬菜农田环境监测与标准化生产系统。 

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案： 

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用由主控数据采集设备和若干被控数据采集设备构成的物联网实体，将采集到的监测数据经3G网络或以太网传输至监测预警平台，实现对设施农田环境进行实时监测。在监测预警平台内，根据实时监测到的设施农田环境的变化参数，结合农业专家的指导意见，经过监测预警平台计算，可以有效指导设施大棚农业生产过程中各种农事活动。2、本发明由于设施农田组网检测控制设备与监测预警平台之间采用3G网络或以太网进行数据传输，能够显著提高数据传送的速度和传输质量，特别是能够很好地实现视频和声音数据的传送，更进一步满足农业生产实时监测预警和控制管理的需求。3、本发明由于设施农田组网监测控制设备中的若干被控数据采集设备和主控数据采集设备中均设置有供电模块，该供电模块可以采用外接电源，也可以采用太阳能供电装置，扩大了本发明的适用范围。4、本发明由于设施农田组网监测控制设备包括主控数据采集设备和若干被控数据采集设备，主控数据采集设备和各被控数据采集设备分别设置在田间各个待监测大棚内，构成物联网，实现独立组网分层分级管理。5、本发明由于采用监测预警平台设置在数据管理中心(各地或本地机房)，通过3G网络传送的气候数据及影像数据，通过服务器端到达平台底层的数据通讯协议进入数据库，实现无线通讯网和Internet网的两网数据统一处理，再通过监测预警平台内的数据处理模块完成相应的计算后得到预警或决策等结果，当预警信息确认后，监测预警平台可自动对农业环境进行调整。6、本发明提供的技术方案在于通过安装本发明装置，监测农业生产中某农业生产户在某一季节，某一作物获得高产的监测数据，通过数据分析统计，以及生产中的农田环境的经验值，形成专家系统，通过实时监测数据与专家系统数据进行实时对照，有效控制大棚内的设施，改变设施农田环境，有效指导设施大棚农业生产过程中各种农事活动。本发明可以广泛应用于设施农田应用中。 

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图； 

图2是本发明的主控数据采集设备结构示意图； 

图3是本发明的被控数据采集设备结构示意图； 

图4是本发明的供电模块采用太能供电装置时的结构示意图； 

图5是本发明的传感器组安装示意图； 

图6是本发明的土壤湿度传感器在2012年2月10日变换趋势曲线图；其中， 为大棚内东侧20m处土壤湿度曲线图， 

为大棚内东侧50m处土壤湿度曲线图， 

为大棚内中部20m处土壤湿度曲线图， 

为大棚内中部50m处土壤湿度曲线图， 

为大棚内西侧20m处土壤湿度曲线图， 

为大棚内西侧50m处土壤湿度曲线图； 

图7是本发明的土壤温度传感器埋置于大棚中央地下20厘米处时，在2012年2月10日变换趋势曲线图； 

图8是本发明的空气温度传感器在2012年2月10日变换趋势曲线图；其中，虚线为大棚上部温度曲线图，实线为大棚下部温度曲线图； 

图9是本发明的空气湿度传感器在2012年2月10日变换趋势曲线图；其中，虚线为大棚上部空气湿度曲线图，实线为大棚下部空气湿度曲线图； 

图10是本发明的二氧化碳浓度传感器在2012年2月10日变换趋势曲线图；其中，虚线为大棚上部二氧化碳浓度曲线图，实线为大棚下部二氧化碳浓度曲线图； 

图11是本发明的日光照度传感器在2012年2月10日变换趋势曲线图；其中，虚线为大棚前部日光照度曲线图，实线为大棚后部日光照度曲线图； 

图12是本发明的第一个实施例的效果图； 

图13是本发明的第二个实施例的效果图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。 

如图1所示，本发明包括设置在农田间各大棚内的设施农田组网监测控制设备10和监测预警平台40。设施农田组网监测控制设备10以自由组网的方式，将网内监测到的设施农田环境参数及相应视频文件经3G网络或以太网传输至监测预警平台40，在监测预警平台40内经过计算实现对设施农田环境的实时监测和控制，进而指导设施大棚农业生产过程的各种农事活动。 

设施农田组网监测控制设备10包括一主控数据采集设备20和若干被控数据采集设备30，主控数据采集设备20和各被控数据采集设备30分别设置在田间各个待监测大棚内，构成物联网。 

如图2所示，主控数据采集设备20由通讯模块21、数据采集模块22、传感器组23、无线收发模块24、供电模块25和视频模块26构成，供电模块25为主控数据采集设备20供电。传感器组23将采集到的各种环境参数传输至数据采集 模块22，经数据采集模块22进行转换、打包等处理后，传输至通讯模块21；无线收发模块24用于接收各被控数据采集设备30传输至的各大棚环境参数及其设备标签，并将接收到的所有数据信息均发送至通讯模块21；视频模块26用于采集大棚内各农作物的生长状态视频信息，并将采集到的视频信息发送至通讯模块21。通讯模块21将接收到数据信息及视频信息经3G网络或以太网传输至监测预警平台40。 

如图3所示，每个被控数据采集设备30与主控数据采集设备20结构类似，除了包括数据采集模块22、传感器组23、供电模块25和视频模块26外，还包括无线发送模块34。传感器组23将采集到的各种环境参数及视频信息经数据采集模块22传输至无线发送模块34；视频模块26将采集到的农作物生长状态视频信息传输至无线发送模块34。无线发送模块34将接收到的所有信息及其设备标签发送至主控数据采集设备20的无线收发模块24。 

其中，被控数据采集设备30最多可以采用255台，在田间地头形成物联网。 

上述实施例中，供电模块25可以采用外接电源，也可以采用太阳能供电装置。本发明采用的太能供电装置使用寿命较长。如图4所示，该太阳能供电装置包括集热板251和蓄电池组252，集热板251将热能转换为电能后传输至蓄电池组252，由蓄电池组252发电工作，并由设置在蓄电池组252外部的保温箱253控制其温度，使蓄电池组252的温度一直处于安全使用温度范围内，确保使用安全，并延长使用寿命。 

保温箱253内设置有温度传感器254、控制器255和温度调节器256。温度传感器254将采集到的蓄电池组252工作温度传输至控制器255内，与控制器255内的预设阈值进行比较，当高于预设阈值时，控制器255则控制温度调节器256进行降温，将蓄电池组252降温至安全温度范围内；当低于预设阈值时，控制器255则控制温度调节器256进行升温，将蓄电池组252升温至安全温度范围内，进而保证了蓄电池组252一直处于安全使用温度范围内。 

其中，温度调节器256可以根据使用环境需求，单独采用降温瓶257或单独采用升温器258，也可以采用由降温瓶257和升温器258构成的温度调节器。当温度调节器256采用由降温瓶257和升温器258构成时，温度传感器254将采集到的蓄电池组252工作温度传输至控制器255内，与控制器255内的预设阈值进行比较，当高于预设阈值时，控制器255则控制降温瓶257工作，对蓄电池组252降温；当低于预设阈值时，控制器255则控制升温器258工作，对蓄电池组252升温，进而保证了蓄电池组252一直处于安全使用温度范围内。单独采用降温瓶7 或单独采用升温器258时，控制器255的控制原理与上述原理一致，在此不再赘述。控制器255内的预设阈值为18℃～25℃之间的任意值；降温瓶257内填充有冷却剂，以实现降温功能；升温器258可以采用电热丝。 

上述各实施例中，数据采集模块22间隔10～50分钟收集一次传感器组23采集的数据。 

上述各实施例中，传感器组23包括土壤湿度传感器231、土壤温度传感器232、空气温度传感器233、空气湿度传感器234、二氧化碳浓度传感器235和日光照度传感器236。 

土壤湿度传感器231设置为两组，每组设置有三路土壤湿度传感器，两组传感器分别用于测定土壤表层和下层土壤湿度，两组传感器埋藏深度分别为距离地表20厘米处和50厘米处。如图5所示，土壤湿度传感器231共设置6路，以大棚大门方向为起点分为东、中、西3个点，每个点设置有用于测试20厘米处土壤湿度和50厘米处土壤湿度的两个传感器。经检测验证，土壤湿度变化较小，基本维持在一个水平线上(如图6所示)。以大棚种植西红柿为例，土壤湿度监测结果以60％～80％为宜，西红柿土壤湿度下限为45％，当监测结果为小于45％时，应该给农田浇水。 

土壤温度传感器232设置为一路，用于测定变化较大的地表温度，埋藏距离地表10～25厘米处。如图6所示，土壤温度传感器232埋置于大棚中央地下20厘米处。经检测验证，土壤温度变化趋势与空气温度变化相近，但是变化幅度相对较小。夜间土壤温度值在5～10℃，9～16点为全天最高温，约15℃(如图7所示)。以大棚种植西红柿为例，西红柿10厘米地温稳定在8℃以上才可以栽植，根系生长的适宜土温(5～10厘米土层)为20～22℃，低于12℃根系生长受阻。 

空气温度传感器233设置为两路，分别用于测定距离地表处和大棚上部空气温度。如图5所示，空气温度传感器233安装在大棚中部，两路空气温度传感器分别安装在植株上部一个，距地表约1.2米，植株高下部一个，距地表约0.6米。经检测验证，两路空气温度传感器数值接近(如图8所示)，最大差距为2℃；在8点以后温度值大幅升温，10点达到29℃，14点达到最高值35℃，17点降到20℃以下，夜间21点后降到10℃以下。以大棚种植西红柿为例，适合在月平均温度为20～25℃的季节里生长发育，对温度的适应范围为10～35℃，但不同生育阶段对温度的要求及反应是有差异的。种子发芽的最适温为28～30℃，最低为11℃，最高35℃，低于11℃容易造成烂种。幼苗及植株生长最适宜的昼温为24～28℃，夜温为15～18℃。低于10℃，生长量下降；低于5℃，茎叶停止生长；-1℃～-2℃ 时遭受冻害；当白天大棚内温度达到25℃时，应该开风口通气，调节温度；根据温度还适时盖草苫和开草苫。 

空气湿度传感器234设置为两路，分别用于测定距离地表处和大棚上部空气湿度。如图5所示，空气湿度传感器234安装在大棚中部，两路湿度传感器分别安装在植株上部1/3处和植株下部1/3处。经检测验证，空气湿度夜间最高，位于植株上部的传感器数值比位于植株下部下的传感器数值约高15％；9～16点空气湿度最低，约30％，因为土壤湿度较低，而且此阶段番茄植株长势弱，两路空气湿度传感器值差异不大(如图9所示)。以大棚种植西红柿为例，空气湿度45～50％为宜。空气湿度大，不仅阻碍正常授粉，而且在高温高湿条件下病害严重，监测结果空气湿度大时应该采取铺地膜降低湿度等措施。 

二氧化碳浓度传感器235设置为两路，分别用于测定距离地表处和大棚上部空气二氧化碳浓度。如图5所示，二氧化碳浓度传感器235安装在大棚中部，两路二氧化碳浓度传感器分别安装在植株上部1/3处和植株下部1/3处，蔬菜生长对二氧化碳的需求高于普通环境中的20％，当实时监测结果没达到高于20％，可以适宜向大棚内通二氧化碳，促进蔬菜生长。经检测验证，两路二氧化碳浓度传感器探测值变化趋势相同，位于植株上部的探测值高于位于植株下部的探测值。全天波动幅度大于6月，可能因为作物光合能力下降，而且通风时间比6月短。夜间数值高于白天，夜间下探针值约为1200，上探针值约为900；早晨8点之后大幅下降，下探针数值650左右，上探针数值在550左右；16点后缓慢上升(如图10所示)。 

日光照度传感器236设置为两路，分别用于测定大棚南北向各1/3处日光照度。如图5所示，日光照度传感器236分别摆放在大棚中部同一垄地的植株上层，前三分之一处、后三分之一处。经检测验证，8点后光照大幅增强，9～16点光照在5万lux(光照强度单位)左右，9～12点，位于前部的探测值高于位于后部的探测值，12～16点则位于后部的探测值高，16点后则大幅降低(如图11所示)。以大棚种植西红柿为例，西红柿属中光性植物，对日照长短的要求比较宽，每日以16小时左右的光照条件为最好。番茄光饱和点为7万勒，一般应保持3～3.5万勒。光照充足，光合作用旺盛，花芽分化正常，结果多，产量高；光照不足，茎节细长，叶片变薄，叶色变浅，花芽分化时间延迟，花质变劣，容易落花落果。 

如图1所示，监测预警平台40设置在数据管理中心(各地或本地机房)，通过3G网络传送的气候数据及影像数据，通过服务器端到达平台底层的数据通讯协议进入数据库，实现无线通讯网和Internet网的两网数据统一处理。监测预警平 台40内设置有数据处理模块41、设施控制模块42和显示屏43，数据处理模块41将主控数据采集设备20和各被控数据采集设备30传输至的设备标签、环境参数及视频信息综合分析处理后，得到各大棚内的环境参数，分别传输至设施控制模块42和显示屏43进行实时显示，同时将环境参数存入数据库。设施控制模块42根据接收到的环境参数、以及由预置在监测预警平台40内的专家数据库传输至的环境参数，形成对某一种植物(例如大番茄、樱桃番茄等具体的植物)的标准化农业生产系统的指导方案(控制程序)，以控制后端的自动化农业设备进行相应的农事操作，例如浇水、施肥及通风等。用户可以通过显示屏43直接查看各个被监测大棚的环境参数信息和视频信息，以指导设施大棚农业生产过程中的各种农事活动。 

综上所述，本发明采用的设施农田组网监测控制设备10与监测预警平台40之间利用数据融合技术实现3G网络和以太网的两网数据统一处理，可直接在监测预警平台40查看监测点的历史采集数据和视频。设施农田组网监测控制设备10传送的环境监测数据通过系统的数据通讯协议进入数据库，通过监测预警平台40内数据处理模块51进行相应的计算处理后，得到标准化生产系统的预警与监测结果，指导进行相应的农田管理。 

下面通过具体实施例对本发明的技术效果作进一步的介绍。 

实施例1： 

如图12所示，利用本发明基于物联网设施蔬菜农田环境监测与标准化生产系统，形成冬春茬大番茄标准化生产指导方案(其著作权号为2012r111046149)，进而对冬春茬大番茄进行物联网标准化生产，2011年2月至2011年7月，其产量为147.9吨/公顷；同茬当地农户常规生产大番茄的产量为132.2吨/公顷。因此，利用本发明形成的标准化生产指导方案生产的大番茄与同茬当地农户常规生产相比较，其产量增加了10.62％。 

实施例2： 

如图13所示，利用本发明基于物联网设施蔬菜农田环境监测与标准化生产系统，形成秋冬茬樱桃番茄标准化生产指导方案(其著作权号为2012r111046164)，进而对秋冬茬樱桃番茄进行物联网标准化生产，2011年9月至2012年2月其产量为19.3吨/公顷；同茬当地农户常规生产樱桃番茄时，由于本茬常规生产遇到极端天气，整个生育期遇到低温影响，总体产量受到影响，其产量为18.4吨/公顷。因此，利用本发明形成的标准化生产指导方案生产的秋冬茬樱桃番茄在物联网监测条件下，提前采取相应的措施，相对农户常规生产，樱桃番茄产量增加了4.66％。 

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的连接和结构都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。 

Claims (10)

1.一种基于物联网设施蔬菜农田环境监测与标准化生产系统，其特征在于：它包括设施农田组网监测控制设备和监测预警平台；所述设施农田组网监测控制设备将网内监测到的设施农田环境参数及相应视频文件经3G网络或以太网传输至所述监测预警平台，对设施农田环境进行实时监测和控制；

所述设施农田组网监测控制设备包括一主控数据采集设备和若干被控数据采集设备，各所述主控数据采集设备和若干被控数据采集分别设置在田间各个待监测大棚内；

所述主控数据采集设备由通讯模块、数据采集模块、传感器组、无线收发模块、供电模块和视频模块构成，所述供电模块为所述主控数据采集设备供电；所述传感器组将采集到的各种环境参数传输至所述数据采集模块，经所述数据采集模块处理后传输至所述通讯模块；所述无线收发模块用于接收各所述被控数据采集设备传输至的各大棚环境参数及其设备标签，并将接收到的所有数据信息均发送至所述通讯模块；所述视频模块用于采集大棚内农作物的生长状态视频信息，并将采集到的视频信息发送至所述通讯模块；所述通讯模块将接收到的数据信息及视频信息经3G网络或以太网传输至所述监测预警平台；

每个所述被控数据采集设备包括数据采集模块、传感器组、供电模块、视频模块和无线发送模块，所述传感器组将采集到的各种环境参数经所述数据采集模块传输至所述无线发送模块；所述视频模块将采集到的农作物生长状态视频信息传输至所述无线发送模块；所述无线发送模块将接收到的所有信息及其设备标签发送至所述主控数据采集设备的无线收发模块。

2.如权利要求1所述的一种基于物联网设施蔬菜农田环境监测与标准化生产系统，其特征在于：所述被控数据采集设备采用255台以下。

3.如权利要求1或2所述的一种基于物联网设施蔬菜农田环境监测与标准化生产系统，其特征在于：所述供电模块采用外接电源或采用太阳能供电装置。

4.如权利要求3所述的一种基于物联网设施蔬菜农田环境监测与标准化生产系统，其特征在于：所述太阳能供电装置包括集热板和蓄电池组，所述集热板将热能转换为电能后传输至所述蓄电池组，所述蓄电池组外部还设置有保温箱，由保温箱控制所述蓄电池组温度；所述保温箱内设置有温度传感器、控制器和温度调节器；所述温度传感器将采集到的所述蓄电池组工作温度传输至所述控制器内，由所述控制器控制所述温度调节器工作。

5.如权利要求4所述的一种基于物联网设施蔬菜农田环境监测与标准化生产系统，其特征在于：所述温度调节器采用升温器或降温瓶，或采用由升温器和降温瓶构成。

6.如权利要求1或2所述的一种基于物联网设施蔬菜农田环境监测与标准化生产系统，其特征在于：所述传感器组包括土壤湿度传感器、土壤温度传感器、空气温度传感器、空气湿度传感器、二氧化碳浓度传感器和日光照度传感器；所述土壤湿度传感器设置为两组，每组设置有三路土壤湿度传感器，两组传感器分别用于测定土壤表层和下层土壤湿度；所述土壤温度传感器设置为一路，用于测定变化较大的地表温度；所述空气温度传感器、空气湿度传感器、二氧化碳浓度传感器和日光照度传感器均设置为两路。

7.如权利要求3所述的一种基于物联网设施蔬菜农田环境监测与标准化生产系统，其特征在于：所述传感器组包括土壤湿度传感器、土壤温度传感器、空气温度传感器、空气湿度传感器、二氧化碳浓度传感器和日光照度传感器；所述土壤湿度传感器设置为两组，每组设置有三路土壤湿度传感器，两组传感器分别用于测定土壤表层和下层土壤湿度；所述土壤温度传感器设置为一路，用于测定变化较大的地表温度；所述空气温度传感器、空气湿度传感器、二氧化碳浓度传感器和日光照度传感器均设置为两路。

8.如权利要求1或2或7所述的一种基于物联网设施蔬菜农田环境监测与标准化生产系统，其特征在于：所述监测预警平台内设置有数据处理模块、设施控制模块和显示屏，所述数据处理模块将所述主控数据采集设备和各被控数据采集设备传输至的设备标签、环境参数及视频信息综合分析处理后，得到各大棚内的环境参数，分别传输至所述设施控制模块和显示屏进行实时显示，所述设施控制模块根据接收到的环境参数，控制后端的自动化农业设备进行农事操作。

9.如权利要求3所述的一种基于物联网设施蔬菜农田环境监测与标准化生产系统，其特征在于：所述监测预警平台内设置有数据处理模块、设施控制模块和显示屏，所述数据处理模块将所述主控数据采集设备和各被控数据采集设备传输至的设备标签、环境参数及视频信息综合分析处理后，得到各大棚内的环境参数，分别传输至所述设施控制模块和显示屏进行实时显示，所述设施控制模块根据接收到的环境参数，控制后端的自动化农业设备进行农事操作。

10.如权利要求6所述的一种基于物联网设施蔬菜农田环境监测与标准化生产系统，其特征在于：所述监测预警平台内设置有数据处理模块、设施控制模块和显示屏，所述数据处理模块将所述主控数据采集设备和各被控数据采集设备传输至的设备标签、环境参数及视频信息综合分析处理后，得到各大棚内的环境参数，分别传输至所述设施控制模块和显示屏进行实时显示，所述设施控制模块根据接收到的环境参数，控制后端的自动化农业设备进行农事操作。

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