1、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
2、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、CO 2
3、 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民推广应用，为构建高效现代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。
4、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
5、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
6、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
7、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，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
8、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
9、，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
10、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
11、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合作用期间，植物对特定 LED 光的吸收效率是21%25%(2.394J2.850J)，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.
12、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
13、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。 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
14、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1015 。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68 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 23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“1825” ，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
15、一种可全年运转的空气调节设备。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 93.1.4 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。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
16、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、CO 2 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10
17、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：-40123.8，精度： 0.5，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。
