农业生态大棚二氧化碳监控系统解决方案

第一章项目概述

1.1 项目背景

随着国民经济的迅速发展，现代农业得到了长足的进步，生态大棚工程已成为高效农业种植的一个重要组成部分。与传统农业相比，生态大棚可以提供一个相对稳定可控的种植环境，不受外界气候条件的影响，借此来提高农作物的稳定产量和品质保障。

水、光、二氧化碳是植物生长必不可少的三个要素，其中，水和阳光都是肉眼可观察的，只有二氧化碳看不见摸不着，经常被人们忽视。而二氧化碳是植物进行光合作用的原料之一，二氧化碳浓度的高低直接影响着作物的生长质量。实践证明，缺乏二氧化碳会导致作物产量低、品质差，所以现在很多种植户为了让蔬菜更好地生长提高产量和质量，会在大棚种植中添加一定量的气肥，提高二氧化碳的含量。

二氧化碳浓度值也并不是越高越好，需要控制在合理的范围之内，否则也会造成蔬菜叶子打卷、影响作物光合作用等不利后果，正因如此，二氧化碳传感器技术被广泛应用于生态大棚种植领域，帮助人们及时掌握棚内二氧化碳浓度的变化情况，并进行干预调节，实现生态大棚科学、智能、高效管理。

1.2 建设目标

随着农业科技的不断进步，智慧农业生态大棚逐渐成为现代化农业的重要组成部分。目前我国传统的生态大棚内部环境参数调节设备多数通过手动按钮现场控制，科技水平较低，使得传统智慧农业生态大棚系统获取数据的准确度较低、系统抗干扰能力差，成为农业增产丰收、农民提高收入的障碍。因此，及时掌握棚内二氧化碳浓度值的变化情况，并进行干预调节，实现生态大棚科学、智能化、高效率的管理，成为建设目标。

具体目标如下：

针对划分的区域范围内的所有监测传感器通过485通信与该区域的监控主机进行数据通信；

该区域的监控主机通过现场已部署好的4G通讯网络将监测到的数据上传至监控平台，实现对生态大棚内CO2、光照、温湿度的集中在线监测；

该区域的监控主机根据二氧化碳的数值自动控制二氧化碳通断开关，保证大棚内CO2浓度值维持在合理的范围内。

1.3 设计原则

在研发设计生态大棚二氧化碳监控系统解决方案的时候，我们应该总结前人开发的经验，结合最新自控和软硬件技术，以智慧农业为目标，建设以信息化为基础，无缝隙、精准化、智慧型的现代高稳定性、高可靠性、高安全性智慧生态大棚。

■ 尽可能简约的配置

整个方案尽可能采用简约的“手拉手”布线方式，去掉各种冗余配置，减少故障点，提高系统稳定性，降低系统造价。

■ 稳定可靠

只有稳定运行的系统，才能确保生态大棚监控系统平稳运行，监控系统的作用和意义才能体现。整体方案从方案架构、产品设计等各个层面，都以稳定可靠作为设计的第一目标。

■ 架构合理具有可扩展性

采用平台级的理念来架构系统，使整个方案安全平稳地运行，并具备良好的扩展性。可扩展性保证当用户有更多的要求时，引入的新设备可以顺利地与本次配备的设备共同工作，进一步扩展与提高系统的性能和功能。

■ 更好的系统效率

方案设计，以尽可能提高系统整体的运行效率为重要依据，选择更合适的产品以及更合适技术方案实现。

■ 更高的性价比

方案一直以更高性价比为目标，不断升级和改进软硬件产品，针对各大环境监控系统都有对应的产品和方案。以“为客户提供最高性价比的方案”为设计目标来进行方案设计，综合客户需求以及扩展性要求，选择最合适的产品，降低系统造价，为客户节约项目成本。

■ 系统更易于使用和维护

方案设计根据客户需求、项目规模等等选择合适的监控产品和技术方案实现，力争使系统更容易使用和维护，降低客户使用监控系统的管理和维护成本。

1.4 设计依据

■ 《大棚蔬菜种植技术探讨》

■ 《大棚蔬菜种植技术的几点研究》

■ 《一种新型的二氧化碳气肥施放系统》

■ 《大棚反季节蔬菜种植技术研究》

■ 《大棚增施CO2气肥效益分析》

第二章项目介绍

2.1 系统介绍

农业生态大棚二氧化碳监控系统主要由二氧化碳浓度采集系统，二氧化碳浓度报警、控制系统以及农业四情测报平台组成。

该系统主要针对不同面积和不同区域的生态大棚安装气象多要素百叶盒，全面检测生态大棚中二氧化碳的浓度值。安装在各区域内的气象多要素百叶盒通过485通信将监测到的光照、温湿度、二氧化碳浓度等数据传至气象监控主机，监控主机通过4G通讯网络上传至农业四情测报平台；同时，当任一区域二氧化碳浓度超过预设报警值时，系统会自动报警并控制二氧化碳供给开关，实现对生态大棚CO2浓度状况的集中远程监控。

本监控系统施工部署简便，细节考虑周到，扩容方便。整个系统依托于RS485总线布线方式和4G传输方式，针对生态大棚面积范围广等问题，对生态大棚运行环境的多方位、远距离管理，打造集高效、节能、安全、环保的“管、控”智慧型生态大棚二氧化碳监控系统。

2.2 系统拓扑图

2.3 系统优势

■ 专注所以专业

我司多年来一直专注于环境监测这个行业，力争为客户提供最好的、最高性价比的环境监测产品和解决方案，是环境监测行业的知名厂商。具有完备的产品和解决方案，供应地区300+、服务全球110k+客户。

■ 施工部署简单、方便

整个系统集软硬件一体化设计，高度集成，功耗低，使用寿命长；监控管理平台多种部署方式，针对简单需求可以实现傻瓜式安装，非常人性化，界面友好、操作简单、功能全面，轻松实现监控功能及报警的配置。

■ 使用标准协议，扩展方便

使用标准的、开放的协议便于集成以及系统扩容。由于搭建了基于IP的监控平台，现场数据采集也使用标准的MODBUS协议，使得增添监控节点或是增加监控信息非常方便。

■ 智能控制

该系统集二氧化碳气体监测和智能控制于一体。系统可根据当前二氧化碳浓度值自动控制二氧化碳供给开关，从而提高或降低生态大棚二氧化碳气体的含量，使棚内CO2浓度始终保持在适宜蔬菜生长的范围之内。

■ 丰富的自动告警方式

系统支持电话、短信、声光、邮件等报警功能，并具有多种告警策略可以选择，通用系统即可满足绝大多数用户的需求。

■ 软硬件产品集成度高

该系统软硬件产品根据行业发展的需要，与时俱进，不断更新换代对应的产品，剔除过时及冗余的功能，不断集成有效地新功能，使产品具备越来越高的集成度，给客户提供更高性价比的产品。

■ 切合客户需求的独有功能

该系统结合客户需求，集成了很多比较实用的功能，也可根据客户需求，支持定制。从客户使用的角度出发，使应用和维护尽可能方便省心。

■ 多平台远程管理，功能强大

该系统支持电脑PC端、APP移动端、微信公众号多种方式远程查看/管理数据。

第三章项目方案设计

3.1 二氧化碳浓度采集子系统

生态大棚可根据现场实际环境分为不同控制区域，不同区域根据面积大小，空气流通程度等因素布置不等数量的气象多要素百叶盒，实时监测空气中的二氧化碳浓度值。

3.1.1 气象多要素百叶盒

3.1.1.1 产品概述

我司研发的气象多要素百叶盒（型号：RS-BYH-CO2-M）集噪声采集、CO2、温湿度、大气压力、光照于一体，采用标准 MODBUS-RTU 通信协议，RS485 信号输出，通信距离最大可达2000米（实测）。该变送器广泛适用于需要测量环境温湿度、噪声、空气质量、大气压力光照等各种场合，安全可靠，外观美观，安装方便，经久耐用。分布在生态大棚各区域的气象多要素百叶盒通过485通信将监测到的CO2浓度、温湿度以及光照等气象要素实时上传气象监控主机，针对棚内CO2浓度值过高或过低作出相应的开关处理，以保证蔬菜的正常生长。

3.1.1.2 技术参数

参数名称	参数
直流供电（默认）	10-30VDC
最大功耗	0.8W
精度	CO2：±(50ppm+ 3%F·S) (25℃)
	温度：±0.5℃（25℃）湿度：±3%RH(60%RH,25℃)
	光照：±7%（25℃）
量程	CO2：0-5000ppm
	温度：-40℃~+120℃ 湿度：0%RH~99%RH
	光照：0~20万Lux
长期稳定性	CO2：≤1%/y
	温度：≤0.1℃/y 湿度：≤1%/y
	光照：≤5%/y
响应时间	CO2：≤90S
	温湿度：≤1s
	光照：≤0.1s
输出信号	RS485

3.1.1.3 功能特点

本产品体积小、重量轻，采用优质抗紫外线材质，使用寿命长，采用高灵敏度的探头，信号稳定，精度高。关键部件采用进口器件，稳定可靠，具有测量范围宽、线形度好、防水性能好、使用方便、便于安装、传输距离远等特点；

噪声采集，测量精确，量程高达 30dB~130dB；

CO2 量程：0-5000ppm，分辨率 1ppm；

测量环境温湿度，测量单元为瑞士进口，测量准确，量程-40~120 度；

宽范围 0-120Kpa 气压量程，可应用于各种海拔高度；

光照采集模块采用高灵敏度的感光探头，光照强度量程 0~20 万Lux；

采用专用的 485 电路，通信稳定，10~30V 宽电压范围供电。

3.2 二氧化碳浓度报警、控制子系统

根据研究发现，大棚栽培农作物长期处于相对密闭的场所中，一天内棚内二氧化碳浓度的变化很大，日出前达到最大值1000～1200ppm，日出后2.5～3小时降为100ppm左右，仅为大气浓度的30%左右，而且一直维持到午后2小时才开始回升，到下午4时左右恢复到大气水平。蔬菜需二氧化碳浓度一般为1000～1500ppm之间，若气象多要素百叶盒监测到棚内的二氧化碳浓度的数值达不到或超出蔬菜所需要的浓度时，大棚内安装的气象监控主机会及时发出警报，控制二氧化碳气体的通断开关，并以平台告警、短信告警或邮件告警的方式给大棚管理者发送相关报警信息，使管理者实时知晓大棚内二氧化碳浓度情况，以保证蔬菜生长提高产量。

3.2.1 气象监控主机

3.2.1.1 产品概述

气象监控主机（型号：RS-QXZ-M-Y）是一款气象监测专用控制主机。大屏中文液晶显示，界面简洁友好，强大的脱机短信报警功能，报警内容可自定义。该设备既可通过RJ45网口也可通过4G方式将数据上传值监控软件平台，并在监测到棚内CO2浓度过高或者过低时及时发出报警信息，使管理者及时知悉大棚内的具体情况，以便及时做出相应处理，避免造成损失。

工作内容：

集中显示各区域所监测到的二氧化碳浓度值；

数据超限时，具有脱机报警功能，并且该主机可通过短信进行远程参数配置；

关联二氧化碳供给设备开关，在棚内二氧化碳浓度过高或者过低时进行开关操作。

3.2.1.2 技术参数

参数名称	范围或接口	说明
数据上传通信接口	RJ45网口	通过网口方式上传数据
	GPRS无线	通过GPRS方式上传数据
	GSM短信	支持短信报警
	ModBus-RTU 从站接口	支持外部设备通过ModBus-RTU协议问询监控主机中的数据。
数据采集通信接口	从RS485接口	能够采集1-32台485接口的变送器的数据，最长通信距离≥1500米
点阵LED屏显示接口	LED屏显示接口	支持最大点阵数1024*256的单色LED显示屏
1路直流电压采集	采集量程0-100V	采集精度±0.1V，输入阻抗≥100K 监控主机可设置转换系数
3路4-20mA电流信号采集	4-20mA电流信号采集	采集分辨率3000 输入阻抗≤120欧监控主机可设置转换系数
1路水浸检测信号	可进行漏水检测	标配漏水电极，用户也可选漏水绳，最长可达30米
4路开关量信号输入	可检测干接点通断状态	外接无源干接点，响应时间≤0.2S
2路继电器输出	继电器干接点输出	继电器容量：250VAC/30VDC 5A 本继电器可关联到任意通道的上下限，用作报警或自动控制。
1路翻斗式雨量计脉冲信号输入	采集磁开关脉冲信号进行雨量计量	默认脉冲当量：0.2mm 可上传瞬时雨量（最近一分钟）、当前雨量（本日00:00至当前）、昨日雨量（昨日00:00-24:00）及永久累计雨量值（默认采用第四路开关量作为雨量计输入）
数据上传间隔	1S~10000S	数据上传间隔1S~10000S可设
内置存储容量	52万条	内置存储，最多可存储52万条
供电	外部电源供电	供电电压24V