校园智慧农场建设解决方案

杭州骄子科技有限公司 I3588I8228I

1.整体架构

本系统是一个综合性的控制系统,可涵盖照明、门禁、空调、地暖、新风、节能等各种远控功能,可以让用户通过手机、Pad、PC 等多种方式进行控制和管理,也可以在环境传感器和逻辑编程控制器的作用下,自动执行各种任务,给用户带来全方位的安全舒适、健康节能的智能生活体验。

其整体架构如下图所示

2.控制解决方案

近年来,全国各地校园教学的探索和实践中,都把校园农场作为学校教学实践的一大重点来进行建设。尤其是一些经济发达、教育投入充足地区的学校,以智慧农场为切入点,引入物联网技术和智慧物联网平台,充分利用物联网、云计算、大数据、应用集成、移动互联网等新一代信息技术应用,建设符合自身特色的智慧校园。

一般学校智慧农场具有以下特征:

(1)智能化基础设施

智慧农场基础设施建设和选型硬件必须具有远程控制功能。智慧农场以钢结构 PC 板温室为主体结构,农场内可完全模拟基本的生态环境因子,具备对诸如温度、湿度、光照强度、气压、土壤温湿度、CO2 浓度等参数进行调节的能力,以适应不同植物生长繁育的需要。所有的环境调节设备都应包括独立智能监控单元,可按照预设参数,精确测量农场的气候、土壤等参数,并利用手动、自动两种方式启动或关闭不同的执行结构,控制卷膜、风机、湿帘、补光、灌溉施肥等环境控制设备,自动调控农场内环境,达到适宜植物生长的范围,为植物生长提供最佳环境。

(2)精准农场管理模式

智慧农场具有针对当前环境与需求,对环境变量精准控制的能力。因此,需要在线监测农场环境的气候因子、土壤环境因子,并结合作物生理生态特点,精准把握农场内植物对水,肥料,光照,CO2,以及温湿度等的环境变量的需求,进行定向控制。如,可针对不同植物的用水量,调整灌溉时机和灌溉量,减少无效灌溉量,节约农业用水;根据大气环境、辐照强度等变化,及时对农场采取升、降温,开、关遮阳等应对措施,确保农作物在最适宜的环境下生长。

精准农场管理模式的精准控制功能与实现方式,也是控制变量法的直接表现,在实践操作中与课堂教学联合起来,有助于培养学生的科学素养和综合能力。

(3)实现无人值守自动化运行

在满足远程化管理模式的基础上,实现农场的无人值守自动化运行。农场自动化运行,不仅依照科学数据自动调节各环境变量,为植物提供一个理想的生长环境,也能有效减轻管理员老师的工作量,提高设备利用率,及时改善农场气候,减少病虫害以及植物异常死亡等情况的发生。尤其是学校每年有合计长达 3 个月的寒暑假,实现无人值守的自动化运行,可有效降低假期内的管理难度,实现农场的不间断运行。

(4)衔接创新课程

把学生的全面综合成长放在首位,利用智慧农场为学生提供一个学习如何把自己已经掌握的各个方面的知识,进行融会贯通,并发挥想象力,提供解决实际问题的环境,积极推动创新课程的探索。在教学利用智慧农场的现实条件,合理安排课程,通过教师的启发和引导,开展语文、数学、英语、物理、生物、化学等不同科目的交叉学习与实践,培养学生对于事物的洞察能力,发现事物之间的异同,学会利用创造性思维方法来解决问题,是创新课程的理论追求和实践方向。

校园农场内景示意图
智慧农场设备连接结构示意图

智慧校园环境下,智慧农场可实现的功能有:

  • 场环境实时监控

(1)通过浏览器或者手机远程查看农场的实时环境信息,包括空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、二氧化碳浓度、氧气浓度等;

(2)远程实时查看农场视频监控视频,并可以保存录像文件,防止出现农作物被盗等情况;

(3)农场环境报警记录及时提醒,学校可直接处理报警,系统记录处理信息,可以远程控制农场设备;

(4)远程、自动化控制农场内环境设备,如自动灌溉系统、风机、顶窗等,对温室内环境进行控制,提高工作效率;

(5)可以直观查看农场环境数据的实时曲线图,及时掌握农场农作物生长环境。

环境监控界面示意
  • 智能报警

(1) 系统可以灵活的设置各个农场不同环境参数的上下阀值。超出阈值时,系统可以根据配置信息,通过手机短信、系统消息等方式提醒相应管理者;

(2) 报警提醒内容可根据模板灵活设置,根据不同需求可以设置不同的提醒 内容和提醒方式,满足个性化控制的需求;

(3) 可依据报警记录查看相关联的农场信息,更加及时、快捷地远程控制农 场设备,高效相关问题;

(4) 可及时发现设备异常,并通过短信或系统消息及时提醒管理者进行排查 或修理,保证系统稳定运行。

  • 远程智能控制

(1)通过先进的远程工业自动化控制技术,让学校相关人员可以通过网络随时随地控制农场设备;

(2)学校可以自定义规则,让整个农场设备随环境参数变化自动控制,也可以通过手机或 PC 端,在任意地点远程控制农场的所有接入设备。

建设完成以后,物联网监控平台可以对智慧农场实现如下远程控制功能:

  • 遮阳控制

控制设备:双层内遮阳保温系统

控制要素:光照强度值

控制过程:

  • 可设定标准光照度的范围,如上限 L1,下限 L2;
  • 当测量光照度值>标准光照度上限值 L1 时,执行收拢遮阳开启步骤,控制开启遮阳卷膜收拢,进行降低光照度;
  • 当测量光照度值<标准光照度下限值 L2 时,执行展开遮阳开启步骤,控制开启遮阳卷膜展开,进行增大光照度;
  • 降温升温控制

控制设备:通风降温系统,循环风机系统,双层内遮阳保温系统,降温加温系统,采暖加温系统等

控制要素:温度值

控制过程:

  • 可设定标准温度的范围,如上限T1,下限T2;
  • 降温过程:

当测量温度>标准温度上限值 T1 时,执行降温设备开启步骤,控制通风降温系统,循环风机系统,双层内遮阳保温系统,降温加温系统等进行通风降温;

当测量温度值恢复到设定的标准温度范围时,执行降温设备关闭步骤,关闭以上系统或设备,停止降温;

  • 升温过程:

当测量温度<目标温度下限值 T2 时,执行升温设备开启步骤,控制开启降温加温系统,采暖加温系统等,进行升温;

当测量温度值恢复到设定的标准温度范围时,执行升温设备关闭步骤,关闭以上系统或设备,停止升温;

  • 灌溉控制

控制设备:喷灌系统

控制要素:土壤湿度值

控制过程:

  • 可设定标准湿度的范围,如上限T1,下限T2;
  • 加湿过程:

当测量湿度<标准湿度下限值 T2 时,执行加湿设备开启步骤,控制开启湿帘,打开循环风机,增加大气湿度;

当测量湿度恢复到设定的标准湿度范围时,执行加湿设备关闭步骤,控制关闭加湿设备,停止加湿;

  • 除湿过程:

当测量湿度>标准湿度上限值 T1 时,执行除湿设备开启步骤,控制开启双层内遮阳保温系统,打开循环风机,打开通风机等,进行除湿作业;

当测量湿度恢复到设定的标准湿度范围时,执行加湿设备关闭步骤,停止除湿。

  • 补光控制

控制设备:补光灯

控制要素:光照度,时间等

控制过程:  

  • 根据需要设置时间段,在时间段内,补光灯直接打开,其余时间自动关闭;
  • 当出现异常环境,如雾霾,积雨云过厚等情况时,系统监视到温室内部光照强度不足,进行人工或自动补光作业。
  • 历史数据分析

(1)  系统可以通过不同条件组合查询和对比历史环境数据,提供信息参考;

(2)  支持列表和图表两种不同方式查看,可以更直观看到历史数据曲线;

(3)  可与农业生产数据建立统一的数据模型,通过数据挖掘等技术发掘作物生长最佳环境信息,辅助决策。

数据分析界面示意图
  • 视频监控

(1) 视频采集:在电脑端或手机端实时查看农场内的视频影像;

(2) 视频存储:可根据需求,存储 1 周甚至 1 月的农场视频监控数据;也 可上传至云端保存所有视频资料;

(3) 视频检索及播放:可以根据时间段选择查看视频图像。

  • 移动客户端控制

通过手机访问物联网监控平台,学校可以用手机实现对智慧农场的监管和控制。

(1)老师和学生可以通过物联网监控平台客户端,随时随地查看自己负责农场的环境参数;

(2)学校可以使用手机端实时接收、查看农场环境报警信息;

(3)通过手机端,学校可以远程自动控制农场环境设备,如自动灌溉系统、风机、顶窗等。

移动端监控界面示意图
  • 监控中心

通过在监控室或农场入口等位置,配置壁挂式 LED 液晶拼接屏,实时监控农场的视频和各设备运行情况,提供一个直观的,高效的大屏展示和监控功能。管 理员老师可以同时监视多个关键节点,可以随时应对各类突发情况。显示屏安装 效果如图示:

LED显示屏
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