基于物联网的设施农业温室大棚智能控制系统研究

摘要

本课题来源于太原市科技支撑新农村建设项目“设施农业温室大棚自适应控制系统与示范”（项目编号：120157），是针对当前我国温室大棚环境调控水平落后、运行管理依赖经验、网络化程度低等问题提出的，这些问题严重制约了温室大棚生产效率的提高。因此，本文基于物联网技术，设计和开发了一种温室大棚智能控制系统，实现温室大棚主要环境参数的在线监测、执行机构的自动控制，以及温室大棚的科学管理，达到温室大棚自动化、智能化、网络化和科学化生产的目标，对于提升我国温室大棚生产力，提高温室大棚现代化水平具有重要意义。主要研究内容如下：
　　通过深入分析温室大棚环境参数特点和控制要求，在物联网技术框架内制定了温室大棚的总体控制方案，分为感知层、传输层和应用层，整个系统由单套集控系统、多套现场控制系统以及通讯网络组成，集控系统对各现场控制系统进行集中管理和控制，现场控制系统可脱离网络单独运行，满足不同规模水平温室大棚的控制需求。
　　现场控制系统作为环境感知节点和智能化控制终端，处于物联网感知层，依据温室大棚现场实际环境情况，设计了以PLC为核心的现场控制系统。通过传感器检测空气温湿度、光照强度、二氧化碳浓度和土壤湿度信息；综合手动控制和自动控制方法控制执行机构动作；采用触摸屏实现温室大棚现场的人机交互；借助短信报警控制器实现远程监控。
　　系统通讯网络处于物联网传输层，依据传输层的设计要求，构建了温室现场局域网和远程广域网相结合的数据传输体系。现场局域网采用基于以太网的有线传输方式；远程广域网采用互联网与GSM移动通信相结合的传输技术，实现感知层数据的可靠传输和广泛互联。
　　集控系统处于物联网应用层，主要实现感知层数据的各类处理过程，包括数据存储、数据预处理、智能控制和人机交互。基于LabVIEW软件开发了温室大棚集中监控管理平台，通过OPC服务器与现场控制器进行数据交换；以SQL Server软件为开发平台建立了温室大棚数据库系统，实现运行数据的科学管理；提出了一种综合软件补偿、分布图法和取平均值法的数据预处理方法，消除数据误差的影响；提出了一种温湿度变结构模糊控制方法，改善控制系统稳态性能，通过LabVIEW环境下的PID和模糊控制工具包实现了模糊控制器的设计；开发了集中监控管理平台数据采集、实时监测、控制输出、参数设置和数据管理过程的人机交互界面，提高管理效率。
　　设计并搭建了温室试验平台，在试验平台上进行了控制系统的调试与试验。调试与试验结果表明：系统的硬件设计合理，通讯网络稳定，集中监控管理平台各项功能正常，提出的数据预处理方法和智能控制方法效果良好，将环境参数稳定在合理水平，满足设施农业温室大棚的现代化管理需求。

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 农业物联网简介

1.4 本文的研究目标和主要研究内容

第二章 温室大棚智能控制系统总体方案设计

2.1 温室大棚环境参数及特点

2.2 系统总体方案设计

2.3 本章小结

第三章 温室大棚现场控制系统设计

3.1 现场控制系统硬件结构

3.2 现场控制系统硬件设备选型

3.3 配套设备电气控制系统设计

3.4 温室大棚现场信息传输方案

3.5 现场控制系统软件设计

3.6 本章小结

第四章 温室大棚集中监控管理平台设计

4.1集中监控管理软件平台

4.2 集中监控管理平台数据采集

4.3 系统数据库设计

4.4 集中监控管理平台界面设计

4.5网络发布

4.6 本章小结

第五章 温室大棚智能控制算法

5.1 数据预处理

5.2 模糊控制原理

5.3 变结构模糊控制

5.4 模糊控制器设计

5.5 LabVIEW开发环境下变结构模糊控制器实现

5.6 本章小结

第六章 系统调试与试验

6.1 温室试验平台介绍

6.2 系统运行测试

6.3 系统控制性能测试

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 工作展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间的研究成果