物联网与太阳能现代信息农业大棚项目计划书-solarbe文库

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齐齐哈尔鹤乡人绿色有机食品推广服务中心齐齐哈尔大学计算中心 1物联网与太阳能现代农业温室项目申请计划书申报单位齐齐哈尔鹤乡人绿色有机食品推广服务中心合作单位齐齐哈尔大学计算中心填表时间 2015.4.22 齐齐哈尔鹤乡人绿色有机食品推广服务中心齐齐哈尔大学计算中心2项目概述齐齐哈尔鹤乡人绿色有机食品推广服务中心与齐齐哈尔大学计算中心融合已有科技成果和各自优势，拟在齐齐哈尔地区开展基于物联网和太阳能新能源技术的现代农业温室建设和推广应用。核心任务主要有 1承接构建物联网与太阳能现代信息农业大棚，从事传统农业的物联网技术应用及智能化、信息化和现代化系统改造推广。 2基于物联网、互联网和大数据技术，构建农村电子商务平台。 3构建农村特色作物和产品的物联网可追溯与可视化系统建设。项目以物联网和太阳能新能源技术的现代农业温室的构建为切入点，主要利用无线传感网（ WSN）、 RFID 技术、太阳能光伏和风电等技术来构建的新型农业温室大棚，集太阳能光伏、风电、地源热泵、沼气、传感器技术以及大数据采集与数据挖掘于一体，以构建新型节能高效温室及其产业链条建设为路线，为现代化农业建设找好切入点和示范样本。该项目适用于中国东北特别是北纬40 度以北地区农业温室改造任务，温室大棚信息化装置主要由传感器、 RFID、和无线传感器网络等构成，旨在为植物的生长提供最佳温度、湿度、 CO2 浓度和光照强度等环境，同时为消费者提供更多食品安全信息如土壤重金属含量、农药残留或石油助长剂和膨化剂等参数的实时监测。该项目不仅能提高东北地区传统温室冬季保温取暖困难，在节能减排同时实现温室内果蔬生长及环境参数实时采集与远程可视化，还可以把有经验农民生产管理的高收益棚室技术经过数据采集挖掘构建农业专家管理系统向普通农民推广应用，为构建高效现代齐齐哈尔鹤乡人绿色有机食品推广服务中心齐齐哈尔大学计算中心 3农业温室产业链条提供技术支持。黑龙江省属于温带季风性气候，黑龙江省冬季蔬菜水果供给多靠从南方各省陆运，造成蔬菜水果物价较高，不但价格高，而且品质差，甚至有些蔬菜还含有对人体有害的防腐剂。传统的农业大棚内多还靠烧煤或者电能保温，增加了经济投入成本，同时烧煤燃烧产生大量温室气体和导致环境污染的有害气体给人类的生活带来巨大危害，并且存在着安全隐患。太阳能作为一种新能源，取之不尽用之不完，环保无公害无污染，黑龙江地区太阳辐照最高可达 1500 Wm-2，年日照为 2965.3 小时，平均日照率 64％，发展传统日光性温室受到限制，但是在齐齐哈尔地区，经实际测试，其光伏发电效率达到全国平均发电能力 2 倍多，意味着在齐齐哈尔地区大力发展太阳能光伏发电技术具有巨大潜力。同时，黑龙江地区从事农业温室的农业工人具有的文化和科学技术水普遍较低，高附加值和高技术温室的推广应用也受到限制，特别是传统物流渠道阻碍新鲜果蔬的实时运输和销售，如果能利用现代科技解决东北冬季新鲜果蔬生产和销售一体化问题，解决农业工人的技术水平限制问题，可以为当地市场的开发和新型产业链条的形成起到契机促进作用。业务构想基于无线传感网的太阳能光伏农业大棚，是集太阳能光伏、风电、地源热泵、 WSN等技术为一体的现代化农业。主要利用物联网的先进技术，对大棚内部的温度、湿度、二氧化碳浓度、光齐齐哈尔鹤乡人绿色有机食品推广服务中心齐齐哈尔大学计算中心4照强度等植物生长所必需的条件进行智能化控制从而让植物更好的生长。而传统的温湿度控制则利用湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，当大棚内环境不适合植物生长时进行通风、升温或降温、去湿等操作。这种人工测试方法费时费力，效率低并且随机性较大，误差大。因此就需要一种使用方便、造价低廉且计算精确的智能化控制系统。第一章项目简介本作品的目的在于提供一种适用东北地区冬季温室作物生长的温度、湿度、光照控制及 CO2 浓度等环境因素的控制系统。通过太阳能光伏电池板和风力发电机、玻璃陶粒保温墙、地源热泵系统和 WSN技术的综合应用，设计了一种环保、节能减排、高科技的新型温室大棚。此外，清洁能源发电供大棚使用之余可并入电网，作为生活用电。此项目具有一次性投入，长期受益和性价比高等优点。第二章项目背景黑龙江省属于温带季风性气候，黑龙江省冬季蔬菜水果供给多靠从南方各省陆运，造成蔬菜水果物价较高，不但价格高，而且品质差，甚至有些蔬菜还含有对人体有害的防腐剂。传统的农业大棚内多还靠烧煤或者电能保温，增加了经济投入成本，同时烧煤燃烧产生大量温室气体和导致环境污染的有害气体给人类的生活带来巨大危害，并且存在着安全隐患。太阳能作为一种新能源，取之不尽用之不完，环保齐齐哈尔鹤乡人绿色有机食品推广服务中心齐齐哈尔大学计算中心 5无公害无污染，黑龙江地区太阳辐照最高可达 1500 Wm-2 ，年日照为2965.3 小时，平均日照率 64％，不利于当地发展日光性温室，在齐齐哈尔地区，经实际测试，其光伏发电效率达到全国平均发电能力 2倍多，意味着在齐齐哈尔地区大力发展太阳能光伏发电技术具有巨大潜力。基于无线传感网的太阳能光伏农业大棚，是集太阳能光伏、风电、地源热泵、 WSN等技术为一体的现代化农业。主要利用物联网的先进技术，对大棚内部的温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度等植物生长所必需的条件进行智能化控制从而让植物更好的生长。而传统的温湿度控制则利用湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，当大棚内环境不适合植物生长时进行通风、升温或降温、去湿等操作。这种人工测试方法费时费力，效率低并且随机性较大，误差大。因此就需要一种使用方便、造价低廉且计算精确的智能化控制系统。本项目将太阳能光伏与物联网相关技术相融合，引入地源热泵等概念很好的满足人们对大棚的需求。第三章产品介绍通过调研农业大棚内实际环境，设计了基于温室大棚内种植的蔬菜水果影响因子的调控方案。首先，设计太阳能光伏发电系统，并结合市网供电系统，满足温室大棚基本用电需求；其次，设计用于 LED光源的控制系统，通过与自然光环境的对比，确立最佳的光照强度和光照时间；再次，设计以单片机芯片为控制中心的智能温室大棚控制齐齐哈尔鹤乡人绿色有机食品推广服务中心齐齐哈尔大学计算中心6系统，实现对大棚内影响植物生长的环境因素的自动检测，并能实现对电机、风机、水泵的自动控制，完成自动灌溉、通风、加温或降温、加湿、遮阳或补光的功能；最后，设计以各种无线传感器节点基于ZigBee 技术的无线传感网络，完成数据信息的采集处理。3.1 项目技术方案简介本作品的技术方案由太阳能光伏电池板、风力发电机、地源热泵，玻璃陶粒保温墙和无线传感网组件五部分构成。下面将主要通过这五部分来介绍基本的实现依据。3.1.1 太阳能光伏电池板温室大棚的棚顶（阳面）全部由太阳能光伏板覆盖，光伏板将吸收的太阳能转换为电能存储。太阳能光伏电池板与地面水平夹角最佳值为 42°。光伏板与大棚内放置的蓄电池、控制器、逆变器连接，构成太阳能光伏电池板发电系统。在温室环境控制系统中，光能到电能的转换效率约为 19，也就是说， 100J能量的光能经过太阳能光伏板可以被转换成 19J的电能；然后系统再利用这些电能经 LED 转换成可适合植物生长的波长范围的光（如蓝紫光，红黄光），这个过程的转换会有 40的电能损耗，那么将会有 11.4J 的能量供于植物进行光合作用；而在植物的光合作用期间，植物对特定 LED 光的吸收效率是 21252.394J2.850J，因此至少有 2.4J 的能量可被植物吸收。一般情况下，植物光合作用效齐齐哈尔鹤乡人绿色有机食品推广服务中心齐齐哈尔大学计算中心 7率仅 1，所以本专利所设计的大棚可有效提高植物光合作用效率的2.4 倍。另外，太阳能光伏电池板所产生的电能有 60用于 LED 光照系统，剩余 40存储于蓄电池中。3.1.2 风力发电机风力发电机组包括风轮包括尾舵、发电机和铁塔，风力发电机因风量不稳定，故其输出的是 1325V 变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能，后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流 220V 市电。一般情况下，风速大于 4 米 /秒便可发电，而黑龙江省大部分地区年平均风速为 3.7 米 /秒，所以在黑龙江地区的农业大棚可布置风力发电机。风力发电所得电能供地源热泵运行使用，剩余能量储存于蓄电池。3.1.3 地源热泵温室大棚内采用地源热泵来实现温室大棚的保温功能。地源热泵供暖空调系统主要分三部分室外地能换热系统、地源热泵机组和室内采暖空调末端系统。地源热泵工作方式采用“水水”式，即地源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质也是水。为增大散热面积，大棚内铺设暖气片和暖气管道。那么保温系统可以使用这些电能来加热这些地下水，然后再通过水泵促使热水在管道中循环流动，以确保室内温度。齐齐哈尔鹤乡人绿色有机食品推广服务中心齐齐哈尔大学计算中心8地源热泵的冷热源温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高 40，因此要节能和节省运行费用 40左右。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。在制热制冷时，输入 1KW 的电量可以得到 5KW 以上的制冷制热量。地下 510 米，水温恒定在 10℃ 15℃。为防止循环水冻结，在水管内注入防冻液。地源热泵通过输入少量的电能，提取地下水的能量，把温度在 6℃8℃的地下水抽上来，通过分别的密闭管线，用瞬间循环工质分有氟工质或无氟工质把水中的热量或冷量“吸取”出来，降、升温度约 2℃ 3℃的地下水再通过密闭管线回灌地下。被“吸”出的热能或冷量被送入暖气系统或中央空调系统，冬季可使室内温度升至 “ 18℃25℃” ，夏季可使室温控制在 25℃以下。地源热泵机组是一种水冷整体供冷 /供热机组，机组带有一套可逆式制冷循环系统，夏季制冷，冬季供热，用时还可提供卫生热水，它是一种可全年运转的空气调节设备。3.1.4 玻璃陶粒保温墙温室大棚选择造价低廉且保温性能高的玻璃陶粒作为大棚的保温墙壁。除棚顶（阴面）使用钢化玻璃外，大棚墙壁都使用玻璃陶粒材料。齐齐哈尔鹤乡人绿色有机食品推广服务中心齐齐哈尔大学计算中心 9玻璃陶粒是颗粒状泡沫玻璃，由废玻璃经发泡工艺制成。具有机械强度高、导热系数小、热膨胀系数低、不吸水、不透湿、热工性能稳定、不燃烧、不变形、使用寿命长、不受虫害、耐蚀性能强等优点。玻璃陶粒理化性能优良，轻质节能，使用方便，应用范围广，与红砖等建筑材料比，玻璃陶粒的成本非常低，而且保温性是这些建筑材料的 35 倍，极大地提高了温室大棚的保温性能，从而降低大棚对热能的需求。3.1.5 WSN 组件该作品的特色之一是引入无线传感网，使用温湿度传感器、 CO2浓度传感器、光照强度传感器监测空气环境温湿度、土壤环境温度、CO2 浓度、光照强度。采用 ZigBee 技术，实现实时监测控制。此外，摄像头加 WiFi 的使用使得远程监控成为可能。将重点培育作物添加电子标签，记录其生长阶段的不同情况。室内外温湿度传感器均采用 SHT10。 SHT10 属于 Sensirion 温湿度传感器家族中的贴片封装系列。传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号。传感器采用专利的 CMOSens技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与 14 位的 A/D 转换器以及串行接口电路实现无缝连接。因此，该产品具有品质卓越、响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点。测温范围 -40℃ 123.8℃，精度±齐齐哈尔鹤乡人绿色有机食品推广服务中心齐齐哈尔大学计算中心100.5℃，测湿范围 0100，精度± 4.5；土壤湿度检测采用 12V土壤湿度传感器控制器模块，当土壤湿度大于设定值时，继电器吸合接通模式自动浇水；光照强度传感器采用 BH1750FVI ，它是一种用于两线式串行总线接口的数字型光照强度传感器集成电路，测量范围165535lx，可根据光学窗口调整测量结果（采用这种方法可探测光照度从最小值 1.1lx 到最大 100000lx 的范围）。3.2 基于物联网和太阳能现代温室样本基于物联网、太阳能光伏、 LED 植物生长照明、新型玻璃陶粒保温墙和阳光板的温室模型和实物样本如下图所示。齐齐哈尔鹤乡人绿色有机食品推广服务中心齐齐哈尔大学计算中心 11第四章市场分析物联网与太阳能现代信息农业大棚的市场是广阔的，产品可面向黑龙江、辽宁、吉林三省。4.1 我国温室大棚的发展现状我国设施农业起步较晚，但发展较快。目前世界塑料大棚和温室面积约 36.576 万公顷，而我国面积最大，我国塑料大棚和温室的建设面积已经从 20 世纪 90 年代初的 40 多公顷发展到现在近 15.67 万公顷，占世界 42.8。设施农业同普通农业相比，产业化程度高，效齐齐哈尔鹤乡人绿色有机食品推广服务中心齐齐哈尔大学计算中心12益好，接受新技术的能力强。我国现有大型温室面积约 200 公顷，其中我国自行设计建造的约有 50 多公顷，从荷兰、日本、美国、以色列等国引进的约 140 公顷包括 1995 年引进的温室。在已确切统计的 73 公顷引进温室中，大多数为大型连栋温室，是近十几年出现并得到迅速发展的一种温室形式。其中大型的连栋塑料温室约占 2/3 以上，其余为玻璃温室。建设在南方的大型温室以生产花卉为主，北方的则以栽培蔬菜为主，少部分温室用于栽培苗木。4.1 我国温室大棚的发展特点塑料大棚、中棚及日光温室为我国主要设施结构类型。其中能充分利用太阳光热资源、节约能源、减少环境污染的日光温室为我国所特有。 1997 年我国日光温室面积已超过近 16.7 万公顷。由农业部联合有关部门试验推广的新一代节能型日光温室，每年每亩可节约燃煤约 20 吨。采用单层薄膜或双层充气薄膜、 PC 板、玻璃为覆盖材料大型现代化连栋温室，具有土地利用率高、环境控制自动化程度高和便于机械化操作等特点。设施栽培技术的不断提高和发展，新品种、新技术及农业技术人才的投入，提高了设施园艺的科技含量。现已培育出一批适于保护设施栽培耐低温、弱光、抗逆性强的设施专用品种。工厂化育苗、嫁接育苗、喷灌、滴灌、无土栽培技术、小型机械、生物技术和微电脑自控及管理的使用，提高了劳动生产率，使栽培作的产量和质量得以提高。齐齐哈尔鹤乡人绿色有机食品推广服务中心齐齐哈尔大学计算中心 13目前我国温室的骨架多采用热镀锌管（板），覆盖材料多为玻璃、双层充气膜、 PC 板等；还自行研制设计了各种环境调控系统和微机监控系统等；对于无土栽培、优良品种选育的研究已达到国际领先水平，但是成果的应用还很有限；在温室内机械耕种方面，只有少量的育苗、移植等设备，大部分是靠引进设备或手工作业；在应用方面，缺乏有效的管理体制和机制，还未将生产、加工、销售有机地结合起来，有的温室结构简单、设备简陋，环境的综合调控难以实现，生产管理和运行水平还远低于国外。我国设施农业目前存在着诸如土地利用率低、盲目引进温室、设施结构不合理、能源浪费严重、运营管理费用高、管理技术水平低、劳动生产率低及单位面积产量低等诸多问题。我国商品化温室普及率很低，高、中档次的商品化温室主要被一些机关团体、军队、农场和科研单位采用，很少被个体及一般农民采用，普通农户采用最多的是自建的简易拱棚，约占我国温室总量的 60以上。4.3 我国温室发展存在的问题硬件部分为，现代化水平不高，结构缺乏统一的设计标准，缺乏配套的农机具；盲目、重复引进现代温室，运营状况不佳。软件部分为，保护地土壤缺少雨水淋溶，理化性质变差；栽培技术水平较低，产品污染严重；节能目光温室冬季生产安全性差，生产经营的规模化和产业化水平很低；急需各类专家系统支持等。齐齐哈尔鹤乡人绿色有机食品推广服务中心齐齐哈尔大学计算中心144.4 针对问题的解决方向4.4.1 完善并建立温室相关的国家标准目前只有温室结构设计载荷国家标准，天津市已制订实施了新型节能日光温室建造技术规范地方标准，温室国家标准化还有很多工作要做。现有的控制系统大都具有较强的针对性，由于温室结构千差万别，执行机构各不相同，对于控制系统的优劣缺乏横向可比性。借鉴国外经验，建立本国模式是温室行业国产化的必由之路。由于我国地域辽阔，气候多样，所以我国温室的研究设计单位应建立不同地区、不同气候条件下的温室模式，从而使我国温室产业的发展模式有据可依。可以尝试制订行业标准或地区标准，然后申请国家标准。4.4.2 开发与我国国情相适应的温室优化控制软件目前我国引进温室的控制系统大多运行费用过高，而自行研制的控制系统缺乏相应的优化软件，大多仍使用单因子开关量进行环境因子的调节，而实际上温室内的日射量、气温、地温、湿度及 CO2 浓度等环境要素是在相互间彼此关联着的环境中对作物的生长产生影响的，环境要素的时间变化和空间变化都很复杂，当我们改变某一环境因子时常会把其它环境因子变到一个不适宜的水平上，因此，结合温室内的物理模型，作物的生长模型和温室生产的经济模型，开发出一套跟我国温室生产现状相适应的环境控制优化软件是非常重要的。齐齐哈尔鹤乡人绿色有机食品推广服务中心齐齐哈尔大学计算中心 154.4.3 需进一步加强对温室结构的研究不同地区的不同气候条件，应有相应的温室结构，温室结构的好坏直接影响到温室生产的经济性，例如在我国的北方地区，应加强对温室保温性能研究，以减少冬季的热能耗；而在南方地区，则应加强对夏季通风装置的研究，以减少夏季的温室高热。加紧对温室相关的技术的研究，例如开发适合温室生产的综合机械配套设研究温室内的管理技术，研制适合温室种植的优良品种等。我国温室未来的发展，随着社会的进步科学技术的发展，我国温室的发展将向着域化、节能化、专业化发展发展，形成高科技、自动化、机械化、规模化、产业化的工厂型农业，为社会提供更加丰富的无污染、安全、优质的绿色健康食品。我国温室未来的发展呈现出现代化、精准化、多元化、都市型的特点。齐齐哈尔鹤乡人绿色有机食品推广服务中心齐齐哈尔大学计算中心16第五章造价分析5.1 一千平米标准物联网太阳能温室造价1000 平米标准物联网太阳能温室造价表如表 5-1 所示。表 5-1 现代农业温室造价项组件名称规格型号单位数量单价金额（万元）1 太阳能电池板 220Wp 多晶硅块 40 4.5 元/Wp 3.96 2 物联网组件 WSN、 RFID 等套 1 8000 0.8 3 视频监控 1080p 套 1 6000 0.6 4 玻璃陶粒墙材自研发 m3 200 350 7.0 5 LED 植物补光灯 12W 只 100 100 1.0 6 阳光板双层蜂窝 m2 1000 30 3.0 7 保温彩钢板 12cm 保温阻燃 m2 400 35 1.4 8 基础框架与支架等 4.0 9 人工 3.2 合计 - - - - 24.96 该温室可生产油桃、草莓、樱桃等高附加值果蔬，年毛收入 18-20 万元。光伏组件和框架寿命 25 年，墙体寿命 50 年，阳光板寿命周期 8 年。如只对传统大棚进行物联网信息化改造，成本为 1.5 万元。5.2 物联网农业信息化电子商务平台开发物联网农业信息化电子商务平台开发设计网站设计、数据库设计、数据库接口、终端显示、数据采集存储和电子商务交易安全接口等，需 2200 人工时开发及二年运营维护改善期。软件开发预算 60 万元。承载用户数 50 万人，同时登陆并发使用用户容量 2048。5.3 大数据农业温室数据采集与农业专家系统为采集和监控棚室农作物生长状态，通过长期实时采集和数据挖齐齐哈尔鹤乡人绿色有机食品推广服务中心齐齐哈尔大学计算中心 17掘，构建农业专家系统，对普通农户的生产销售作出指导。软件和算法开发需 1400 人工时，预算 30 万元。将来对农民指导可按需收取费用。以上各项需构建或租用 10 万亿次每秒高性能服务器集群。构建需费用 200 万元。综上，一栋传统农业温室经物联网技术并加入互联网的信息化改造成本约 1.5 万元，每新建一栋物联网信息化农业现代温室成本在 25万元。齐齐哈尔九县每县试点 1 栋物联网现代光伏温室，信息化改造传统温室 4 栋，构建统一电子商务和农业专家系统，必定为我市现代化农业信息产业园区建设和相关产业链条的形成起到极大促进作用，为此可带动农民获得巨大收益，并辐射黑龙江及内蒙古东部和吉林北部地区，进一步可为外蒙和俄罗斯远东地区的果蔬供应打造新的产业基地。传统温室信息化改造栋物联网光伏现代温室建设栋电子商务平台建设套农业专家系统（套）龙江县 4 1 1 1 依安县 4 1 富裕县 4 1 讷河市 4 1 泰来县 4 1 克东县 4 1 克山县 4 1 甘南县 4 1 拜泉县 4 1 合计 36 9 1 1 开发资金合计 369 万元