農(nóng)業(yè)無土栽培遠程監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)平臺解決方案

一、概述
1、行業(yè)背景
無土栽培是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分。無土栽培以其高產(chǎn)量、高品質(zhì)深受現(xiàn)代人喜愛。西方國家無土栽培技術(shù)日趨成熟，應用范圍和管理水平也在不斷提高，經(jīng)濟效益顯著，我國的無土栽培技術(shù)與*水平尚有差距，在具體管理中存在諸多問題。
2、行業(yè)問題
（1）無土栽培往往具有面積大，設備多的情況，往往難以關(guān)注到所有設備的運行狀況；
（2）無土栽培苗株對環(huán)境要求較高，室溫、光照等需要精細控制、及時調(diào)整，但人的精力有限，無法全程兼顧；
（3）營養(yǎng)液的儲液池設計、安裝不合理，保溫隔熱性差，營養(yǎng)液易變質(zhì)；
（4）膜水培中，需要定時啟動設備提供營養(yǎng)液，一旦遇到停電或設施機械故障，作物很容易引致缺水死亡；
（5）營養(yǎng)液的循環(huán)利用過程中，容易滋生細菌或藻類，需要定期殺菌消毒；
（6）基培中的滴灌設施容易出現(xiàn)物理及化學堵塞現(xiàn)象，致供液不均勻、作物生長不整齊甚至死苗；
（7）封閉式基質(zhì)栽培，夏季受太陽輻射影響，容器內(nèi)的基質(zhì)溫度過高，導致根系生長不良；
（8）基質(zhì)栽培中有機基質(zhì)比例過高，一段時間后會逐步腐爛，透氣性逐漸下降，影響根系活力甚至導致爛根；
（9）施用固體肥效時，必須使滴水位置與施肥點在同一位點，否則肥料得不到溶解，根系無法正常吸收營養(yǎng)，而且需要經(jīng)常變換滴水位點，否則根群吸收水肥難以均衡；
（10）管理設備過多，操作難以記錄，不利于根據(jù)實際情況適度調(diào)整設備及基質(zhì)的用量；
3、解決方式
（1）設備過多：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決手段，不僅可以實時顯示設備運行狀態(tài)，還可以根據(jù)設定要求自動啟停設備，而且農(nóng)業(yè)無土栽培遠程監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)平臺解決方案可以自動記錄用戶的操作歷史和設定的環(huán)境條件，為用戶調(diào)整策略提供參考
（2）環(huán)境控制：可以通過傳感器+開關(guān)解決：溫度、濕度、光照度等信息可以由對應傳感器實時監(jiān)測并發(fā)送到用手中，當環(huán)境條件達到限定值時，可以通過物聯(lián)網(wǎng)控制器對需要的設備進行控制。
（3）營養(yǎng)液、培養(yǎng)基質(zhì)質(zhì)量問題：基質(zhì)透氣性不佳、培養(yǎng)液變質(zhì)或滋生細菌等問題，可以使用對應傳感器實時監(jiān)測基質(zhì)內(nèi)的氧氣含量、培養(yǎng)液PH值等，一旦發(fā)生異常，可以及時向管理人員報警，以便及時處理，或者可以直接啟動紫外線或臭氧殺菌設備進行殺菌消毒等操作。
（4）肥料使用不均勻：可以在植株設定4-8個均勻分布的固定釋放點，，防止施放不均，生長不齊。

二、系統(tǒng)設計及功能
1、拓撲圖
 【圖片001】

2、系統(tǒng)組成及功能
（1）智能數(shù)據(jù)檢測模塊
易云智能數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊由各式各樣的傳感器組成，如環(huán)境溫濕度、營養(yǎng)液PH值、基質(zhì)含水量傳感器等，也可以根據(jù)用戶需求增加其他指標的檢測傳感器。
此模塊的作用是檢測無土栽培過程中的各項指標；指標數(shù)據(jù)將通過智能控制箱傳入系統(tǒng)服務器。
（2）易云智能控制箱
易云智能控制箱中包含多功能數(shù)據(jù)采集模塊和通用控制模塊。
數(shù)據(jù)采集模塊用于采集傳感器數(shù)據(jù)，并上傳至系統(tǒng)服務器，易云多功能數(shù)據(jù)采集模塊可以兼容目前市面上大多數(shù)傳感器，包括無土栽培生產(chǎn)中需要的溫濕度傳感器、光照度傳感器、PH值傳感器等；
通用控制模塊可以對接無土栽培中的各種設備，風扇、水泵等，實現(xiàn)自動控制或遠程控制。
 【圖片002】

用戶也可以在控制箱的基礎上添加觸控屏幕，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與設備的現(xiàn)場監(jiān)控。
（3）易云平臺客戶端
易云平臺客戶端是用戶直接操作的軟件，提供用戶所需的各種功能。
①數(shù)據(jù)監(jiān)測
智能控制箱中采集到的溫濕度、PH值等傳感器數(shù)據(jù)以及卷簾機、補光燈等設備的開關(guān)狀態(tài)等，將以GPRS、WIFI或其他方式傳入服務器，并在用戶平臺的數(shù)據(jù)監(jiān)測界面進行實時顯示，以便于用戶隨時掌握無土栽培中的各種狀況。
 【圖片003】

PC端數(shù)據(jù)監(jiān)控界面
②設備控制
設備控制模塊中，平臺向用戶展現(xiàn)所有接入系統(tǒng)的可控設備及當前狀態(tài)。用戶可以對設備狀態(tài)進行調(diào)整，實現(xiàn)遠程控制或自動控制。如開關(guān)水泵、調(diào)整卷簾機開關(guān)狀態(tài)等。
 【圖片004】

③智能提醒、預警、報警功能
用戶可以在系統(tǒng)平臺中提前預設提醒、預警、報警的參數(shù)，系統(tǒng)將對無土栽培生產(chǎn)中的各種數(shù)據(jù)進行科學分析，在達到用戶設定的條件時，可以向客戶發(fā)出適當提醒。
如用戶設定適宜作物生長的營養(yǎng)液PH值為5.5-7.2，當傳感器檢測到營養(yǎng)液PH值超過這個限度時，系統(tǒng)將自動通過報警、短信報警、報警等方式向用戶報警。
 【圖片005】

PC端報警上下限設置界面
④數(shù)據(jù)存儲、分析模塊
通過易云智能控制箱上傳的大量數(shù)據(jù)可以在服務器中進行歸類存儲，并針對特定數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析，終以曲線圖、柱狀圖、餅圖等形式展現(xiàn)，通對*數(shù)據(jù)的相同周期內(nèi)的對比，為用戶優(yōu)化無土栽培系統(tǒng)的自動控制方案提供依據(jù)。
 【圖片006】

PC端日測試數(shù)據(jù)大值展現(xiàn)
⑤定位功能
易云平臺支持GPS定位功能，若用戶有多處無土栽培室，可以按照實時位置顯示在地圖上，用戶可以通過點擊進入相應的場景，便于用戶全局掌握。
 【圖片007】

廠房、設備位置實時展示
⑥報表功能
易云平臺可以提供標準日報表和月報表以及對應的高低報表，顯示各項指標在特定時間數(shù)值狀態(tài)，供用戶全面掌握一段時間內(nèi)的生產(chǎn)狀況，為后期策略調(diào)整，設備使用提供依據(jù)。
 【圖片008】

環(huán)境數(shù)據(jù)大值 日報表
       易云平臺客戶端可安裝于PC端、Pad端、移動端，可以根據(jù)用戶需求安裝于用戶設備中，用戶可以在任何客戶端中使用智能管控系統(tǒng)的所有功能，便于用戶在任意時間、地點對系統(tǒng)運行情況進行管控，彌補傳統(tǒng)控制系統(tǒng)監(jiān)控地點相對固定的不足。

2、系統(tǒng)目標
（1）通過配置系統(tǒng)的軟硬件，實現(xiàn)環(huán)境、營養(yǎng)液、培養(yǎng)基質(zhì)中各種參數(shù)的測量，包括但不限于光照、溫度、濕度、PH值、含氧量等，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設備的自動啟停，提供設備運行報告等
（2）監(jiān)視并顯示所有接入系統(tǒng)的設備的工作狀態(tài)，故障時自動報警；
（3）現(xiàn)場自動控制組織的安全調(diào)整
（4）根據(jù)系統(tǒng)記錄，分析當前和過去運行過程；
（5）提供計算和預測工具，用于優(yōu)化操作參數(shù)并組合，實現(xiàn)設備優(yōu)化使用。
3、設計原則
本項目我們遵循以下的原則進行設計：
可靠性：采用分布式控制系統(tǒng)，即將任務分配給系統(tǒng)中每個現(xiàn)場處理器，免除因系統(tǒng)內(nèi)某個設備的損壞而影響整個系統(tǒng)的運行。
方便性：系統(tǒng)可容納無土栽培生產(chǎn)中不同階段的、的不同需要。并綜合各系統(tǒng)資料，顯示于操作員終端，方便管理。  
經(jīng)濟性：系統(tǒng)中的現(xiàn)場處理器足夠應付日后技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)階段的投資可以得到充分利用及保護。
擴展性：系統(tǒng)具有可擴充性，以便將來擴展網(wǎng)絡服務范圍的需要。系統(tǒng)可在日后任何地方加插現(xiàn)場控制器及操作員終端而不影響本系統(tǒng)操作。 
開放性: 系統(tǒng)采用開放式結(jié)構(gòu),在分站與現(xiàn)場子站之間采用開放式的標準BACnet協(xié)議。 

三、系統(tǒng)優(yōu)缺點
1、系統(tǒng)優(yōu)點：
（1）實現(xiàn)了無土栽培設備的遠程監(jiān)測和控制
（2）使用GPRS時設備消耗較低，無論距離多遠，只要有GPRS信號即可實現(xiàn)遠程監(jiān)控
（3）系統(tǒng)開放性高，可以對接市面上大多數(shù)數(shù)據(jù)采集設備，用戶可以根據(jù)需要增減監(jiān)測無土栽培過程中的其他數(shù)據(jù)的傳感器
（4）可以記錄用戶每個操作，便于用戶調(diào)整控制策略
2、系統(tǒng)缺點：
（1）若使用藍牙或LoRa通信，通信距離有限制（100M-11500M）
（2）用戶監(jiān)測點過多時，成本隨著傳感器數(shù)量增長