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農(nóng)業(yè)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(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)可以實現(xiàn)上述環(huán)境因子自動監(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)價格昂貴,不適合國情。

針對目前農(nóng)業(yè)溫室大棚發(fā)展的趨勢,提出了一種大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。根據(jù)大棚監(jiān)控的特殊性,需要傳輸大棚現(xiàn)場參數(shù)給管理者,并把管理者的命令下發(fā)到現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備,同時又要使上級部門可隨時通過互連網(wǎng)或者手機(jī)信息了解區(qū)域大棚的實時狀況?;赪Bee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,主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域,可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之,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)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(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)從一個傳感器傳到另一個傳感器,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),路由(中繼器),終端(節(jié)點)。所以WBee工作中至少要有一個協(xié)調(diào)器和一個終端或是路由。才能正常工作,互相通信。

自組網(wǎng)采用動態(tài)路由的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸,動態(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,通過對網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時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。在實際工業(yè)現(xiàn)場,預(yù)先確定的傳輸路徑隨時都可能發(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)行及時傳送。動態(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問題,從而保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

WBee的優(yōu)勢

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,

網(wǎng)絡(luò)制式

433M  國際標(biāo)準(zhǔn)免授權(quán)頻段

協(xié)議機(jī)制

采用IPV6通信協(xié)議,無限制節(jié)點數(shù)量,理論最大值65535

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。

超強(qiáng)傳輸距離

最大可視距離

>=4000米

復(fù)雜城市中心最大距離

>=1000米

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。

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。

指示燈

信號燈

可通過本地信號燈閃爍顏色,簡易快速判斷信號強(qiáng)度。

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)備運行狀態(tài)及問題故障。

三, WBee特性:

 

引腳

信號名稱

描述

1

 

 

2

RXD

接收數(shù)據(jù)

3

TXD

發(fā)送數(shù)據(jù)

4

   

5

GND

數(shù)字地

6

   

7

   

8

   

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)自動采集匯總到服務(wù)器。新的控制系統(tǒng)并運用模糊控制技術(shù)使溫室大棚環(huán)境達(dá)到最佳的生長狀態(tài)。在溫室自動控制技術(shù)和生產(chǎn)實際的基礎(chǔ)上,通過總結(jié)、收集農(nóng)業(yè)領(lǐng)域知識、技術(shù)和各種實驗數(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量溫室大棚的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境因子,并能對環(huán)境因子進(jìn)行控制,以基于作物和環(huán)境信息的知識的專家決策系統(tǒng)為依托,實現(xiàn)利用智能化和信息化的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)。

以一個溫室大棚中的智能監(jiān)控系統(tǒng)為例。每一個大棚需要采集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)分時對各個監(jiān)控點進(jìn)行巡回檢測。主控芯片對數(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。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,子節(jié)點每隔一定的時間輪流向主節(jié)點發(fā)送信息。主節(jié)點組建了基于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)器主要實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)的管理以及接受子節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)等功能;各子節(jié)點具有數(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)點安裝在溫室大棚內(nèi)。

主節(jié)點收到數(shù)據(jù)之后將各節(jié)點的數(shù)據(jù)給智能監(jiān)控系統(tǒng)的控制中心,負(fù)責(zé)對大棚內(nèi)的各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制,從而啟動控制增溫降溫、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,通過數(shù)據(jù)流連接和設(shè)置,可以實現(xiàn)上位界面和無線收發(fā)模塊的實時通信,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

 1. 安裝簡單

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。安裝簡易,并且可以靈活移動zigbee采集節(jié)點的位置。

2. 遠(yuǎn)程監(jiān)控

通過互聯(lián)網(wǎng),在家里就可以遠(yuǎn)程檢測和控制溫室大棚的生長環(huán)境,而不用親臨現(xiàn)場進(jìn)行手動控制。而且可以把作物的生長環(huán)境情況存儲于云端,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)點不夠,可以隨時增加,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,維修人員可以快速展開工作排查故障,定位故障節(jié)點,快速解決問題,保證系統(tǒng)的安全運行。

六,結(jié)論

我國是一個農(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溆绊懙膱鏊?,是實現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)的一個重要的組成部分。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。但是作物要實現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、僅僅靠溫室保溫是不行的,需要對農(nóng)作物的生長環(huán)境進(jìn)行多方位多點的精確采集和實時的控制。

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、計算機(jī)、通信和自動化控制等技術(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),實現(xiàn)對環(huán)境的多點檢測,其檢測目標(biāo)可以是溫度、濕度、光照、振動、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)。從而能對大棚內(nèi)各個環(huán)境參數(shù)達(dá)到良好的檢測,協(xié)調(diào)控制大棚的環(huán)境參數(shù)。