農(nóng)業(yè)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
nongye
一，概述
近年來，農(nóng)業(yè)溫室大棚種植為提高人們的生活水平帶來極大的便利，得到了迅速的推廣和應(yīng)用。種植環(huán)境中的溫度、濕度、光照度、土壤濕度、CO2濃度等環(huán)境因子對(duì)作物的生產(chǎn)有很大的影響。傳統(tǒng)的人工控制方式難以達(dá)到科學(xué)合理種植的要求，目前國內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)上述環(huán)境因子自動(dòng)監(jiān)控的系統(tǒng)還不多見，而引進(jìn)國外具有多功能的大型連棟溫室控制系統(tǒng)價(jià)格昂貴，不適合國情。
針對(duì)目前農(nóng)業(yè)溫室大棚發(fā)展的趨勢(shì)，提出了一種大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)大棚監(jiān)控的特殊性，需要傳輸大棚現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)給管理者，并把管理者的命令下發(fā)到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備，同時(shí)又要使上級(jí)部門可隨時(shí)通過互連網(wǎng)或者手機(jī)信息了解區(qū)域大棚的實(shí)時(shí)狀況。基于WBee的農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控管理系統(tǒng)使這些成為可能。
二，WBee簡(jiǎn)介
WBee是什么？
WBee （wireless bee）即無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)，是一款類似于zigbee 產(chǎn)品。是一款小數(shù)據(jù)量，短距離，自組網(wǎng)，低復(fù)雜度，無線傳輸設(shè)備。同時(shí)他還加載了采集數(shù)據(jù)單元并采用了433MHZ的全球免授權(quán)頻段代替2.4G頻段大大增加了傳輸距離，主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，WBee就是一種便宜的，低功耗,靈活自組網(wǎng)，低復(fù)雜度，帶采集功能，相對(duì)較遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臒o線組網(wǎng)通訊產(chǎn)品。
是一款新興的短距離、低速率、低功耗，自組網(wǎng)，低復(fù)雜度的zigbee模塊同時(shí)它又帶采集功能和放大傳輸距離的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。它是廈門為那通信科技有限公司根據(jù)十幾年行業(yè)用戶應(yīng)用和需求，主打的一款新型的ZigBee產(chǎn)品。主要用于相對(duì)較遠(yuǎn)距離的無線連接。它有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很低的功耗，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，因此它們的通信效率非常高。最后，這些數(shù)據(jù)就可以進(jìn)入計(jì)算機(jī)用于分析或者被另外一種無線技術(shù)如WiMax收集。
WBee的工作原理
也是一種自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信方式，主要用3種工作模式，分別為協(xié)調(diào)器（中心節(jié)點(diǎn)），路由（中繼器），終端（節(jié)點(diǎn)）。所以WBee工作中至少要有一個(gè)協(xié)調(diào)器和一個(gè)終端或是路由。才能正常工作，互相通信。
自組網(wǎng)采用動(dòng)態(tài)路由的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，動(dòng)態(tài)路由是指網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲⒉皇穷A(yù)先設(shè)定的，而是傳輸數(shù)據(jù)前，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時(shí)可利用的所有路徑進(jìn)行搜索，分析它們的位置關(guān)系以及遠(yuǎn)近，然后選擇其中的一條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在我們的網(wǎng)絡(luò)管理軟件中，路徑的選擇使用的是“梯度法”，即先選擇路徑最近的一條通道進(jìn)行傳輸，如傳不通，再使用另外一條稍遠(yuǎn)一點(diǎn)的通路進(jìn)行傳輸，以此類推，直到數(shù)據(jù)送達(dá)目的地為止。在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，預(yù)先確定的傳輸路徑隨時(shí)都可能發(fā)生變化，或者因各種原因路徑被中斷了，或者過于繁忙不能進(jìn)行及時(shí)傳送。動(dòng)態(tài)路由結(jié)合網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就可以很好解決這個(gè)問題，從而保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
WBee的優(yōu)勢(shì)
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軟件 |
網(wǎng)絡(luò)功能 |
通信協(xié)議 |
根據(jù)10幾年行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和用戶需求自主開發(fā)通信協(xié)議：靈活多變，穩(wěn)定可靠，安全性高， |
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網(wǎng)絡(luò)制式 |
433M 國際標(biāo)準(zhǔn)免授權(quán)頻段 |
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協(xié)議機(jī)制 |
采用IPV6通信協(xié)議，無限制節(jié)點(diǎn)數(shù)量，理論最大值65535 |
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安全可靠 |
數(shù)據(jù)加密 |
支持3種加密協(xié)議：AES，DES，3DES。 數(shù)據(jù)傳輸安全，防止數(shù)據(jù)傳輸中被竊取，監(jiān)聽，數(shù)據(jù)安全可靠。 |
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超強(qiáng)傳輸距離 |
最大可視距離 |
>=4000米 |
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復(fù)雜城市中心最大距離 |
>=1000米 |
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硬件 |
接口 |
串口類型 |
接口豐富，支持RS232,RS485，TTL，RS422等多種通信方式；支持多路IO 輸入輸出或是AD 采集接口共用，可自定義設(shè)置任意單路或是多路接口定義。靈活多變，互不干擾。 |
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本地配置 |
支持本地主備串口通信，主串口通信，備用串口配置。方便用戶在不用切換通信模式，就能快速修改配置參數(shù)，不影響數(shù)據(jù)的正常傳輸。 |
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指示燈 |
信號(hào)燈 |
可通過本地信號(hào)燈閃爍顏色，簡(jiǎn)易快速判斷信號(hào)強(qiáng)度。 |
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狀態(tài)燈 |
可通過狀態(tài)燈閃爍顏色，預(yù)警通知，直觀方便用戶快速了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及問題故障。 |
三, WBee特性：
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引腳 |
信號(hào)名稱 |
描述 |
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1 |
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2 |
RXD |
接收數(shù)據(jù) |
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3 |
TXD |
發(fā)送數(shù)據(jù) |
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4 |
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5 |
GND |
數(shù)字地 |
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6 |
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7 |
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8 |
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9 |
電源接口
四，WBee應(yīng)用方案
WBee溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)方案
一，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案
隨著智能控制的發(fā)展，溫室大棚的控制系統(tǒng)向著越來越先進(jìn)、功能越來越完備的方向發(fā)展。新的大棚智能控制系統(tǒng)采用WBee進(jìn)行組網(wǎng)，把溫濕度等環(huán)境參數(shù)自動(dòng)采集匯總到服務(wù)器。新的控制系統(tǒng)并運(yùn)用模糊控制技術(shù)使溫室大棚環(huán)境達(dá)到最佳的生長狀態(tài)。在溫室自動(dòng)控制技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)際的基礎(chǔ)上，通過總結(jié)、收集農(nóng)業(yè)領(lǐng)域知識(shí)、技術(shù)和各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)造專家系統(tǒng)，以建立植物生長的數(shù)學(xué)模型為理論依據(jù)，研究開發(fā)出的一種適合不同農(nóng)作物生長的溫室專家智能控制系統(tǒng)技術(shù)。它可以利用各類傳感器測(cè)量溫室大棚的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境因子，并能對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行控制，以基于作物和環(huán)境信息的知識(shí)的專家決策系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)利用智能化和信息化的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)。
以一個(gè)溫室大棚中的智能監(jiān)控系統(tǒng)為例。每一個(gè)大棚需要采集4組數(shù)據(jù)，每一組數(shù)據(jù)包括大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照度和CO2濃度。溫度大棚的數(shù)據(jù)采集是通過大棚內(nèi)的溫度、濕度、光強(qiáng)度和CO2濃度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊有單片機(jī)分時(shí)對(duì)各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行巡回檢測(cè)。主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后打包送至無線網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)。其數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)如圖所示：
單片機(jī)將大棚內(nèi)的4種環(huán)境參數(shù)信息傳輸?shù)綗o線網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)每隔一定的時(shí)間輪流向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。主節(jié)點(diǎn)組建了基于WBee技術(shù)的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主節(jié)點(diǎn)在星型網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)協(xié)調(diào)器的角色，協(xié)調(diào)器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理以及接受子節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)等功能；各子節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)的功能，可以將大棚內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)，空氣中光照含量，CO2濃度這些農(nóng)作物生長的環(huán)境信息采集過來，該設(shè)備節(jié)點(diǎn)安裝在溫室大棚內(nèi)。
主節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)之后將各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)給智能監(jiān)控系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)對(duì)大棚內(nèi)的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，從而啟動(dòng)控制增溫降溫、加溫除濕、遮陽補(bǔ)光等調(diào)控設(shè)備，按不同環(huán)境要求調(diào)控與協(xié)調(diào)溫室大棚的環(huán)境適應(yīng)不同的作物的成長需求。
為了更方便清晰的掌握溫室大棚作物的環(huán)境參數(shù)情況，選用工業(yè)組態(tài)軟件作為上位機(jī)組態(tài)開發(fā)平臺(tái)，通過數(shù)據(jù)流連接和設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)上位界面和無線收發(fā)模塊的實(shí)時(shí)通信，另外可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控界面在IE瀏覽器上直接查看溫室大棚作物的生長情況。
五，應(yīng)用方案優(yōu)勢(shì)
1. 安裝簡(jiǎn)單
通過zigbee無線進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的采集，可以大大減低有線組網(wǎng)布線的麻煩，不需要在土壤中鋪設(shè)大量的線纜，不影響作物的耕作。安裝簡(jiǎn)易，并且可以靈活移動(dòng)zigbee采集節(jié)點(diǎn)的位置。
2. 遠(yuǎn)程監(jiān)控
通過互聯(lián)網(wǎng)，在家里就可以遠(yuǎn)程檢測(cè)和控制溫室大棚的生長環(huán)境，而不用親臨現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行手動(dòng)控制。而且可以把作物的生長環(huán)境情況存儲(chǔ)于云端，可以用于農(nóng)作物的生長分析，得到農(nóng)作物的最佳生長環(huán)境。
3. 高度拓展性
如果現(xiàn)有的環(huán)境因子采集節(jié)點(diǎn)不夠，可以隨時(shí)增加，很快加入到WBee采集網(wǎng)絡(luò)中，即裝即用，而不用布線等復(fù)雜的安裝流程。
4. 維護(hù)方便
當(dāng)大棚內(nèi)的硬件系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，維修人員可以快速展開工作排查故障，定位故障節(jié)點(diǎn)，快速解決問題，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
六，結(jié)論
我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，提高單位面積的作物的產(chǎn)量、生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品是現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切要求。溫室大棚是一種可以改變植物生長環(huán)境，根據(jù)作物的生長的最佳生長條件，調(diào)節(jié)溫室氣候，能夠避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙膱?chǎng)所，是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要的組成部分。溫室結(jié)構(gòu)的建造標(biāo)準(zhǔn)是既能密封保溫，又便于通風(fēng)降溫。但是作物要實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、僅僅靠溫室保溫是不行的，需要對(duì)農(nóng)作物的生長環(huán)境進(jìn)行多方位多點(diǎn)的精確采集和實(shí)時(shí)的控制。
與普通的溫室大棚相比，數(shù)字化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)溫室大棚不僅能夠種植優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)反季節(jié)作物，而且將電子、計(jì)算機(jī)、通信和自動(dòng)化控制等技術(shù)引入到本領(lǐng)域中。數(shù)字化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)溫室大棚系統(tǒng)，可以定量獲取和分析農(nóng)業(yè)環(huán)境的多種參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的多點(diǎn)檢測(cè)，其檢測(cè)目標(biāo)可以是溫度、濕度、光照、振動(dòng)、壓力、水/土壤空氣成分等，通過WBee無線通信把溫室大棚的各種參數(shù)匯總到服務(wù)器，服務(wù)器再通過執(zhí)行結(jié)構(gòu)去調(diào)節(jié)大棚的溫度、濕度等參數(shù)。從而能對(duì)大棚內(nèi)各個(gè)環(huán)境參數(shù)達(dá)到良好的檢測(cè)，協(xié)調(diào)控制大棚的環(huán)境參數(shù)。
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