物联网温室大棚监测系统需求分析报告

物联网温室大棚监测系统需求分析报告（精选5篇）

1.物联网温室大棚监测系统需求分析报告 篇一

物联网冷链监测管理系统一、冷链环境监测重要性

随着现代科技的发展，以冷链温度监控系统为代表的现代制冷系统的应用也越来越广泛。冷链温度监控系统对环境温度进行严格的监控、记录、分析、决策，无线传输到计算机，对环境温度实现智能化管理。冷链物流泛指冷藏、冷冻类物品在生产、贮藏运输、销售，到消费前的各个环节中始终处于规定的低温环境下，以保证物品质量和性能的一项系统工程。它是随着科学技术的进步、制冷技术的发展而建立起来的，是以冷冻工艺学为基础、以制冷技术为手段的低温物流过程。

现代冷链物流属于控温型物流，为了实现冷链物流的信息处理及时、配送流程优化，以及存取选拣自动化、物流管理智能化，冷链物流需要信息化技术作为辅助手段。

目前冷链行业内的企业基本都可以提供仓储、冷链运输、市内配送等基础服务;除此之外，一些企业提供的服务范围更加广泛，诸如配货、分拣、贴标等附加功能;采购、库存管理、数据分析等增值服务。不断提供有价值的增值服务，将是未来行业的发展趋势之一。通过先进的射频识别技术、GPS技术、无线通讯技术及温度传感技术的有机结合，在需要恰当的温度管理来保证质量的生鲜食品和生产流程管理中，将温度变化记录在车载智能终端”上并同时“实时”的通过“具有GPRS或3g、4g流量通道上传”到企业的管理平台，对产品的生鲜度、品质进行细致地、实时地管理。可以简单轻松地解决冷藏货物在流通过程中的质量监控问题。

二、冷链温度监控系统的应用。

1、疫苗冷链温度监控系统

疫苗冷链监测系统对所有疫苗冷链设备（包括冷库、冰箱、冷藏车）实施“1个云平台+N个监测端”的信息化监测模式，即通过在疫苗冷藏冰箱、冷冻冰箱、冷库、冷藏车内安装高精度温（湿）度探头，把采集到的数据上传冷链监测设备，冷链监测设备将数据直接上传到冷链云端平台，出现因断电、设备故障等导致的异常情况，系统将通过短信、声音、微信等方式及时报警。

这个监测系统替代了以往“冰箱人工监测、疫苗运输温度事后验证”的落后监测模式，将每天2次手工冰箱测温改为24小时自动监测，极大地解放了人力，最大限度地保证疫苗储存、运输环境安全。

2、蔬菜鲜果奶制品冷链温度监控系统

蔬菜鲜果奶制品的冷藏，不仅有助于减慢它们的腐坏速度，保持新鲜，而且对全国物品的运输和合理配置有极大的影响。选择GPS冷链温度监控食品传输过程让客户不再担心质量问题，人们也吃的放心。在多年自主开发GPS物流车辆调度管理信息系统的成功经验基础上，结合实际冷藏物流企业的业务管理流程要求，全方位整合GPS工业级调度监控技术，设计出一整套适合冷链物流企业货运管理和一体化服务信息系统解决方案。

3、冷链温度监控系统如何对车辆卫星监控管理系统

此GPS监控方案根据自动识别采集技术、GPS车辆跟踪技术，将货况信息数据自动识读输入信息平台计算机系统，在运送过程中利用GPS冷链温度监控跟踪技术方法和手段，可以为企业提供准确的数据采集和跟踪反馈的有效解决手段，在物流企业的车辆追踪，所运送物品追踪和供应链的身份识别与位置定位等方面都可协助企业充分有效地解决目前冷链物流企业中货况运输管理存在的问题。

4、冰箱冷库温度、温湿度监控系统

本温湿度监控系统主要提供对冷藏室、冰箱、冷库等环境空间温度、湿度的严格监控和管理。系统能对大面积的多点的温度、湿度进行监测记录，并将数据传输到PC机上进行数据存储与分析，并输出打印曲线，在设备异常情况下还以多种形式的报警通知相应人员。A、系统功能：

（1）、可在线实时24小时连续的采集和记录监测点位的温度、湿度、风速、二氧化碳、光照、空气洁净度、供电电压电流等各项参数情况，以数字、图形和图像等多种方式进行实时显示和记录存储监测信息，监测点位可扩充多达上千个点。

（2）、可设定各监控点位的温湿度报警限值，当出现被监控点位数据异常时可自动发出报警信号，报警方式包括：现场多媒体声光报警、网络客户端报警、电话语音报警、手机短信息报警等。上传报警信息并进行本地及远程监测，系统可在不同的时刻通知不同的值班人员；（3）、数据集中器提供USB接口，在没有配监控电脑或监控电脑损坏、瘫痪，可随时用U盘导出将数据转至其它电脑。

（4）、数据集中器端提供具有信号输出协议的端口，可接通信设备（GPRS DTU等）进行无线传输。

（5）、温湿度监控软件采用标准windows 98/2000/XP全中文图形界面，实时显示、记录各监测点的温湿度值和曲线变化，统计温湿度数据的历史数据、最大值、最小值及平均值，累积数据，报警画面。（6）、监控主机端利用监控软件可随时打印每时刻的温湿度数据及运行报告。

（7）、强大的数据处理与通讯能力，采用计算机网络通讯技术，局域网内的任何一台电脑都可以访问监控电脑，在线查看监控点位的温湿度记录仪变化情况，实现远程监测。系统不但能够在值班室监测，领导在自己办公室可以非常方便地观看和监控。

（8）、系统可扩充多种记录数据分析处理软件，能进行绘制棒图、饼图，进行曲线拟合等处理，可按TEXT格式输出，也能进入EXCEL电子表格等office的软件进行数据处理。

（9）、控制软件的编制采用软件工程管理，开放性与可扩充性极强，由于采用硬件功能的软件化的系统设计思想及系统硬件的模块化、通讯网络化设计，系统可根据需要升级软件功能与扩展硬件种类。（10）、系统设计时预留有接口，可随时增加减硬软件设备，系统只要做少量的改动即可，可以在很短的时间内完成。可根据政策和法规的改变随时增加新的内容。

（11）、设备改进、检修过程中及检修完成后，均不需要停止或重新启动机房监控系统。

（12）、系统都均做可靠行接地，以防静电。B、温湿度监控系统产品其他应用场合：

食品、电子生产车间、药房、冰箱、冷库、库房、机房、实验室、工业暖通、图书馆、档案室、博物馆、孵房、温室大棚、烟草、粮库、医院等其他需要环境监测领域。

三、温湿度如何布点

GSP认证最新规范规定:药品库房冰箱、冰柜、冷库、冷藏车、仓库温湿度应该如何布点

常温库、阴凉库温湿度分布点要求（满足GSP认证最新规范规定）温湿度传感器的布点跟库房面积密切相关，由药品库房的面积来决定温湿度传感器的点数，一般来讲常温库300㎡安装一台温湿度监测点；301-600㎡安装2个温湿度监测点，601-900㎡安装3个点温湿度......1501-1800㎡安装6个点，以此类推。

如果库房隔断出独立小库，不论小库面积多大，都要安装一个监测点。如果库房为立体库或高架库要使用双层布点规则进行温湿度布点。、冷库温湿度分布点要求（满足GSP认证最新规范规定）

冷库布点：平面单库20㎡一下应不少于2个监测点，20-50㎡不少于3个监测点，50-150㎡应不少于4个监测点；151-300㎡应不少于5个监测点、冷柜、冰箱分布点要求（满足GSP认证最新规范规定）

如果有单独的冷柜，冷柜每柜安装一个温湿度监测点，单独小库不论面积多小，都应安装一个监测点。、冷藏车

每辆冷藏车安装不少于2个监测点

四、总结

以上关于冷链温度监控系统在生活生产中的应用就为大家讲解到这里。冷链温度监控系统实现了冷藏货物的温度和运输的结合的全监控，冷链温度监控系统减少食品损耗，有效保障运输的安全性，提升生产效益，是现代生产生活中有效有益的冷链温度监控管理。

2.物联网温室大棚监测系统需求分析报告 篇二

1 基于Zig Bee网络的智能温室监测系统的设计

本文所设计的基于Zig Bee网络的智能温室监测系统, 智能温室设计面积为40 m×40 m, 采用星型网络拓扑结构, 如图1所示。由环境监测节点 (终端节点) 、协调器和上位机构成监测平台。

由于Zig Bee技术采用的是2.4 GHz高频信号, 而终端节点和协调器的电路组成中除CC2530的射频电路外还有其他低频电路, 为了消除低频电路对高频信号的影响, 本系统采用了模块化的PCB设计方法[2], 把射频电路与低频电路分别设计在2块不同的PCB上, 二者通过排针相互连接。既确保高频电路尽量少受低频数字信号干扰, 同时简化设计复杂度, 增强了节点电路的通用性。

1.1 无线核心模块 (射频电路) 的设计

不论是协调器, 还是终端节点都具有相同无线核心模块 (射频电路) , 作为整个节点硬件系统的核心。它主要由CC2530芯片、时钟电路、滤波电路、微带天线、外接天线构成。为保证无线核心模块的通信距离和可靠性, 本系统所设计的电路严格参照TI公司提供的参考电路。电路原理图如图2所示。

无线核心模块通过排针把模块的电源输入、芯片复位引脚以及17个I/O端口引出, 与外围电路 (低频电路底板) 的母排相连。

1.2 协调器的设计

协调器是整个Zig Bee传感监测网络的核心, 其中无线核心模块负责传感网络的建立、管理和数据传输;RS485接口与上位机进行通信, 传输从传感网络获得的传感器数据;利用LED指示灯实时地显示网络状态, 协调器的硬件结构框图如图3所示。

从图3可见, 协调器的组成除了无线核心模块 (射频电路) 外, 还包括协调器外围电路, 外围电路主要包括电源电路、RS485接口电路、LED指示电路等。下面分别对外围电路的各部分进行具体设计。

1.2.1 电源电路

协调器是Zig Bee网络的核心, 它必须保持持续工作不能中断, 所以协调器采用外接直流电源。由于除RS485所使用的元器件为5 V供电外, 包括无线核心模块 (射频电路) 在内的其他模块均为3.3 V供电, 所以, 选取5 V的外接直流电源为协调器供电。直流电源输入5 V电压后, 经LM1117 DC-DC转换后降为3.3V。协调器电源电路原理图如图4所示。

1.2.2 RS485接口电路

协调器与上位机之间的通信是通过RS485接口来实现的。RS485接口电路图如图5所示。

协调器使用SN75176作为RS485接口的电平转换芯片。为消除共模电压及其他外部干扰, 需采用光电隔离器件实现Zig Bee信号和RS485信号的隔离传输。SN75176的输出引脚A、B上分别连接了阻值为1 kΩ的上拉下拉电阻, 其目的是保证在A、B开路的情况下RS485的差动电压绝对值不小于200 m V。

1.2.3 指示电路

指示电路采用红、绿、黄、蓝4种颜色的4个LED指示灯显示网络的运行状态和进行错误报警、超限报警等。指示电路原理图如图6所示。

1.3 终端节点的设计

终端节点是Zig Bee传感监测网络中数据采集的执行者, 它负责采集现场数据。在本文所设计的Zig Bee传感监测网络中, 终端节点使用无线核心模块与协调器节点进行通信, 由传感器执行数据采集, 利用LED指示灯显示其本身的网络状态和工作状态。终端节点的硬件结构框图如图7所示。

从图7可见, 终端节点的组成除无线核心模块 (射频电路) 外, 还包括终端节点外围电路, 外围电路主要包括电源电路、传感器电路、LED指示电路等。其中LED指示电路与协调器节点相同, 具体请参阅“1.2.1”节。下面主要阐述电源电路和传感器电路的设计。

1.3.1 电源电路

根据智能温室中可能采用能耗较大的传感器, 但比较容易更换电池的实际, 设计终端节点的供电模块时选取大容量电池供电, 电池为4.2 V, 4200 m Ah。选取XC6206P332MP-3.3V作为终端节点的电压转换芯片, 为无线核心模块供电。XC6206P332MP-3.3V功耗低、精度高, 且价格便宜, 符合Zig Bee协议的要求。终端节点的供电电路如图8所示。

电池的充电电路采用外接直流电源经由二极管D1分压后, 电压降至4.3 V左右。为电池充电时, 只需与5 V直流电源连接即可。

1.3.2 传感器电路

在设计基于Zig Bee网络的智能温室监测系统时, 为了精确掌握农作物的生长环境和生长情况, 必须依赖各种先进的传感器, 用于监测温度、湿度、光照和CO2等。其各自的传感器电路设计如下。

1.3.2. 1 基于MLX90614的非接触式红外测温电路

MLX90614是一款非接触式红外线温度感应器, 由红外热电堆感应器和定制的信号调节2部分组成。MLX90614信号调节部分使用了先进的低噪声放大器, 实现温度的高精度测量。温度测量范围为-40~85℃, 解析度为0.02℃;MLX90614是一种低功耗传感器, 且拥有节能关断工作模式, 符合Zig Bee网络的低功耗要求。基于MLX90614的非接触式红外测温电路原理图如图9所示。

MLX90614与无线核心模块连接时, 需将相应的引脚与CC2530的通用IO口连接。

1.3.2. 2 基于DHTll的温湿度传感器电路

DHTll数字温湿度传感器应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术, 确保产品具有较高的可靠性、稳定性。DHTll采用单线制串行接口, 读取温度和湿度时均通过1条数据线按先后顺序读出。

DHTll的测量范围为10%~90%RH、0~50℃, 具有精度高、体积小、功耗低、信号传输距离远的特点, 适合用于精准农业的温湿度监测。基于DHTll的温湿度传感器检测电路如图10所示。

DHTll采用2针单排引脚与无线核心模块 (射频电路) 连接, 供电电压为3.3 V。

1.3.2. 3 红外线光敏传感器

红外线光敏传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。红外线光敏传感器检测电路如图11所示。

1.3.2. 4 土壤湿度传感器

土壤湿度传感器 (HA2001) 主要用来测量土壤容积含水量, 进行土壤墒情监测及农业灌溉指导。土壤湿度传感器检测电路如图12所示。

1.3.2. 5 红外CO2浓度传感器

红外CO2浓度传感器采用单束双波长非发散性红外线测量方法, 根据不同的气体吸收不同波长的光, CO2对红外线 (波长为4.26 m) 最易吸收的原理, 将空气吸入测量室, 测量红外线 (波长为4.26 m) 光通量, 从而测量出CO2浓度。红外CO2浓度传感器检测电路如图13所示。

1.4 星型网络的组建

本文中组建智能温室传感监控网所使用的星型网络拓扑, 以协调器为网络中心, 其他的终端节点只能与协调器通信, 若终端节点间需要通信, 则需通过协调器转发实现。协调器负责发起建立和维护整个网络。与之相连的其他终端节点必须分布在协调器的覆盖范围内。

要构建智能温室传感监控网, 就必须根据Zig Bee网络的协议, 构建星型网络拓扑, 保证协调器与终端节点的正常通信。Zig Bee网络协议的架构图如图14所示, 根据架构图可知, Zig Bee网络的协议分为两部分: (1) IEEE802.15.4定义的物理层和MAC层技术规范; (2) Zig Bee联盟定义的网络层、应用程序支撑子层和引用层技术规范。Zig Bee协议栈是Zig Bee厂商为用户提供的一种将各个层定义的协议集合在一起, 以函数的形式实现通信的集成方法, 并给用户提供API, 方便用户调用。本文使用TI公司提供的基于Zig Bee 2007的协议栈Z-Stack-cc2530-2.3.0, 完成Zig Bee网络的构建和维护[3]。

Zig Bee无线网络协议栈的功能可分为无线网络模块和服务器模块两部分[4], 其功能模块划分如图15所示。

在组建Zig Bee星型网络时, 协调器节点初始化设备后, 设定Zig Bee无线网络的个域网ID号和通信信道等网络初始化信息。终端节点上电之后, 首先初始化硬件设备, 然后扫描网络, 查找到网络之后自动加入网络。这样随着终端节点不断加入网络, 最终自组织形成Zig Bee无线网络。网络流程如图16所示。

在采用Zig Bee无线网络栈实现智能温室监测星型网络时, 终端节点和协调器应通对Z-Stack协议栈对CC2530进行无线网络模块的初始化和服务器模块的初始化[5]。本文通过TI提供的Sample App工程构建网络。

1.4.1 终端节点初始化

首先对终端节点的无线网络模块初始化, 使用osal_start_timer EX () 函数, 定义函数中的Sample App_Task ID (任务ID号) , 完成对任务ID号的初始化。定义SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSRID为3, 来确定终端节点通过点播的方式向协调器发送信息。根据智能温室的监测特点, 使用SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_TIMEOUTCL, 定义终端节点向协调器循环发送数据的周期为1800 s, 并利用af Addr Type_t枚举类型建立枚举Point_To_Point_Dst Addr, 定义通信为点对点通信, 将Point_To_Point_Dst Addr.addr.short Addr设为0x0000, 从而确认终端节点发送的对象是协调器 (地址为0x0000) 。

然后对终端节点服务模块初始化, 根据不同的传感器, 配置不同的驱动, 保证终端节点准确接收传感器发来的信息, 并打包成Z-Stack协议栈可以发送的数据类型。

1.4.2 协调器初始化

在对协调器初始化时, 首先初始化无线网络模块, 定义osal_start_timer EX () 函数中的Sample App_Task ID (任务ID号) 为终端节点中设定的任务ID。然后初始化服务模块。建立Sample App_Message MSGCB (aflncoming MSGPacket_t*pkt) , 定义RS485接口的数据传输速率 (波特率) 、奇偶校验类型、数据位数、停止位数, 完成RS485接口初始化, 并利用该函数通过协调器上的RS485接口向上位机传输终端节点的MAC地址和由终端节点接收的数据。

2 基于Visual C++的数据显示和处理系统设计

2.1 利用Visual C++显示协调器接收到的数据

RS485串行通信的核心在于串行通信方式 (发送、接收和握手) 的控制。Visual C++为我们提供了一种好用的Active X控件Microsoft Communications Control (即MSComm) 来支持应用程序对RS485接口的初始化及管理和访问。利用MSComm控件编程进行串行通信, 在成功加载MSComm控件后, 首先利用控件的Comm Port属性和Setting属性, 对上位机上的RS485接口初始化, 完成对RS485接口的定义, 根据协调器中定义的数据传输速率 (波特率) 、奇偶校验类型、数据位数、停止位数设置上位机上RS485接口的通信参数。然后利用In Put属性打开RS485接口。

MSComm控件提供的在运行触发事件或发生错误时, 触发On Comm事件, 可以通过事件的Comm Event属性, 判断MSComm控件当前的触发事件或发生错误的具体类型, 进而通过硬件握手协议, 应对各种错误事件和接收数据具体过程。通过CMscomm Demo View类中的Send Data () 函数实现RS485接口数据发送。

当完成串行通信后, 应关闭RS485接口, 系统将会清空RS485接口上的收发缓存, 重置标志位, 以确保RS485接口资源得到及时的释放[6]。

2.2 利用Visual C++处理RS485接口接收数据

在实现对智能温室监测数据的读取后, 上位机应对智能温室监测数据进行相应的处理和显示, 本文设计的显示和控制界面如图17所示。

在这个显示和控制系统中, 根据农业属于经验科学的特点, 引入了监测数据与种植作物历年来总结作物各关键生长时间节点数据、每日数据比对。从而合理地给出种植作物的各项农业作业实施时间建议, 提示农业作业具体操作流程。并通过数据比对得出对智能温室的各项环境变量的控制数据, 发送到各类控制终端, 实施智能化农业作业, 以达到对智能温室光照、湿度、温度、CO2浓度、肥力和病虫害控制自动化管理的目的。

在对智能温室的各项环境变量进行控制时, 根据农业环境变量的改变是一个比较缓慢、渐进过程的数据特点, 采用比例积分控制, 实现对智能温室环境变量的闭环控制, 积分时间常数设定为3600 s或更长时间。其控制模型的系统框图如图18所示。

2.3 利用Visual C++向RS485接口发送控制指令

利用建立RS485接口通信时, 设立的CMscomm Demo View类中的Send Data () 函数, 实现对刚刚采集的各项环境变量的控制数据的发送。由于所发指令涉及到多个终端设备, 应在每个发送数据包中添加地址信息, 实现发送过程中分地址发送数据。

3 实现各类控制终端的控制

本设计采用的RS485总线, 是向各类控制终端发送控制指令, 这就要求各类控制终端的串行端口具有统一的数据通信协议, 设置各类控制终端的RS485接口传输速率 (波特率) 、奇偶校验类型、数据位数、停止位数与上位机RS485接口的通信参数保持一致, 以保证通信的正常运行。根据设计系统中分地址发送数据的设计要求, 各类控制终端在收到数据包, 进行数据包解析时, 控制终端的地址分配如表1所示。

3.1 智能温室室外遮阳幕系统

为保证智能温室室内光照保持适宜的光照强度, 避免过强太阳辐射引起室内温度升高, 智能温室设室外遮阳幕, 并通过推杆电机实现对室外遮阳幕的启闭。系统的主要参数如下:使用电机类型, 直流推杆电机;行程, 4.00 m;升降速度, 0.50 m/min;单程运行时间, 10.00 min;电源电压, 380 V;电机功率, 0.75 k W;限位方式, 电机带限位器。

3.2 智能温室通风降温系统

智能温室通风采用自然通风系统、循环通风系统、强制通风系统和湿帘风机降温通风系统。

3.2.1 自然通风系统

自然通风包括沿智能温室屋脊方向交错开窗的屋顶窗和智能温室两侧墙的自然通风窗。通风窗设有开窗电机系统, 实现自然通风窗启闭。

3.2.2 循环通风系统

为保证智能温室内温度、湿度环境的均匀性, 智能温室配置环流风机, 每2台按开间方向组织气流。环流风机的参数如下:主轴转速, 1450 r/min;风量, 4820 m3/h;全压, 149 Pa;功率, 370 W;送风距离约定, 45 m。

3.2.3 强制通风系统

在智能温室南山墙设置强制通风风机, 风机采用低压大流量轴流风机, 能耗1.1 k W/台。每台风机排风量42000 m3/h。这样的排风量可保证室内夏季通风温差在3~10℃以内。

3.2.4 湿帘风机降温系统

当室外温度超过28~34℃时, 启动湿帘降温。水泵向湿帘供水, 空气通过湿帘降低温度, 与机械通风相配合, 带走智能温室内多余热量, 降低智能温室温度。湿帘安装在智能温室的北山墙, 湿帘设有电动卷膜电机开窗系统。风机使用安装在智能温室南山墙上的强制通风风机。

3.3 智能温室补光系统

智能温室采用人工补充光照, 用以满足作物光周期的需要。

3.4 智能温室采暖加温系统

在智能温室中设有采暖加温机, 以保证隆冬时节智能温室的环境温度。

3.5 智能温室喷灌、滴灌系统

智能温室的供水系统可分为水利灌溉和营养液、农药灌溉2个部分。为了满足营养液、农药设施要求, 在供水系统水源处设有营养液、农药添加搅拌池。

喷灌系统采用大面积自压喷灌系统, 倒挂式喷头。该喷头工作压力为2~3.5 kg/cm2, 流量为104 L/h, 喷头喷洒半径为4 m, 管道两端喷头间距为3.2 m, 采用电动阀门控制其工作。

滴灌系统可分为地上滴灌系统和地下滴灌系统。采用电动阀门控制其工作。

3.6 智能温室人工照明系统

智能温室的照明采用防水防尘灯, 共设6盏照明灯。

4 结语

本设计在初步试验中, 基本实现了对智能温室光照、湿度、温度、CO2浓度等的自动化管理。测试人员利用上位机可视化界面能够查询到智能温室的各种信息, 及时、合理地安排农作物的种植, 为实现智能、健康、节能的农产品生产积累了有益的经验。

参考文献

[1]Zig Bee Specification[S].Zig Bee Alliance, 2006, 11.

[2]Kim D H, Song J Y, Lee S H, et al.Development and evaluation of Zig Beenode for USN[J].International Journal of precision engineering and manufacturing, 2009, (10) :53-57.

[3]IOTer.Zig Bee技术概述, 技术特点及协议栈结构[DB/OL].http://www.5lian.cn/html/2012/gainianjiexi_0213/30133.html, 2010-07-08.

[4]彭刚, 刘戎, 王方年, 等.无线传感器网络研究概述[J].广西科学院学报, 2007, 23 (4) :369-372.

[5]秦旭.基于Zig Bee技术的无线通信栈的研究[D], 哈尔滨:哈尔滨理工大学, 2011.

3.物联网温室大棚监测系统需求分析报告 篇三

关键词：物联网；传感器；精密温室；监控；农作物；无线传输

中图分类号： TP277.2；S126 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）10-0491-03

随着信息通讯技术的快速发展，物联网（internet of things）技术应运而生。通过物联网可使物体与网络连接，相互沟通，人们可在任何地点、任何时间对这些物体进行监控或基于这些物体所反馈的信息提供服务。精密温室环境管控系统基于物联网技术，可以为管理者简便、实时获取精密温室内的状况，并以此为基础使管控系统设计简化，使设备扩充更为容易。陕西省渭南市地处我国西部、关中平原东部，农业资源相对紧张，适合密集化精细农业的生产，目前已形成大规模的草莓生产基地；但长期以来草莓生产处于粗放式管理，若能运用精确灌溉技术，如利用蒸发量、重量变化和蒸汽压差等配合自动化灌溉设备决策灌溉，不但可以提高草莓的质量，而且通过统一精细化管理，草莓果品质量的一致性也可得到保證。

1 基于物联网环境的植物工厂模式

“植物工厂”广义是指在一定生产管理下全年无休的植物生产系统，而狭义是指在完全人工环境下全年无休的植物生产系统，主要目的皆是使植物生产能达到全年的稳态量产。植物工厂依照其光源利用方式一般可分为太阳光利用型、完全控制型与综合型3大类[1]。

太阳光利用型植物工厂使用日光为光源，外部结构由玻璃或塑料材质构成，屋顶具有遮阳网，当光照过强时可用来遮蔽；仅能以平面单层栽种，多为一般花卉温室或具有高度环控设备的精密温室，如台湾蝴蝶兰温室等。完全控制型植物工厂使用人工光源，对植物生长有影响的主要环境条件温度、湿度、二氧化碳、培养液等由人工控制，不易受到外界环境所干扰，是理想的植物工厂，非常适合立体化栽种，可以增加土地利用率，但需要的能源成本相对较高，如日本短期叶菜类栽培等。综合型植物工厂兼用太阳光与人工光源，介于前2种类型之间，以日光为主、人工补光为辅，在北欧、北美冬季日照较短的地区应用较多，如欧美名贵花卉、西红柿、莴苣种植等。

微处理器成本越来越便宜，功能也越来越强大。物联网是指在某一物体中嵌入一个微处理器，使物体变得具有智慧，能“自动开口说话”，同时，借助无线网络技术，人们可以和物体进行“对话”，物体和物体之间也能相互进行“交流”。2011年，日本学者Fukatsu等针对中小型温室环境控制设备建构提出一个解决方案，即环境监控系统（ubiquitous environment control system，UECS）[2]，其基本单元为配有嵌入式计算机的设施与传感器（称为节点），作业具有独立性，可通过局域网与计算机连接。该系统线路简化为电源线与网络线，通过网络传输信号再通过嵌入式计算机控制，不会存在使用特定规格部件的问题，且可通过笔记本电脑、PDA、可携式游戏机进行节点设定或远程操作[3-4]。而集中型环境控制系统线路较为复杂，各项设备可能会因生产国家、型号不同，使节点或控制信号不同，温室计算机只能使用特定机种进行监测与调控。

2 基于物联网的精密温室环境管控系统关键技术

2.1 无线网络监控架构

无线监控系统的网络架构主要由数据库服务器、网页服务器、无线基站、网络摄影机及 PICNIC 卡组成（图1），环境参数、视频影像等信息存储于资料库服务器，远程使用者可通过客户端网页系统监控精密温室环境。精密温室需要调控环境的风（温度、湿度、内循环风速）、光（光量、光质、光周期、均匀度）、水（供给方式、时机、频度）、养（营养液、供给方式、时机、频度）、气（二氧化碳）五大要素[5-6]，对这些环境状况随时记录，并能通过互联网获取实时信息，在环境异常时实时告知管理者。

2.2 营养液控制系统

精密温室的栽培方式多为水培方式立体化种植，搭配使用人工光源，并通过营养液供给补充植物生长所需，而营养液电导率与酸碱度会随植物生长而发生改变，进而影响植物的生长。电导率是判断营养液浓度的指标，营养液浓度越高，电导率也会越高，因此，可依据电导率来调控营养液。电导率变化由电阻给出信号，为方便测量，可将电阻信号转换为电压或电流信号，并在电极与数据获取端之间加装信号传送器。营养液控制系统采用的电导率传感器型号为HOTEC CM-61，测量范围最高可达20 mS/cm。另外，电导率传送器具有 LCD

面板，可供现场人员实时监看测量值。系统采用的酸碱度传感器型号为 HOTEC PH-10C，也具有 LCD 面板供现场人员实时监看测量值。

营养液调控是将高浓度的原液通过蠕动泵以微量的方式添加到水中，而蠕动泵是以凸轮为转子，通过凸轮转动挤压软管，使软管内的流体向前移动，同时也会吸取液体。由于转子转速可以调控，因此可使推进的流量相同。系统采用的蠕动泵型号为 CS074-3，采用 12 V直流电马达驱动。

营养液控制系统与无线监控系统相比，除传感器外具有相同的软件架构，具有 PICNIC、计算机、酸碱度电极、电导率电极、蠕动泵、A 液与 B 液、内含氢弱酸性阳离子交换树脂的调酸槽、混合槽及循环泵（图2）。PICNIC 负责获取酸碱度与电导率电极所测得的信号，驱使蠕动泵动作；计算机负责下达控制命令给 PICNIC，储存所获取的信号；蠕动泵负责抽取 A 液与 B 液至混合槽，由混合槽抽取营养液至氢弱酸性阳离子交换树脂使酸碱度降低，再回到混合槽；循环泵负责将营养液供给植物，增加混合槽内营养液的循环。

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营养液调控流程为：系统开始运行，检查营养液的电导率；若营养液电导率不足时会启动蠕动泵添加A 液与 B 液，每次添加约8 mL；检查营养液的酸碱值，若未达到设定值则会进行调酸；如果在进程中添加A液与B液或调酸，则会等待10 min，使营养液与混合槽内营养液均匀混合（图3）。A 液与 B 液添加量和等待时间可在软件中重新修改设置。

2.3 灌溉系统

灌溉测量平台（图 4）上方安装 6 根 T5 LED光源，灯下

10 cm光量最高可达 260 μmol/（m2·s）；平台安装荷重元，荷重元上方装有1块60 cm×120 cm 的珍珠板用来摆放栽培物，T5灯管距离珍珠板约 50 cm，荷重元测量的质量由 PICNIC 获取，由蠕动泵将营养液抽至栽培物内[7-8]。

试验前，栽培物进行前处理：将栽培物以淹灌方式等待10 min，使水苔充分吸收水分；移至阴凉处等待10 min，使水苔内部的多余水分自然流出。前处理完成后才进行试验。试验每处理摆放4盆，测量每盆的质量变化。有2个试验内容：（1）灌溉时机的建立：以草莓栽培为例，在7 ～14 d进行灌溉，在之后的16 d内不再进行灌溉，连续记录总质量变化，计算每日质量减少百分比；（2）灌溉试验：以灌溉时机试验建立的第10天质量减少百分比为灌溉参考，当质量减少相同百分比时开始灌溉，灌溉量为减少百分数乘以最初总质量。试验过程中，每日连续给光12 h，环境温度维持在（24±1） ℃，湿度保持在60%～70%。

3 基于物联网的精密温室环境管控系统的实现

3.1 传感器参数校正

3.1.1 重量转换器的设定与荷重元的校正 RI 1203 重量转换器第1次使用时需对硬件内部进行相关设定，包含输出方式、输出格式等。步骤为：将 RI 1203 重量转换器通过 RS-232 接口与计算机连接；计算机上运行Rinstrum PTY LTD的View1203软件，点选联机按钮，再选取RI 1203 使用的COM Port进行联机；进入Test/Command Mode页面，在Command中输入指令COF设定输出质量值数据格式；在Command 中输入指令IAD调整转换器参数，包含小数位数、单位及称量等。

重量转换器设定完成，需要校正荷重元。本研究采用的荷重元最大负重为30 kg，测量精度为1 g。校正步骤为：确认荷重元上没有任何载重；运行Rinstrum PTY LTD的View1203软件，点选联机按钮，再选取RI 1203使用的 COM Port进行联机；进入Test/Command Mode 页面，在Command 中输入 LDW 指令进行质量归零；在Command中输入 LWT10000命令，将1 000 g标准砝码置于荷重元上，在Command中输入TDD1，将校正设定储存至RI 1203重量感测模块。

3.1.2 湿度传感器的校正 一般传感器厂家都提供相对湿度传感器的特性曲线及其计算公式，但相对湿度感测器的特性曲线会以每年小于1%的速度逐年降低，因此有必要重新测量其特性曲线。另外，为能便于田间使用，湿度传感器往往设计成可更换式的，也需要对卸下的湿度传感器重新校正。相对湿度传感器是利用饱和盐溶液进行校正的，使用K2SO4、KCl、NaCl、KI、K2CO3这5种不同的饱和盐溶液为标准，其 25 ℃ 时对应的相对湿度分别为97.30%、84.34%、75.29%、6886%、43.16%。将配制好的饱和盐溶液置于玻璃瓶内，密封，25 ℃温控室待瓶内相对湿度稳定，记录传感器所测量的电压，6次重复取平均值，利用反函数求回归方程。

3.1.3 光量传感器的校正 采用RGB比例可调整式LED作为测量光源，以LI-189（LI-COR，USA）作为参考。有3个试验内容：（1）单晶硅与非晶硅太阳能板的比较。将单晶硅与非晶硅太阳能板分别放置于LED光源下方 10 cm处，维持在室温，改变 LED 光量输出，记录各个太阳能板电压输出与 LI-189所测量的值。（2）环境温度对太阳能板的影响。将太阳能板及光源置入可调控温度的低温控制箱，最高温度可达到53 ℃，分别测量室温、40、50 ℃时太阳能板的电压输出，并改变 LED 输出光量。（3）不同生产周期的太阳能板对光量的反应。将3块不同生产周期的太阳能板放置于相同位置LED光源下方 10 cm处，改变LED光量輸出，记录各个太阳能板的电压输出。

3.2 传感器反馈公式

3.2.1 相对湿度传感器 由图 5可知，试验测得的结果线性度较好，决定系数r2为0.997 1，回归方程式为RH=32.26×U-25.81。其中，RH为相对湿度，单位为%；U为传感器输出电压，单位为V。

3.2.2 光量传感器 （1）单晶硅与非晶硅太阳能板的比较。单晶硅太阳能板如SM-5626，PAR值约为250 μmol/（m2·s），输出电压不呈线性，此类单晶硅太阳能板只适于PAR值为250 μmol/（m2·s）以下的光源[7]。由图6可见，SC-7035非晶硅太阳能板呈现出比较好的线性度，光量最强能达到 350 μmol/（m2·s），且尚未达到饱和。对于光需求量不高的作物，一般提供 300 μmol/（m2·s）的光量就足够了。SC-7035 非晶硅太阳能板的回归方程式为PAR=99.593×U。 其中，PAR为光合作用有效能量，单位为μmol/（m2·s）；U为太阳能板输出电压，单位为V。（2）环境温度对太阳能板的影响。由图7可见，不同环境温度下，光量相同时太阳能板输出的电压不会因温度升高而改变；输出光源在相同工作比下，温度越高输出光量则会降低。（3）不同生产周期太阳能板对光量的反应。由图8可见，LED工作比在80～100之间，因LED输出光量已趋于饱和，测量到的电压不会有明显变化；3块不同周期的太阳能板具有相同的变化趋势，相同光量下第一块与第二、第三块会有细微差异，在使用前还是必须对不同太阳能板进行回归处理。

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3.3 营养液控制系统构建与测试

营养液调控需要使用3个蠕动泵，分别为调酸（A 泵）、A液添加（B泵）及B液添加（C泵）。由表1可见，B、C泵差异较小，测量60 s时流量约为 52 mL/m；A泵流量最小，约为 47.7 mL/m。这是由于营养液添加时，A液与B液需以1 ∶ 1比例添加，因此选用差异较小的蠕动泵。

使用营养液控制系统调控90 L的营养液实践：初始手动方式添加营养液、酸碱度不进行调整，以节省等待时间；当营

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养液电导率由0.2 mS/cm上升至1.1 mS/cm，此时营养液的pH值会迅速下降；系统自行将营养液微调整至设定值 1.2 mS/cm，酸碱度调整至pH值为6，此时需经过较长时间达到平衡，通过蠕动泵增加流量以提高调酸速度。

4 结论

通过物联网技术将精密温室中的各种传感器互联，不但可以实现对农作物的自动管理，而且可以通过互联网远程监控。光量传感器部分采用非晶硅太阳能板，当光量在 350 μmol/（m2·s） 以下时，传感器可在保证精确控制的基础上大幅降低成本。适用于精密温室内环境的无线监控系统，可对风、光、水、养、气进行监控，系统可依照使用地点不同、PICNIC安装数目以及使用传感器种类而更改软件设定，使系统能够很容易移植到相应的农田并易于扩展。控制策略以条列方式进行处理，对控制要素进行扩充，使系统在控制设备的应用更具多样化。

无线监控系统要对设备进行精确控制，无线网络需要有很强的稳定性；因此，必须根据实际环境更改无线接入点的数量，在相对集中的温室或大棚中采用有线网络传输，使系统消除因其他无线网络干扰等带来的不稳定性。

参考文献：

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[2]Fukatsu T，Nanseki T. Monitoring system for farming operations with wearable devices utilized sensor networks[J]. Sensors，2009，9（8）： 6171-6184.

[3]陳一飞，杜尚丰. 对农业大系统控制若干问题的思考[J]. 农业工程，2011（1）：8-13.

[4]程秀花，毛罕平，倪 军. 基于CFD的自然通风玻璃温室湿热环境模拟与测试[J]. 扬州大学学报：农业与生命科学版，2010，31（3）：90-94.

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[6]郑丽萍，何东健. 基于S3C2410A的农田土壤信息采集平台设计[J]. 农机化研究，2008（6）：82-85.

[7]王石磊，郭艳玲，付志刚. 基于ARM的温室环境控制系统研究[J]. 林业机械与木工设备，2008，36（4）：19-21.

[8]唐 娟，王文娣，吕长飞. 基于新型AVR单片机的温室测控系统[J]. 微计算机信息，2007（26）：138-139，184.李 将，俞阿龙，蔡文科，等. 基于ZigBee和GPRS的温室控制系统研究[J]. 江苏农业科学，2015，43（10）：494-497.

4.物联网系统项目报告 篇四

基于物联网的太阳能光伏组件监测系统是在每个光伏组件上安装数据采集模块，单片机为核心构成的数据采集板对太阳能电池板运行参数进行采集，并通过串口将采集到的数据发送到GPRS DTU模块进行传输，利用组态王将采集到的数据进行建模，进而对得到的大数据进行数据挖掘，在应用层针对不同用户，建立不同的网页端和手机APP端显示。网页端监测和手机APP端监测可以实时的显示电压、电流、温度、光伏强度等参数，及P-V曲线，并根据后台计算得出的最佳P-V曲线提醒用户调整参数以得到最大输出功率，完善用户体验。针对不同用户，如家庭、山村、楼宇、市政投资建设等，网页端监测和手机APP端还可以提供性能评价系统、故障诊断，以及专家系统等不同客户服务。

二．项目背景

1.光伏太阳能

目前，在可再生能源方面，许多发达国家正在积极研究开发光伏发电系统，并制定计划等来推动其发展。日本在光伏产业发展，研究和规模等方面都处于世界前列，其在2010年光伏发电装机容量达到5GW，宣布了太阳光能源计划并着手实施，包过光伏、太阳热等。欧盟国家制定的可再生能源白皮书是欧洲光伏产业发展的标志性宣言，其要求在2010年完成总容量达到4GW光伏发电装置系统，另外许多欧盟内部国家也建立了自己的光伏电站，如希腊与美国在Crete岛上合建世界上最大的光伏电站-50MW光伏电站；美国在2010年光伏发电机总量达到4.9GW并制订了国家光伏发电的长期计划，实现美国对新可再生能源研究、开发及应用等领域的快速发展。发展中国家也推出发展光伏产业的计划和泰国、印度等国家为了扶持可再生能源的发展，政府出台了许多优惠政策。中国推出“金太阳工程”和“光伏屋顶”计划等，并推出光伏发电的财政补贴政策，并促进光伏产业的快速发展。

国外对光伏电站监测系统的研究趋于成熟，比较典型而具有代表性的研究如下： 90年代美国电子电力研究院对7个光伏电站进行数据采集和监测，对采集的数据进行数据处理分析，并计算监测的费用及实施方案的评估。在并网电站系统研究方面，美国国家可再生能源实验室在1995年对两座6KW并网型光伏电站进行监测研究，包括数据采集和分析，以及研究光伏发电系统参数与环境的关系，并对发电效率进行相应的评估等。1995年，IEA-PVPS（International Energy Agency Photo voltaic Power Systems）也对光伏电站进行了监测研究，建立了大型的光伏电站系统数据库，然后研究分析光伏系统的运行性能、状态的影响因素、运行的可靠性、建设成本等。

国内的一些研究机构也有对光伏系统的监测技术的研究。如中国科学院电工研究所、国家能源太阳能发电研发（实验）中心、上海交通大学太阳能研究所、合肥阳光电源等，它们在太阳能应用、光伏建筑一体化、大型并网光伏电站设计、建设和运行等方面积累了丰富的产品经验和建设经验。

中国科学院电工研究所与日本在无电网学校地区合作建成了总容量为128KW的16座太阳能光伏电站，每个电站都配有数据采集和监测系统，数据存储在IC卡上，可以定期更换。在所内的2KW风/光互补电站的基础上，采用Labview技术自主开发出一套基于PC机的风/光互补电站实时监控系统软件，并且先后建成了西藏双湖25KW、安多100KW，班戈70KW、和尼玛40KW光伏电站、30KW风-光互补联合电站和集中远程对光伏电站数应据采集、传输及监控系统等，均成功地用于工业界，获多项中科院科技进步奖。在独立运行及并网光伏电站的研究开发、独立风电系统和风-光互补系统的研究及工程师范方面为国家做出了重要贡献，处于国内领先地位。

依托国网电科院建设的国家能源太阳能发电研发（实验）中心于2010年6月底揭牌投运，并同时建成金太阳远程监控中心。根据国家能源局的总体部署和规划，监控中心主站建设在国网电科院，中心依托光伏电站数据处理平台，通过配置数据采集系统和远程通讯系统，将“金太阳示范工程”支持建设的光伏电站纳入集中、实时监控、对光伏发电项目进行全过程数字化监管，为我国光伏电站建设开发、产业引导提供数据支撑。

2011年6月20日，上海交通大学太阳能研究所与苏州中来光伏新材股份有限公司合作项目太阳电池背膜试验项目之离网太阳能光伏发电系统在上海交通大学闵行校区物理楼顶正式安装完毕并试运行。该项目总装机容量为2.64KWp，系统采用小型模组，易于增加或减少组件。该项目系统不仅能够对每块组件功率、电流、电压进行实时监测，还采用多路数据采集系统对每个组件的不同位置和环境温度、光照、电压进行实时监测，还采用多路数据采集系统对每个组件的不同位置和环境的温度、光照、风向风速、光谱辐照数据进行采集。上海交通大学太阳能研究所长期跟踪记录项目的实验数据并进行研究，为开发新一代高性能太阳电池背膜及光伏电站数据监测研究提供基础。

2011年7月18日下午5点15分，随着监控中心主站与现场光伏电站通讯信息表逐点调试完毕，合肥阳光电源500KW屋顶光伏电站气象信息、发电量、发电功率、逆变器信息、汇流箱信息等数据顺利接入，金太阳远程监控中心首次实现了对异地金太阳光伏电站的监控。

2.物联网

1、国外发展状况 ①日本

2000年到2009年日本先后提出了E-Japan（electronic），U-Japan（Ubiquitous）,I-Japan（integrated）。其发展线路是从互联网的普及到创造更好的上网环境，使人们能在任何地方都能上网；再到最后的将网络融入到政府、个人信息、医疗、教育等各个方面，创造一个智慧城市。中日互联网普及率对比

②韩国

自1997年起，韩国政府出台了一系列推动国家信息化建设的产业政策。

RFID/USN（传感器网）是其中重要的一环。其中，韩国的RFID发展已经从先到应用开始全面推广，而USN也进入实验性应用阶段。

③欧盟

2009年，欧盟执委会发表了题为“Internet of Things – An action plan for Europe”的物联网行动方案。其主要的政策建议有：加强物联网管理；完善隐私和个人数据保护；提高物联网可信度、接受度、安全性；推广标准化；加强相关研发；建立开放式的创新环境；增强机构间协调；加强国际对话；加强对物联网的监测和统计。

④美国

2009年，IBM与美国智库机构信息技术与创新基金会（ITIF）共同向奥巴马政府提交了“The Digital Road to Recover: A Stimulus Plan to Create Jobs, Boost Productivity and Revitalize America”,提出通过信息通信技术（ICT）投资可以短期内创造就业机会。ICT包括智能电网、智能医疗、宽带网络三个领域。

2020年国际物联网技术研发重点

2、国内发展状况

国内物联网的发展，从传感器需求的量的增长可见一斑。

由柱状图可知，我国的RFID产业正呈稳步上升趋势。其背后，显现了我国物联网良好的发展态势。

从国家政策上，2011年，工信部制定了《物联网“十二五”发展规划》，重点培养物联网产业10个聚集区和100个骨干企业。因而我国的物联网产业有了大踏步的提升。

3、总结

物联网的发展是计算机发展进程中的一个里程碑。其发展势必在今后会影响每一个人的生活方式。

5.基于物联网技术的电梯监测系统 篇五

每部电梯自身都带有状态存储模块, 维保人员定期对电梯状态进行检测和诊断, 有些电梯还具备远程故障监测模块, 通过无线传输到维保中心, 由维保中心对电梯进行远程监测和故障诊断。

如果让电梯厂家公开电梯部分运行状态信息, 从而通过特定的设备将各电梯的故障信息通过特定的网络 (移动网、互联网、专网等) 将故障信息集中到监测中心平台, 因此, 电梯部分状态信息开放是电梯运行安全物联平台得以实施的关键。

电梯运行安全物联系统利用嵌入式控制系统和无线传感网、结合视频安防应用的技术、数字视音频编解码技术、3G无线网络传输技术、物联网技术等技术实现了电梯故障预警、电梯故障报警等安全监管功能。

1、系统总体设计

电梯运行安全物联系统总体可以分为四层结构:设备接入层、网络传输层、中心管理层和业务处理层, 根据系统建设要求, 系统采用电梯安全网关加摄像机、电梯参数采集模块和温湿度传感器, 系统拓扑图如下图1所示:

2、系统详细设计

监测中心电梯运行安全物联系统主要由3部分组成:前端子系统、传输网络和管理中心。

前端子系统是系统的信息节点, 电梯控制室安装电梯安全网关、温湿度传感器、电梯上安装摄像机、拾音器, 分别作为电梯异常报警信息、环境因素、视频图像、音频数据的采集设备, 经过处理之后, 通过网络发送给监控中心。

传输网络主要包括固网专线传输链路、互连网或3G网等, 在前端和中心平台之间传递视音频和数据信息。

中心平台是本系统核心所在, 是执行日常监控和管理的场所。内部署电梯故障综合管理平台, 包括数据库服务模块、管理服务模块、接入服务模块、报警服务模块、流媒体服务模块、存储管理服务模块、Web服务模块等等, 它们共同形成数据运算处理中心, 完成各种数据信息的交互, 集管理、交换、处理、存储和转发于一体, 是电梯运行安全物联系统能稳定、可靠、安全运行的先决条件。管理平台可以分为三级, 一级为省安全物联总平台包括电梯故障管理子系统、流媒体子系统、解码子系统、存储子系统、管理子系统、控制/显示子系统, 二级为市安全物联平台, 三级为县安全物联平台包含电梯故障管理子系统、流媒体子系统、控制/显示子系统。

3、结语

引入物联网, 运用嵌入式控制系统和无线传感网、结合视频安防应用的技术、数字视音频编解码技术、3G无线网络传输技术等设计的监测系统, 实用性强, 工作稳定、可靠, 及时实现用户、相关主管部门与电梯之间的实时信息交互与处理, 最大程度保证了乘客的安全性和监管的有效性。经调试, 该系统各项指标均达到设计要求。

参考文献

[1]国家技术监督局.电梯使用管理与维护保养规则.中国计量出版社, 2001.4.

[2]李家骥, 周薇, 梁广炽.香港特种设备安全管理.中国计量出版社, 2005.

[3]梁广炽.日本特种设备安全管理.中国计量出版社, 2005.