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移动设施农业远程智能专家系统解决方案

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河北省设施农业远程智能专家系统解决方案

杭州敏捷软件公司
5月

一、 前言 3
1.1、 设施农业远程智能专家系统的概念 3
1.2、 实现设施农业远程智能专家系统的必要性 3
二、 项目概述 4
三、 方案原理 4
3.1 网络架构 5
3.2 采集原理 6
3.3 数据架构 8
3.4 设计原则 10
四、 系统功能 10
4.1 功能架构 11
4.2 功能特点 11
4.2.1 数据采集 12
4.2.2 数据查询 12
4.2.3 数据分析与诊断 13
4.2.4 数据报警 13
4.4 产品特点 14
4.4.1 数据采集与传输设备 14
4.4.2 温/湿度采集仪 15
4.4.3 空气质量测试仪 16
4.4.4 手机终端 17
五、 项目投资 18
六、 项目收益 19

一、 前言
1.1、 设施农业远程智能专家系统的概念
设施农业是采用比较先进、 系统的人工设施, 改进农作物生产环境, 进行优质高效生产的一种农业生产方式, 20世纪80年代以来, 设施农业发展很快, 特别是欧美、 日本等一些发达国家, 当前已经普遍采用计算机控制的大型工厂化设施, 进行恒定条件下全年候生产, 效益大为提高; 在社会主义市场经济条件下, 中国的设施农业以其较高的科技含量、 市场取向的新机制、 短平快的产销特点、 效益显著的竞争力, 取得了快速发展, 改进了传统农业的生产方式、 组织方式和运行机制, 提高了农业科技含量和物质装备水平, 成为现代农业重要的生产方式。
设施农业远程智能专家系统是指利用现代电子技术、 移动网络通信技术、 计算机及网络技术相结合, 将农业、 养殖业生长最密切相关的空气的温度、 湿度及土壤的温度、 湿度等数据经过各种传感器以RS485总线动态的采集, 并利用中国移动的3G TD网络通讯技术, 将数据及时传送到智能专家平台, 使设施农业管理人员、 农业专家经过手机或手持终端就能够及时掌握农作物的生长环境, 及时发现农作物生长症结, 及时采取控制措施, 及时调度指挥, 及时操作, 达到最大限度的提高农作物生长环境, 降低运营成本, 提高生产厂量, 增加劳动效益。
1.2、 实现设施农业远程智能专家系统的必要性
河北设施农业发展, 已经初步形成了政府引导、 社会支持、 市场推动和农民投入的良性运行机制, 当前, 全省发展设施农业, 有丰富的资源、 成熟的技术和广阔的市场, 具备了进一步发展的基础, 也蕴藏着巨大的潜力。
设施农业远程智能专家系统融合先进的信息技术、 自动化控制、 无线通讯技术等高新技术和农业科技专家为一体的综合平台, 实现资金、 技术、 人才和信息的有效调配, 改进农民的传统作业和手工操作, 将产生巨大的经济和社会效益, 推动农业和农村经济发展, 成为河北统筹城乡经济发展, 建设现代化农业的重要内容和全面建设小康社会的强势产业。
二、 项目概述
河北省”八五”期间开始实施设施农业工程, 较好地适应了市场经济发展要求和农业增效、 农民增收的需要, 取得了突破性进展, 生产规模稳步扩大, 到 , 全省设施农业瓜菜面结达到了617.4亩, 居全国第二位; 生产能力不断增强, 设施蔬菜已占蔬菜生产的50%以上, 突破了光热资源限制, 基本实现了淡季不淡、 全年生产、 保障供应; 科技含量较快提高, 无立柱日光温室、 二氧化碳气肥、 病虫害生物防治、 无公害栽培、 组织培养、 工厂化育苗等先进技术得到推广应用, 科技进步贡献率达到65%以上, 成为种植业中科技含量较高的产业; 设施农业以其病虫害相对较轻、 用药量少、 标准化程度高的优势, 成为全省无公害蔬菜的骨干, 质量安全水平明显提高。
设施农业远程智能专家系统以河北省藁城市惠诚采摘园和永态牧业有限公司作为设施农业现代化试点, 惠诚采摘园位于河北省藁城市高新农业科技示范园区, 由石家庄惠诚果蔬开发有限公司创立, 始建于 , 总投资1200万元, 占地面结220亩, 建有忧II型日光温室110栋, 属”国家农业综合开发, 高薪科技示范项目”, 主要以生产瓜果蔬菜为主, 是石家庄最大的生态农业园; 永态牧业有限公司以鸡舍养殖业为主, 现有蛋鸡10多只, 包括6个鸡舍, 是石家庄最大的蛋鸡养殖业。
三、 方案原理
设施农业远程智能专家系统主要经过温度传感器、 湿度传感器和温控仪、 湿控仪、 空气测试仪相连接, 再经过RS485总线和‘数据采集与传输设备’相连, 将温度、 湿度等数据实时采集到‘数据采集与传输设备’, ‘数据采集与传输设备’经过中国移动的TD或GPRS网络将数据送到远程智能专家系统, 再将数据经过手机或手持终端发送给农业人员、 农业专家, 给农业专家远程指导、 方案决策提供数据依据。
3.1 网络架构

网络拓扑图
l 设施农业现场数据采集
设施农业现场主要以大棚生产为主, 地理环境复杂、 区域分布广是设施农业共同的特点, 为此我们采用无线分布式数据采集, 如上图所示, 将每个大棚中数据采集的温控仪、 湿控仪等经过RS485总线串联起来, 再连接到数据采集和传输设备, 经过中国移动网络的TD/GPRS无线传输到远程智能专家系统;
l 鸡舍养殖业现场数据采集
鸡舍养殖业现场主要以鸡舍为主, 其区域分布广, 一般有多个鸡舍, 为此我们采用无线分布式数据采集, 如上图所示, 将每个鸡舍数据采集的温控仪、 湿控仪、 空气采集仪等经过RS485总线串联起来, 再连接到数据采集和传输设备, 经过中国移动网络的TD/GPRS无线传输到远程智能专家系统;
l 中国移动网络
中国移动网络主要为远程传输、 无线发布提供高效率的传输网络平台;
l 信息发布
信息发布主要经过移动网络( TD、 GPRS等) 将采集的空气温度、 湿度和土壤的温度、 湿度等经过手机/手持终端及时、 快速地传送到设施农业人员、 农业专家手中, 以便及时掌握农作物的生产环境, 避免因为自然环境的变化给农作物带来不利的生长环境, 也不会因为设施农业人员不在现场而得不到及时信息, 也为农业专家的远程指导提供良好的数据保证;
3.2 采集原理
根据设施农业大棚区域分布较广及采集现场相对比较复杂、 综合布线难度大等特点, 在数据采集方式上不同于传统的工业自动化总线方式, 考虑中国移动网络的覆盖区域广、 信号相对稳定, 我们选用工业总线和无线网络技术相结合方式, 实现分片采集、 广域传输, 我们以一个大棚为例, 如下图:

设施农业大棚数据采集原理

鸡舍养殖业数据采集原理
根据上图所示, 在进行数据采集时, 将空气温/湿度传感器、 土壤温/湿度传感器安置于设施农业现场, 并联接到智能仪表, 考虑大棚内区域较大, 我们采用多点测量, 即空气温湿度4个点、 土壤温湿度4个点, 经过RS485总线将智能仪表和数据采集与传输设备进行物理连接, 将智能仪表通讯协议嵌入到数据采集与传输设备中, 数据采集与传输设备会自动周期性读取每台智能仪表采集的温度、 湿度, 再经过中国移动网络的GPRS将数据经过短形方式发送现场管理人员、 农业专家等, 减少了大量的现场综合布线, 即节约了大量的人力、 物力和财力, 也提高系统的可维护性;

3.3 数据架构
设施农业远程智能专家系统从数据架构上采用先进的三层架构模式, 即数据采集层、 数据集中层和数据应用层, 如下图:

l 数据采集层
数据采集层主要对设施农业现场农作物生长大棚里空气温度、 湿度和土壤的温度、 湿度的数据采集, 采集方式为周期性自动采集, 采集周期可根据用户要求设定;
l 数据集中层
主要对采集的数据进行周期性的存储, 为数据应用提供数据, 也为农业专家的远程指导提供数据依据;
l 数据应用层
考虑农业现场环境比较恶劣, 信息化设施可能不到位, 由于手机的普及化程度较高, 中国移动网络的覆盖面积广, 数据应用层主要经过手机短信方式将数据及时传送给现场设施农业人员及农业专家;
3.4 设计原则
Ø 先进性
采用先进的系统架构体系和基于3G的网络通讯技术设备, 做到配置和技术应用的先进;
Ø 经济、 实用性
设施农业远程智能专家系统以实用性为原则, 充分利用现代化信息技术、 移动通讯技术, 在系统整体设计、 硬件软件选型时结合企业现有系统实际情况, 确定了合理、 高性价比的建设方案;
Ø 开放、 可扩展性
软件、 硬件平台均采用模块化设计与开发, 具有良好的可扩充、 扩展能力, 能够非常方便地进行系统升级和更新, 以适应今后业务的不断发展, 并提供与其它系统的数据接口;
Ø 易于管理维护
由于主干网和数据通讯多采用无线通讯技术和中国移动的3G通讯技术, 减少了复杂的人工布线, 以便于管理和维护;
四、 系统功能
设施农业远程智能专家系统经过对农作物生长现场的空气温度、 湿度和土壤的温度、 湿度等数据采集, 让设施农业人员、 农业专家等实时掌握农作物的现场生长环境, 并结合农作物不同生长周期( 如: 开花期、 结果期) 、 不同的季节对温度、 湿度的要求, 进行人为干预、 专家指导, 以保证农作物有一个合适的生长环境; 鸡舍养殖业根据主要以蛋鸡为主, 根据对小鸡成长的三要素: 温度、 湿度和空气质量( 氨气、 二氧化碳和空气灰尘的含量) 的数据采集, 实时了解鸡舍的温度、 湿度和空气质量, 对有于天气原因、 自然灾害导致的温度、 湿度和控制质量变化, 经过手机短信及时通知鸡场管理人员, 经过人工干预及时处理, 保证小鸡有个良好的成长环境。
4.1 功能架构

4.2 功能特点
设施农业远程智能专家系统从功能特点上分为4个模块, 主要包括数据采集、 数据查询、 分析、 报警等, 如下图:

设施农业远程智能专家系统架构图
4.2.1 数据采集
数据采集是设施农业远程智能专家系统的基本功能, 数据采集经过数据采集与传输设备和温度传感器、 湿度传感器经过RS485总线连接, 经过通讯协议轮训式问答, 实时采集每台智能仪表的数据, 包括: 空气的温度、 湿度和土壤的温度、 湿度及空气气体含量( 主要是NH3、 CO2) , 再经过中国移动网络的GPRS, 以手机短信方式将数据传送到设施农业管理人员、 农业专家, 如下图:

4.2.2 数据查询
数据查询用于查询历史一段时间内数据变化情况, 可查询历史任意时间及时间段查询每个大棚的历史数据, 并经过图表的方式直观地展现给设施农业管理人员、 农业专家等, 如下图:

4.2.3 数据分析与诊断
设施农业远程智能专家系统提供很高级的数据分析, 可同时对某一数据或多个数据进行历史数据分析, 分析方式可经过曲线、 图标、 棒图/饼图等, 经过历史一段时间内的数据变化趋势及异常数据出现的频率高低, 可对历史时间内的温度变化、 湿度变化进行分析, 诊断出农作物不同生长周期、 不同的季节生产的最佳温度、 湿度等, 给农业专家的远程指导、 现场管理人员的协调指挥提供数据依据。
4.2.4 数据报警
数据报警是设施农业远程智能专建系统的重要功能, 数据报警包括越上限报警、 越下限报警、 越上上限报警和越下下限报警, 需要预先将每个数据的上限值、 下限值、 上上限值和下下限值进行设定, 定值可根据农作物种类、 不同的生长周期、 不同的季节进行修改, 当某个数据超过上限或上上限、 低于下限或下下限是, 系统立即发出报警信息, 报警信息包括报警时间、 报警值、 限值, 并经过手机短信及时发送给设施农业管理人员、 农业专家等, 以便管理人员及时进行人工调节, 避免因天气变化、 换季、 自然灾害等原因造成温度、 湿度变化给农作物带来不利的生长条件。
4.4 产品特点
4.4.1 数据采集与传输设备

A)功能
ü 定时采集设备控制系统数据
根据与设备控制系统协议, 定时读取设备控制系统数据
ü 根据命令采集设备控制系统数据
经过智能通道平台的命令, 临时读取设备控制系统数据
ü 向设备控制系统发送控制命令
经过智能通道平台, 向设备控制系统发送控制命令
ü 远程更新设备控制系统软件
经过智能通道平台, 向设备控制系统发送软件, 远程更新( 根据与设备控制系统自定义协议)

B)规格
1、 基于ARM9 高速CPU, 操作系统linux
2、 提供二个RS232 或二个RS485 或一个RS232 一个RS485
3、 提供一个ethnet接口
4、 支持1-4G SD卡存储
5、 广域网络
ü 双三频工作模式 : 900, 1800 和 1900 MHz
ü 支持短信/ GPRS
ü 速度最高支持115kbit/s
6、 外形尺寸
90*110*45

C)特性
1、 温度范围
-20 – 60 度
2、 湿度
0-95 无凝露
3、 电磁干扰
满足EMI/EMC要求
4、 电压电流
1 2V, 3A
5、 硬件看门狗

4.4.2 温/湿度采集仪
WS 温湿度测量仪表,具有线性化处理电路抗干扰设计, 仪表、 变送器和传感器组成一套温湿度测量仪表, WS 温湿度测量仪表具有测量准确度高, 性能稳定等特点。
技术参数:

WS
温度
湿度
基本误差
<0.2%F.S
分辨率
0.1%RH
0.1℃
显示范围
0~100
-999~1999
输入信号
1.0~5V 2.0~10V 4.0~10mA 5.0~20mA
显示方式
高亮红色LED显示湿度3位、 温度4位
供电
220VAC 50Hz/60Hz
馈电
DC 12VDC/30mA或24VDC/30mA
通讯接口
RS485
工作环境
温度: -10~55℃ 湿度: <90%RH

功耗
<4W
外壳
ABS黑色
尺寸
160*80*78mm
安装方式
表盘安装或其它

4.4.3 空气质量测试仪
GS 空气质量测试仪,采用国际先进的传感器技术、 检测精度高、 反应时间短, 可实时检测空气中氧气、 硫化氢、 氨气、 一氧化碳、 二氧化碳等含量。
技术参数:
仪器类型: 在线式气体检测装置
工作方式: 连续检测
传 感 器: 接插式电化学传感器
量程及分辨率: CO(一氧化碳): 0-1000ppm, 1ppm
CO2(一氧化碳): 0-1000ppm, 1ppm
              H2S(硫化氢): 0-100ppm, 1ppm
              O2(氧气): 0-30%vol, 0.1%vol
NH3(氨气): 0-20ppm, 0.1ppm
              CL2(氯气): 0-20ppm, 0.1ppm
工作温度: -20~50℃
工作湿度: <95%RH(非冷凝)
工作压力: 86~106kPa
响应时间: <60s(T90)
检测误差: <5%F.S
工作电压: 165~265V AC
输出信号: 4-20mA信号输出, 两级继电信号开关量输出(220V/3A)
防护等级: IP66
最大功耗: 7W
外型尺寸: 220x210x80mm
重    量: ≤2.5kg
4.4.4 手机终端
手机终端需要符合以下条件
1、 Windows Mobile 5.0以上, Windows CE 5.0以上, Symbian Series60
2、 CPU 500MHz 以上
3、 缓存 2M以上
4、 Java 支持MIDP2.0以上, CLDC 1.0以上
* 推荐机型 多普达S700

操作系统:
Windows Mobile 6.1 Professional
支持网络:
TD-SCDMA -2025MHz;
GSM/GPRS 900/1800/1900MHz
处理器/芯片组
DT Mobile TD-SCDMA模组 DTM6212;
Samsung处理器, 500MHz;
ATI图形芯片 2282
GPS:
内置独立的GPS天线
FM广播:
频率范围:  87.5-108MHz
内存:
256M ROM 128M RAM
摄像头:
主摄像头为200万像素CMOS镜头, 带自动对焦;
副摄像头为VGA CMOS镜头
液晶显示:
2.8”彩色TFT LCD, 带LED被背光, QVGA触摸屏
音频输出:
内置扬声器, 支持免提功能
物理接口:
Mini USB、 蓝牙2.0
扩充内存:
支持microSD卡
尺寸:
59.6mm(w)x101mm(l)x17.6mm(t)
重量:
136.5g(含电池)

五、 项目投资
项目总投资约8万人民币, 包括硬件部分、 软件部分和集成实施部分, 详细说明如下:
一、 远程智能专家系统
名称
说明
数量
单价
单位
总价
PC机

1
￥6,000.00
台
￥6,000.00
智能专家软件
基础平台
1
￥40,000.00

￥40,000.00

按照企业报价
2
5000
用户
10, 000
合计
￥56,000.00

二、 单个大棚
名称
说明
数量
单价
单位
总价
空气温/湿度采集仪
含传感器
2
￥550.00
台
￥1,100.00
土壤温/湿度采集仪
含传感器
2
￥800.00
台
￥1,100.00
数据采集与传输模块
基于TD/GPRS传输, 多个大棚可共用
1
￥2,200.00
块
￥2,200.00
RS485通讯线(带屏蔽)

200
￥2.00
米
￥400.00
电源线

200
￥2.00
米
￥400.00
插座

5
￥40.00
个
￥200.00
壁挂式机柜
800*600*600cm
1
￥300.00
个
￥300.00
合计
￥6,700.00

三、 单个鸡舍
名称
说明
数量
单价
单位
总价
空气温/湿度采集仪
含传感器
2
￥550.00
台
￥1,100.00
空气气体检测仪
含传感器( 可选)
1
￥3,600.00
台
￥3,600.00
数据采集与传输模块
基于TD/GPRS传输, 多个大棚可共用
1
￥2,200.00
块
￥2,200.00
RS485通讯线(带屏蔽)

200
￥2.00
米
￥400.00
电源线

200
￥2.00
米
￥400.00
插座

6
￥40.00
个
￥240.00
壁挂式机柜
800*600*600cm
1
￥300.00
个
￥300.00
合计
￥8,240.00

六、 项目收益
一、 工作效率上得到极大的提高
设施农业远程智能专家系统实时采集农作物生长的温度、 湿度、 空气气体含量, 周期性存储, 实时、 准确、 数据量大, 同时它给数据分析提供了前提和基础, 这是手工测量无法实现的, 手工测量不但周期长、 耗时多, 测量的准确性较差, 不能确保每次都能提供可靠、 准确的基础数据。
二、 自动分析报警
在温度、 湿度出现异常时, 系统会立即经过手机短信发送给用户, 让用户发现问题立即解决, 不会因为自然环境的影响给农作物带里不利的生长环境, 使农作物在一个合适的环境下生产, 这是人工测量无法达到的。
三、 运行成本低
该系统的运行成本很低, 可大大减少农业专拣到现场指导所用的人力物力, 出车等费用。
四、 经济效益显著
设施农业远程智能专建系统让用户实时了解农作物生产的温度、 湿度, 大大
减少了人工测量所需要的人力、 物力; 设施农业远程智能专建系统让农业、 养殖业始终处在一个合适的温度、 湿度下生长, 不会因为外界环境的变化引起花蕾脱落、 育苗枯死等现象, 导致农业少产、 减产, 大大提高了农作物的产量, 经济效益明显提高。