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SG-NYWL01 农业物联网沙盘系统
1. 系统简介
SG-NYWL01 农业物联网沙盘系统是一套面向智慧农业教学演示、方案验证和技术展示的综合性物联网实训平台。系统以真实农业生产场景为蓝本，将土壤墒情监测、空气温湿度监测、CO2浓度检测、智能灌溉控制等核心农业物联网技术融合于一体，通过微缩沙盘的形式，直观展示现代农业物联网系统的完整架构和运行流程。
系统采用工业级传感器和控制设备，通过RS485总线和Modbus RTU协议实现数据采集，经物联网网关汇聚处理后，上传至农业云服务平台进行存储和分析。用户可通过Web端、移动端和网关本地触摸屏三种方式，实时查看环境参数、控制灌溉设备、设置联动策略，实现农业生产环境的智能化管理。
沙盘以铝合金框架为载体，集成仿真地形模型、微型灌溉管路、传感器节点和控制设备，完整还原农田灌溉场景，适用于智慧农业课程教学、物联网技术实训、项目方案展示及科研验证等多种应用场景。
2. 系统特点
2.1 工业级选型
系统全部采用农业现场实际使用的工业级传感器和控制设备，传感器防护等级达IP65以上，控制柜防护等级IP55，确保设备参数指标与真实农业应用完全一致，实现从沙盘到现场的无缝迁移。
2.2 标准工业总线
传感器与数据采集器之间采用RS485工业总线通信，遵循Modbus RTU标准协议，支持多设备级联，单总线最多可挂载32个节点，传输距离可达1200米，具备良好的抗干扰性能和工业可靠性。
2.3 智能灌溉联动
智能灌溉控制柜支持定时控制、条件联动和远程手动三种控制模式。系统可根据土壤墒情传感器实时采集的土壤含水率数据，结合预设的灌溉阈值，自动控制电磁阀和水泵的启停，实现精准灌溉、节水增效。
2.4 边缘计算网关
物联网网关内置边缘计算引擎，支持本地规则引擎和数据缓存功能。即使在网络中断的情况下，网关仍可依据本地策略进行联动控制和数据暂存，网络恢复后自动断点续传，保障系统运行的连续性和数据完整性。
2.5 多终端交互
系统支持物联网网关本地触摸屏操作、Web浏览器远程监控和移动端APP三种交互方式，满足不同场景下的使用需求。各终端功能覆盖实时数据查看、设备控制、联动策略配置、历史数据查询和报警管理等。
3. 系统架构
3.1 整体架构
系统采用感知层-传输层-平台层-应用层四层架构设计：
• 感知层：土壤墒情、温湿度、CO2、光照度等传感器负责环境数据实时采集；电磁阀、水泵等执行器负责灌溉控制执行
• 传输层：数据采集器通过RS485总线汇聚传感器数据，经物联网网关通过以太网/WiFi/4G上传至云平台
• 平台层：农业物联网云平台提供数据存储、统计分析、规则引擎和API接口服务
• 应用层：Web监控端、移动APP、网关本地管理系统提供人机交互界面
3.2 沙盘布局设计
沙盘整体尺寸为1500mm x 1000mm x 300mm（长x宽x高），采用分区布局：
• 种植监测区（中心区域）：部署土壤墒情传感器、空气温湿度传感器、CO2传感器、光照度传感器，配合仿真农作物模型展示环境监测功能
• 灌溉控制区（左侧区域）：部署智能灌溉控制柜、电磁阀、变频水泵和微型滴灌管路，展示精准灌溉系统
• 数据中枢区（右侧区域）：部署物联网网关（含显示屏）、数据采集器和WiFi路由器，展示数据汇聚与边缘计算功能
• 设备展示区（前沿区域）：各类传感器和控制设备的实物展示与标注说明
4. 核心功能
4.1 土壤墒情监测
系统部署4个土壤墒情传感器，分布于沙盘种植区的不同位置，实时采集土壤含水率和土壤温度数据。传感器采用FDR频域反射原理，探针采用316L不锈钢材质，具备优异的防腐蚀性能。采集数据通过RS485总线传输至数据采集器，采集周期可配置（最短1秒），满足高精度墒情监测需求。
4.2 环境参数监测
空气温湿度传感器采用高精度感湿元件，温度精度+/-0.3度，湿度精度+/-2%RH，实时监测大棚内空气温湿度变化。CO2传感器采用非色散红外（NDIR）检测技术，测量范围0~5000ppm，使用寿命超过10年，稳定可靠。光照度传感器测量范围覆盖0~200000Lux，满足全天候光照监测需求。
4.3 智能灌溉控制
智能灌溉控制柜是本系统的核心执行单元，集成8路继电器输出、本地触摸屏和多种通信接口。支持三种控制模式：
• 定时控制：按预设时间表自动启停灌溉设备，支持每日/每周/自定义周期
• 条件联动：根据土壤墒情实时数据自动决策，土壤含水率低于下限阈值时自动开启灌溉，达到上限阈值时自动关闭
• 远程手动：通过Web端或移动APP远程控制单路或多路电磁阀、水泵的启停
控制柜内置过流保护、漏电保护、短路保护和防雷模块，具备工业级安全防护能力。柜体采用304不锈钢户外防雨型设计，防护等级IP55。
4.4 数据采集与传输
数据采集器作为传感器与网关之间的桥梁，负责汇聚RS485总线上各传感器的数据，进行本地预处理和缓存后，通过RS485接口上传至物联网网关。支持10万条数据本地缓存，在网关或网络异常时保障数据不丢失。采集器功耗低于1W，支持-40~85度宽温工作范围。
4.5 云平台监控
农业物联网云平台采用B/S架构，提供Web端集中监控功能，包括：
• 实时数据大屏：以仪表盘、曲线图、地图等形式展示各传感器实时数据
• 历史数据查询：支持按时间段查询历史数据，以表格和曲线图展示，支持导出Excel
• 设备管理：网关、传感器、执行器的增删改查和在线状态监控
• 联动策略配置：可视化配置传感器阈值和执行器联动规则
• 报警管理：阈值超限自动告警，支持短信/APP推送通知
5. 设备技术参数
5.1 传感器设备
土壤墒情传感器（SM-100）
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参数项 |
参数值 |
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供电电压 |
DC 10-30V |
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土壤含水率范围 |
0~100% |
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含水率精度 |
+/-3%（0~53%），+/-5%（53~100%） |
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土壤温度范围 |
-40~80度 |
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土壤温度精度 |
+/-0.5度 |
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响应时间 |
<=1s |
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探针材质 |
不锈钢316L防腐蚀 |
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探针长度 |
70mm |
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输出信号 |
RS485（Modbus RTU） |
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设备地址 |
1~255可设 |
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防护等级 |
IP68 |
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工作温度 |
-40~80度 |
空气温湿度传感器（TH-200）
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参数项 |
参数值 |
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供电电压 |
DC 10-30V |
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温度范围 |
-40~80度 |
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温度精度 |
+/-0.3度（25度时） |
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温度分辨率 |
0.1度 |
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湿度范围 |
0~100%RH |
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湿度精度 |
+/-2%RH（25度时） |
|
湿度分辨率 |
0.1%RH |
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响应时间 |
<=8s |
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输出信号 |
RS485（Modbus RTU） |
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设备地址 |
1~255可设 |
|
防护等级 |
IP65 |
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工作温度 |
-40~80度，0~100%RH |
CO2浓度传感器（CO2-300）
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参数项 |
参数值 |
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供电电压 |
DC 10-30V |
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测量范围 |
0~5000ppm |
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测量精度 |
+/-(40ppm+3%F.S) |
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分辨率 |
1ppm |
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响应时间 |
<=30s（T90） |
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预热时间 |
<=3min |
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传感器类型 |
非色散红外（NDIR） |
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输出信号 |
RS485（Modbus RTU） |
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设备地址 |
1~255可设 |
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使用寿命 |
>=10年 |
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防护等级 |
IP65 |
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工作温度 |
-20~60度，0~95%RH |
光照度传感器（LX-400）
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参数项 |
参数值 |
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供电电压 |
DC 10-30V |
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测量范围 |
0~200000Lux |
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测量精度 |
+/-7%（25度时） |
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分辨率 |
1Lux |
|
响应时间 |
<=0.1s |
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输出信号 |
RS485（Modbus RTU） |
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设备地址 |
1~255可设 |
|
防护等级 |
IP65 |
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工作温度 |
-20~60度，0~80%RH |
5.2 网关与采集设备
数据采集器（DAQ-600）
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参数项 |
参数值 |
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处理器 |
ARM Cortex-M4 168MHz |
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模拟输入 |
4路4-20mA / 0-5V（16位ADC） |
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数字输入 |
4路干接点/湿接点 |
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RS485接口 |
2路（隔离型） |
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采集周期 |
1s~24h可配置 |
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本地存储 |
支持10万条数据缓存 |
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通信方式 |
RS485上传至网关 |
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协议 |
Modbus RTU |
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供电 |
DC 10-30V |
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功耗 |
<=1W |
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防护等级 |
IP65 |
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工作温度 |
-40~85度 |
5.3 控制与执行设备
智能灌溉控制柜（IC-800）
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参数项 |
参数值 |
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主控芯片 |
ARM Cortex |
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控制通道 |
8路继电器输出（可扩展至16路） |
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单路最大负载 |
AC 220V/10A |
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支持设备 |
电磁阀、水泵、施肥机、喷灌/滴灌切换阀 |
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通信接口 |
RS485x2、以太网RJ45x1、4G（可选） |
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协议支持 |
Modbus RTU/TCP、MQTT |
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控制模式 |
定时控制 / 条件联动 / 远程手动 |
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联动策略 |
根据土壤墒情、气象数据自动启停灌溉 |
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安全保护 |
过流保护、漏电保护、短路保护、防雷 |
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柜体材质 |
不锈钢304 户外防雨型 |
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供电 |
AC 220V/50Hz |
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防护等级 |
IP55 |
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工作温度 |
-20~55度 |
电磁阀（EV-201）
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参数项 |
参数值 |
|
口径 |
DN25/DN50可选 |
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工作压力 |
0~1.0MPa |
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工作电压 |
DC 24V |
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功耗 |
<=15W |
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响应时间 |
<=0.5s |
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连接方式 |
螺纹/法兰 |
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阀体材质 |
铸铜/不锈钢 |
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防护等级 |
IP68 |
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使用寿命 |
>=10万次 |
水泵电机（WP-301）
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参数项 |
参数值 |
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额定功率 |
10-100W |
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额定流量 |
0.1立方米/H |
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最大扬程 |
30cm |
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供电 |
DC 24V |
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调速方式 |
支持调速 |
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接口 |
出水口 |
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防护等级 |
IPX4 |
6. 设备清单
农业物联网沙盘系统设备清单如下：
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类别 |
序号 |
设备名称 |
数量 |
单位 |
备注 |
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传感器 |
1 |
土壤墒情传感器（SM-100） |
4 |
个 |
|
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2 |
空气温湿度传感器（TH-200） |
2 |
个 |
|
|
3 |
CO2浓度传感器（CO2-300） |
1 |
个 |
|
|
4 |
光照度传感器（LX-400） |
1 |
个 |
|
|
网关与采集 |
5 |
数据采集器（DAQ-600） |
2 |
台 |
|
|
6 |
智能灌溉控制柜（IC-800） |
1 |
台 |
|
|
控制与执行 |
7 |
电磁阀（EV-201）DN25 |
4 |
个 |
|
|
8 |
水泵电机（WP-301） |
1 |
台 |
|
|
9 |
滴灌管路及喷头套件 |
1 |
套 |
|
|
10 |
农业物联网展示沙盘（含地形模型） |
1 |
套 |
|
|
沙盘与附件 |
11 |
沙盘底座及铝合金框架 |
1 |
套 |
|
|
12 |
仿真农作物模型 |
1 |
批 |
|
|
13 |
线缆、插排、电源适配器 |
1 |
批 |
|
|
14 |
WiFi路由器 |
1 |
台 |
|
|
软件平台 |
15 |
农业物联网云平台软件（Web端） |
1 |
套 |
|
|
16 |
网关本地管理软件 |
1 |
套 |
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