番茄大棚物联网数据采集系统的设计.pdf

52 现代农业装备 2022年 番茄大棚物联网数据采集系统的设计 燕佳惠 1 张 虎 1 2 许晓燕 3 1 晋中信息学院 山西 太谷 030800 2 山西三鼎液压制造有限公司 山西 榆次 030600 3 山西晋西集团国营利民机械厂 山西 太谷 030800 摘 要 番茄作为日常生活中最受欢迎的蔬菜品种之一 种植面积逐年增长 其中温室大棚种植面积增幅较大 文中在基于番茄生长环境需求和温室大棚发展现状的基础上 对番茄大棚物联网数据采集系统进行了设计 该系 统实现了对温室大棚环境的监控 技术操作简单 降低生产投入成本 提高了生产效率 还可为番茄的生理成长 研究提供分析平台 关键词 番茄 物联网 采集系统 中图分类号 TP391 文献标识码 A 文章编号 1673 2154 2022 03 0052 05 收稿日期 2022 04 26 基金项目 2021年山西省高等学校大学生创新创业训练计划项目 1193 2021年山西省 1331工程 提质增效建设计划项目 7 1 2 11 作者简介 燕佳惠 1999 女 山西朔州人 本科在读 电气工程及其自动化专业 E mail 2190238601 通讯作者 张虎 1986 男 山西平遥人 高级工程师 主要从事智能化检测与控制技术研究 E mail zhxxy 现代农业装备第43卷 第3期 2022年6月 Vol 43 No 3 Jun 2022Modern Agricultural Equipment 0 引言 近 年来 随着农业产业结构的调整 种植技术 的不断更新和提高 温室大棚在种植业上得到越来 越广泛的应用 番茄 西红柿 作为一种营养价值非常丰富的 蔬菜 是餐桌上常见的美味 既是让人食欲大开的 菜肴 又是营养美颜的水果 不仅有酸酸甜甜的口 感 而且还有圆润讨喜的外形 一直以来都备受大 家喜爱 因此番茄成为很多农户共同的种植选择 近年来 番茄不仅在种植面积上不断扩大 规模也 在不断变大 不过种番茄容易 但要种出高品质的 番茄还得下一番功夫 温室大棚中番茄种植 是在 营造的人为控制的环境中种植番茄 是一个系统性 多因素耦合控制的繁琐过程 需要在番茄生长的各 阶段中注意很多问题 1 2 1 番茄生长周期特点及生长环境要求 番茄产量高 喜肥 需肥量大 全生长期所需 养分包括氮 磷 钾 钙 镁 硼等 在热带地 区 番茄属多年生草本植物 而在温带地区 尤 其是有霜地区 则属于一年生植物 但是其生长 和发育过程是一致的 基本可分为发芽 幼苗 开花坐果和结果 4 个过程 各过程阶段 周期性 显著 其不同的生长阶段时期 有不同的温湿度 要求和需肥特点 2 比如在开花坐果前期 以枝 叶生长为主 需要大量的氮肥来满足枝叶的生长 但是结果后 枝叶基本长足 以果实生长为主 此阶段氮肥量就需适当减少 反而钾肥需求量增 长 因此 要充分结合番茄生长周期特点 在不 同阶段 施以不同种类和不同量的肥 以确保番 茄健康优质的生长 3 温湿度在番茄发芽期有重要的作用 保证一定 的土壤和环境温湿度才能保证一定的发芽率 经研 究总结可知 番茄发芽合适温度在 15 30 之间 需要保持所处土壤环境的湿度在 40 以下 同时要 保证所处外界环境的空气流动性和一定的空气湿度 但在此期间所用肥料量甚微 在番茄发芽至成为 幼苗期间 可适当施肥 以满足枝叶的生长所需 但必须要考虑幼苗的承受能力 以防施肥量过多 53 第3期 燕佳惠 等 番茄大棚物联网数据采集系统的设计 烧伤幼苗根系 在育苗期如遇温度骤降或雨水天 气等影响成活率的外因时 可施加一些抗病耐寒 的药剂 4 一般在番茄幼苗长成后 在分苗定植时 一般 都要覆膜 做到保温保湿的作用 同时保证一定 的浇水量 维持土壤的湿润 同时浇水时可适当 添加抗病耐寒药剂和助壮素或矮壮素 以保证植 株生长 4 2 温室大棚控制技术的发展现状 温室大棚发展至今 其建设水平随着科学技术 的发展逐步提高 智能化的建设已是主流 通过互 联网 物联网的方式 来操作并实现智能温室的相 关因素的监视和控制 实现远程管理或者无人化管 理 助推着 智慧农业 的发展 2 1 多因素耦合综合控制 温室大棚环境 是人为参与影响下的多因素生 态系统 其中各因素之间耦合性比较大 互相之间 相互影响 比如控制温度的同时 必将引起环境湿 度的变化 因此在实际控制系统中 单因素的控制 已经很难满足实际环境控制需求 现在大多采用比 较成熟的多因素耦合控制 来实现温室大棚的环境 控制要求 5 2 2 温室控制模式智能化 随着控制技术和控制算法的不断更新 相应的 技术在农业领域中的应用也越来越多 控制效果 得到了很大的提升 北美 西欧 日本等农业比 较发达的国家地区 在多因素耦合控制的基础上 已将自适应控制 神经网络控制 预测控制等先 进算法应用到了温室大棚控制系统中 自动化智 能化水平显著提升 温室单位面积效益也得到了 提升 6 2 3 控制系统网络信息化 随着传感器技术 网络技术 物联网技术以及 控制器技术的不断发展 温室控制系统也逐步向 网络化方向发展 体现在立体式 层次式 综合 式以及开放式 性能越来越多 使用者的体验模 式也多样化 实现了分层 分级 分类化的温室 管理模式 7 8 2 4 温室分布式控制系统 分布式控制系统是近几年发展起来并推广比较 广的一种控制系统 其适应性好 扩展能力强 可 靠性高 便于用户掌握和维护 已在农业上进行了 使用 9 分布式控制系统在网络技术的基础上 采 用分散控制和集中管理的设计思想 每一个终端都 是一个独立处理器进行现场数据采集运算和控制 所有终端处理器的信息与上位机服务器进行通信 实现分而自治和综合协调的效果 10 3 番茄大棚控制系统的硬件选择 番茄大棚生长管理主要分为植株自身管理和大 棚环境管理 2 部分 植株自身管理主要针对植株生 长过程中的肥料管理 植株自身病虫害管理和自身 长势阶段管理 大棚环境管理主要针对的是植株生 长环境 在番茄植株生长过程中 要根据其生长期 和结果前后期对肥料的需求来决定施肥量及施肥种 类 在本设计中 暂且不考虑土壤肥料元素的测控 只针对温室大棚中的环境温湿度 土壤温湿度 光 照及 CO 2 进行测控 3 1 传感器选择 传感器作为信息检测和传达的关键器件 是自 动控制环节中最重要的一环 其性能的高低直接影 响控制精度的水平 结合前文描述 大棚中需选取 环境温湿度传感器 土壤温度水分传感器 CO 2 检测 仪及光照传感器 传感器将环境参数传输至控制器 控制器结合预设值与传感器传输数据进行比较分析 进而控制相应的执行机构进行动作 或者将信息传 输至管理员处进行相应的操作 设计中选用 KZWS F2 常温分体式温湿度传感器 图1所示 KZMS 10土壤水分温度传感器 图 2 所示 这 2 种传感器都是高精度 高灵敏度的 传感器 环境温湿度检测传感器利用氯化锂电解 质感湿液依据当量电导随着溶液浓度的增加而下 降的原理进行环境湿度的测量 土壤水分温度传 感器通过测量土壤的介电常数 直接稳定地测量 土壤水分的体积百分比 2 种传感器的测温范围 为 40 80 湿度范围为 0 100 均可输出 电流模拟量 54 现代农业装备 2022年 图 1 KZWS F2 常温分体式温湿度传感器 图 2 KZMS 10 土壤水分温度传感器 设计中选用 OHR MT20 CO 2 变送器 图3所 示 和OHR MT30光照度变送器 图4所示 这 2 种传感器都为高精度低功耗传感器 既能够 通过模拟信号变送输出 也可以通过通讯输出与 控制器进行数据信息传输 3 2 控制器选择 设计中选用的是繁易 PLC 专用物联模块 图 5 所示 该模块可通过以太网 2G 4G WiFi 等方式上网 通过物联网模块 支持PLC程序 的远程更新和在线调试 免除现场服务的烦恼 操作简单方便 通过物联模块 可以接入繁易 FlexCloud物联网平台 随时访问 实时查看设 备运行状态和数据 实现数据统计等功能 且可 在手机 App 网页 客户端 微信端等多种软件 平台上访问 控制器将传感器所检测上传数据进 行运算处理 把运算结果输出 控制相应的执行 机构进行动作 图 3 OHR MT20 CO 2 图 4 OHR MT30 变送器 光照度变送器 图 5 FL3 40MR AC FL3 4G 3 3 监控端选择 上述控制器描述中 通过繁易 FlexCloud 物联网 平台 可在手机 App 网页 客户端 微信端等多 种软件 平台上访问设备状态和监控数据 在本设 计中 选用了 FE6070W 触摸屏作为监控端 实现各 种采集数据的显示 各现场设备的远程控制以及各 数据报表的打印等 同时此触摸屏也可通过以太网 2G 4G WiFi 等方式上网 3 4 硬件结构搭建 将上述硬件进行连接 如图 6 所示 传感器连 接至 PLC 输入端 PLC 与触摸屏进行通信连接 且 因 PLC 自带物联模块 可插入 4G 卡或连接 WiFi 接 入繁易 FlexCloud 物联网平台 在平台中进行相关的 页面设计 4 软件设计及实施效果 软件设计主要涉及传感器的数据采集 经过 A D 转换 在触摸屏上显示即时的数据 同时即时 数据与预设值进行比对 根据比对结果 PLC 输出 端输出相应的执行指令 土壤湿度检测控制流程如 图 7 所示 55 第3期 燕佳惠 等 番茄大棚物联网数据采集系统的设计 图 7 土壤湿度检测控制流程 本系统设计初期在实验室中完成 所有传感 器信号与控制器之间能够实现有线传输 且能够 通过传感器连接的无线发送和控制器连接的接收 模块实现无线信号传输 控制器接收信号后 经 过软件数据处理 可将实时信号传至触摸屏进行 显示 同时在触摸屏设置界面 将所预设值进行 设置后 进入控制器 进而通过运算处理 控制 器输出端进行相应的输出控制 在触摸屏界面 中 设置报警界面 在传感器检测数据超出预 设值范围时 报警界面显示控制室同时输出报 警信号 在触摸屏端设置数据存储功能 以便随 时查询数据 触摸屏综合显示温湿度界面如图 8 所示 5 总结展望 本文结合番茄生长周期的环境需求和温室大棚 图 8 触摸屏温湿度显示界面 发展的现状引出番茄大棚物联网数据采集系统的 设计 从传感器 控制器及监控端展开了叙述 该设计能够实现远程监测装置集温室大棚中相关 信息的采集 是集控制器输出 无线及有线通讯 于一体的综合性测控装置 从监控端既能获得相 关信息的即时数据 也能即时了解相关执行机构 所处的状态 操作简便 便于用户掌握 如图9所 示 在温室大棚数据的采集和设备控制中有一 定的推广价值 图 9 触摸屏界面 图 6 硬件结构搭建 56 现代农业装备 2022年 由于本人学识水平有限 在设计和实施过程中 还存在一些不足 在今后学习和工作中 对于物联 网 技术的设计和应用还要继续深入研究 并在此设 计的基础上 在软件设计控制中 真正实现多因素 耦合控制 以达到更好的使用效果 参考文献 1 沈凤林 景泰县塑料大棚番茄生产模式及高效栽培 技术 J 农业开发与装备 2022 2 220 222 2 李明宇 辽宁温室滴灌种植条件下番茄结果期需水规 律和水分利用效率研究 J 陕西水利 2022 2 64 67 3 刘冬辉 李效珍 连栋棚在日光温室番茄栽培中的应 用效果 J 农业技术与装备 2021 9 175 176 4 魏代国 日光中棚番茄育苗技术 J 特种经济动植物 2021 24 9 54 55 5 夏愉乐 伍晟韬 吴慧强 等 温室大棚自动化控制 系统发展的研究 J 贵州农机化 2022 1 7 10 20 6 刘思晴 解迎刚 沈彤 等 基于物联网的温室大棚 卷帘自动控制系统 J 物联网技术 2022 12 3 107 109 112 7 曾学 贺成柱 基于物联网的温室大棚控制系统设计 J 机械研究与应用 2021 34 6 83 86 8 马士明 一种新型智慧农业大棚系统的设计与实现 J 物联网技术 2022 12 1 77 80 9 孙铭璇 温室大棚技术及其智能化发展前景 J 农机 使用与维修 2022 2 108 110 10 杨霄 刘伟 王朕 等 物联网和大数据技术在 温室大棚农业生产中的应用 J 湖北农业科学 2021 60 s2 385 389 Design of Internet of Things Data Acquisition System for Tomato Greenhouse Yan Jiahui 1 Zhang Hu 1 2 Xu Xiaoyan 3 1 Jinzhong College of Ination Taigu 030800 China 2 Shanxi Sanding Hydraulic Manufacturing Co Ltd Yuci 030600 China 3 Shanxi Jinxi Group State owned Limin Machinery Plant Taigu 030800 China Abstract Tomato as one of the most popular vegetable varieties in daily life the planting area is gradually expanding especially the greenhouse planting gradually expanded compared with hydroponic culture greenhouse planting cost is low equipment maintenance is simple the promotion range is large In this paper based on the growing environment demand of tomato and the development status of greenhouse the Internet of things data acquisition system of tomato greenhouse was designed to realize the monitoring of the environment the technical operation is simple the production cost is reduced the production efficiency is improved and it also provides an analysis plat for the study of physiological growth of tomato Key words tomatoes internet of things collection system