農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)

-.z.信息與電氣工程學(xué)院電子信息工程CDIO一級工程〔2021/2021學(xué)年第一學(xué)期〕題目：農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)專業(yè)班級：電子信息學(xué)生**：學(xué)號：指導(dǎo)教師：馬永強教師設(shè)計周數(shù)：16周〔分散〕設(shè)計成績：2021年12月26日1工程設(shè)計目的及任務(wù)基于嵌入式和zigbee的農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時遠程獲取溫室大棚內(nèi)部的空氣溫濕度、土壤水分溫度、二氧化碳濃度、光照強度等，通過模型分析，可以自動控制溫室濕簾風(fēng)機、噴淋滴灌、內(nèi)外遮陽、頂窗側(cè)窗、加溫補光等設(shè)備。同時，系統(tǒng)還可以通過手機、計算機等信息終端向管理者推送實時監(jiān)測信息、報警信息，實現(xiàn)溫室大棚信息化、智能化遠程管理，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用保證溫室大棚內(nèi)環(huán)境最適宜作物生長實現(xiàn)精細化的管理，為作物的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、平安創(chuàng)造條件，幫助客戶提高效率、降低本錢、增加收益。2工程設(shè)計背景近年來，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、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到達科學(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。針對目前大棚開展的趨勢，提出了一種大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，根據(jù)大棚智能監(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聯(lián)網(wǎng)或者手機信息了解區(qū)域大棚的實時狀況?；贕PRS的智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)使這些成為可能。3工程設(shè)計思路3.1智能報警系統(tǒng)(1)系統(tǒng)可以靈活的設(shè)置各個溫室不同環(huán)境參數(shù)的上下閥值。一旦超出閥值，系統(tǒng)可以根據(jù)配置，通過手機短信、系統(tǒng)消息等方式提醒相應(yīng)管理者。(2)報警提醒內(nèi)容可根據(jù)模板靈活設(shè)置，根據(jù)不同客戶需求可以設(shè)置不同的提醒內(nèi)容，最大程度滿足客戶個性化需求。(3)可以根據(jù)報警記錄查看關(guān)聯(lián)的溫室設(shè)備，更加及時、快速遠程控制溫室設(shè)備，高效處理溫室環(huán)境問題。(4)可及時發(fā)現(xiàn)不正常狀態(tài)設(shè)備，通過短信或系統(tǒng)消息及時提醒管理者，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。3.2遠程自動控制(1)系統(tǒng)通過先進的遠程工業(yè)自動化控制技術(shù)，讓用戶足不出戶遠程控制溫室設(shè)備。(2)可以自定義規(guī)則，讓整個溫室設(shè)備隨環(huán)境參數(shù)變化自動控制，比方當(dāng)土壤濕度過低時，溫室灌溉系統(tǒng)自動開場澆水。(3)提供手機客戶端，客戶可以通過手機在任意地點遠程控制溫室的所有設(shè)備。3.3歷史數(shù)據(jù)分析(1)系統(tǒng)可以通過不同條件組合查詢和比照歷史環(huán)境數(shù)據(jù)。(2)支持列表和圖表兩種不同方式查看，用戶可以更直觀看到歷史數(shù)據(jù)曲線。(3)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)可以分析更適合農(nóng)作物生長、最能提高農(nóng)作物產(chǎn)量的環(huán)境參數(shù)，輔助決策。3.4手機客戶端(1)用戶可以通過文朗潤誠-農(nóng)業(yè)溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)手機客戶端，隨時隨地查看自己負責(zé)溫室的環(huán)境參數(shù)。(2)用戶可以使用手機端及時承受、查看溫室環(huán)境報警信息。(3)通過手機端，用戶可以遠程自動控制溫室環(huán)境設(shè)備，如自動灌溉系統(tǒng)、風(fēng)機、頂窗等?！?0米寬，60米長大約1畝?！?工程分析4.1系統(tǒng)組成4.1.1大棚現(xiàn)場采集控制終端大棚現(xiàn)場采集控制終端負責(zé)24小時采集溫室內(nèi)溫度、濕度、光照、土壤溫度、土壤濕度、CO2濃度、葉面濕度、露點溫度等環(huán)境參數(shù)4.1.2無線傳輸設(shè)備前端采用四信F8914ZigBee模塊，通過232/485〔端子接口〕和采集器相連接，Zigbee作為一種無線連接,可工作在2.14GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915MHz(美國流行)3個頻段上,分別具有最高至250kbit/s、20kbit/s、40kbit/s的傳輸速率。該型號設(shè)備一般為終端節(jié)點，完成信息的發(fā)送和接收。ZigBee中心節(jié)點采用四信F8114ZigBee+GPRS模塊，中心節(jié)點收到的數(shù)據(jù)可以通過串口直接是輸出到效勞器上〔前端與效勞器的距離較近〕；還可有通過GPRS把其收到的數(shù)據(jù)發(fā)送的遠端的效勞器上，GPRS局部采用國際標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP通信協(xié)議，且兩種方式都是實現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能。省去了每個終端的GPRS模塊，只需要中心節(jié)點一個，節(jié)約了本錢。數(shù)據(jù)中心對現(xiàn)場實時采集的溫室內(nèi)溫度、濕度、光照、土壤溫度、土壤濕度、CO2濃度、葉面濕度、露點溫度等環(huán)境參數(shù)進展分析處理，不僅進展完成的統(tǒng)計做出相應(yīng)的統(tǒng)計報表，并做出趨勢分析，且以直觀的圖表和曲線的方式顯示給用戶，并根據(jù)種植作物的需求提供各種聲光報警信息。當(dāng)溫濕度超過設(shè)定值的時候，自動開啟或者關(guān)閉指定設(shè)備。4.2系統(tǒng)總架構(gòu)4.2.1F8914F8914組網(wǎng)F8914〔前端〕通過標(biāo)準(zhǔn)的232/485與路燈監(jiān)控一級終端里的PLC連接通信，獲取的數(shù)據(jù)直接通過2.4G頻率發(fā)送到F8914(中心節(jié)點)。F8914(中心節(jié)點)通過串口與效勞器連接，把數(shù)據(jù)送到后臺，后臺管理軟件對數(shù)據(jù)進展分析4.2.2F8914F8114組網(wǎng)4.2.2.1原理框架F8114首先進展GPRS撥號上網(wǎng)，然后自動向數(shù)據(jù)管理中心發(fā)起TCP連接，握手成功后開場數(shù)據(jù)透明傳輸。路燈監(jiān)控終端把數(shù)據(jù)集中采集通過PLC把數(shù)據(jù)傳給F8914，F(xiàn)8914接到數(shù)據(jù)后即時的將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到F8114。F8114通過GPRS數(shù)據(jù)管理中心將上傳的數(shù)據(jù)進展分析處理，得出直觀的結(jié)果和相應(yīng)的指令通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給F8114，再通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到F8914即時通過232/485傳送給采集端，采集端根據(jù)指令對相應(yīng)的控制處理。4.3系統(tǒng)總架構(gòu)4.3.1F8914F8914組網(wǎng)F8914〔前端〕通過標(biāo)準(zhǔn)的232/485與路燈監(jiān)控一級終端里的PLC連接通信，獲取的數(shù)據(jù)直接通過2.4G頻率發(fā)送到F8914(中心節(jié)點)。F8914(中心節(jié)點)通過串口與效勞器連接，把數(shù)據(jù)送到后臺，后臺管理軟件對數(shù)據(jù)進展分析。如圖3所示4.3.2F8914F8114組網(wǎng)4.3.2.1原理框架F8114首先進展GPRS撥號上網(wǎng)，然后自動向數(shù)據(jù)管理中心發(fā)起TCP連接，握手成功后開場數(shù)據(jù)透明傳輸。路燈監(jiān)控終端把數(shù)據(jù)集中采集通過PLC把數(shù)據(jù)傳給F8914，F(xiàn)8914接到數(shù)據(jù)后即時的將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到F8114。F8114通過GPRS數(shù)據(jù)管理中心將上傳的數(shù)據(jù)進展分析處理，得出直觀的結(jié)果和相應(yīng)的指令通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給F8114，再通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到F8914即時通過232/485傳送給采集端，采集端根據(jù)指令對相應(yīng)的控制處理。4.3.3系統(tǒng)實現(xiàn)功能1：可在線實時24小時連續(xù)的采集和記錄監(jiān)測點位的溫度、濕度、風(fēng)速、二氧化碳、光照、空氣干凈度、供電電壓電流等各項參數(shù)情況，以數(shù)字、圖形和圖像等多種方式進展實時顯示和記錄存儲監(jiān)測信息，監(jiān)測點位可擴大多達上千個點。2：可設(shè)定各監(jiān)控點位的溫濕度報警限值，當(dāng)出現(xiàn)被監(jiān)控點位數(shù)據(jù)異常時可自動發(fā)出報警信號，報警方式包括：現(xiàn)場多媒體聲光報警、網(wǎng)絡(luò)客戶端報警、語音報警、手機短信息報警等。上傳報警信息并進展本地及遠程監(jiān)測，系統(tǒng)可在不同的時刻通知不同的值班人員；3：系統(tǒng)設(shè)計時預(yù)留有接口，可隨時增加減硬軟件設(shè)備，系統(tǒng)只要做少量的改動即可，可以在很短的時間內(nèi)完成?？筛鶕?jù)政策和法規(guī)的改變隨時增加新的內(nèi)容。4：數(shù)據(jù)集中器端提供具有信號輸出協(xié)議的端口，可接通信設(shè)備〔GPRSIPMODEM等〕進展無線傳輸。5：溫濕度監(jiān)控軟件采用標(biāo)準(zhǔn)windows98/2000/*P全中文圖形界面，實時顯示、記錄各監(jiān)測點的溫濕度值和曲線變化，統(tǒng)計溫濕度數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)、最大值、最小值及平均值，累積數(shù)據(jù)，報警畫面。6：監(jiān)控主機端利用監(jiān)控軟件可隨時打印每時刻的溫濕度數(shù)據(jù)及運行報告。7：強大的數(shù)據(jù)處理與通訊能力，采用計算機網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，局域網(wǎng)內(nèi)的任何一臺電腦都可以訪問監(jiān)控電腦，在線查看監(jiān)控點位的溫濕度變化情況，實現(xiàn)遠程監(jiān)測。系統(tǒng)不但能夠在值班室監(jiān)測，領(lǐng)導(dǎo)在自己辦公室可以非常方便地觀看和監(jiān)控。8：系統(tǒng)可擴大多種記錄數(shù)據(jù)分析處理軟件，能進展繪制棒圖、餅圖，進展曲線擬合等處理，可按TE*T格式輸出，也能進入E*CEL電子表格等office的軟件進展數(shù)據(jù)處理。9：控制軟件的編制采用軟件工程管理，開放性與可擴大性極強，由于采用硬件功能的軟件化的系統(tǒng)設(shè)計思想及系統(tǒng)硬件的模塊化、通訊網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計，系統(tǒng)可根據(jù)需要升級軟件功能與擴展硬件種類。4.3.4數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)接入方式分析1.專線接入，中心采用APN專線，所有點都采用內(nèi)網(wǎng)固定IP客戶中心通過一條2MAPN專線接入移動公司GPRS網(wǎng)絡(luò)，雙方互聯(lián)路由器之間采用私有固定IP地址進展廣域連接，在GGSN與移動公司互聯(lián)路由器之間采用GRE隧道。為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于GPRS專網(wǎng)的SIM卡才能進入專網(wǎng)APN，防止其他非法用戶的進入。用戶在內(nèi)部建立RADIUS效勞器，作為內(nèi)部用戶接入的遠程認證效勞器〔或在APN路由器內(nèi)，啟用路由器本地認證功能〕。只有通過認證的用戶才允許接入，用以保證用戶內(nèi)部平安。用戶在內(nèi)部建立DHCP效勞器〔或在APN路由器內(nèi)，啟用DHCP功能〕，為通過認證的用戶分配用戶內(nèi)部地址。移動終端和效勞器平臺之間采用端到端加密，防止信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進展隔離，并在防火墻上進展IP地址和端口過濾。此種方案無論實時性，平安性和穩(wěn)定性較前一種方案都有大大提高，適合于平安性要求較高、數(shù)據(jù)點比擬多、實時性要求較高的應(yīng)用環(huán)境。在資金允許的情況下之最正確組網(wǎng)方式。ADSL撥號連接〔動態(tài)公網(wǎng)IP地址〕中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)動態(tài)IP+DNS解析效勞的?？蛻粝扰cDNS效勞商聯(lián)系開通動態(tài)域名，IPMODEM先采用域名尋址方式連接DNS效勞器，再由DNS效勞器找到中心公網(wǎng)動態(tài)IP，建立連接。此種方式可以大大節(jié)約公網(wǎng)固定IP的費用，但穩(wěn)定性受制于DNS效勞器的穩(wěn)定，所以要尋找可靠的DNS效勞商。此種方案適合小規(guī)模應(yīng)用。3.通過固定公網(wǎng)IP連接中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP效勞的。此種方案先向INTERNET運營商申請ADSL等寬帶業(yè)務(wù)，中心有公網(wǎng)固定IP的。IPMODEM直接向中心發(fā)起連接。運行可靠穩(wěn)定，推薦此種方案5方案特點〔1〕傳輸模塊采用無線接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，目前GPRS網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)已經(jīng)運營了十幾年，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，技術(shù)成熟，覆蓋率廣?！?〕傳輸模塊采用工業(yè)級ZigBee模塊，標(biāo)準(zhǔn)頻段IEEE802.15.4ISM2.4GHz,通信距離90m,戶外通信距離800m,發(fā)射功率22dBm，承受靈敏度-104dBm；低功耗設(shè)計，支持多級休眠和喚醒模式，最大限度降低功耗，內(nèi)置實時時鐘〔RTC〕，支持定時開關(guān)機功能，定時關(guān)機狀態(tài)下功耗小于1mA。外接電源DC12V/500mA〔標(biāo)準(zhǔn)〕；通信電流：50mA-80mA12VDC、115-150mA5VDC;待機狀態(tài)：20mA12VDC、35mA5VDC；休眠狀：8mA12VDC、18mA5VDC工作環(huán)境溫度-25~+65oC;儲存溫度-40~+85oC;相對濕度95%(無凝結(jié));多重軟硬件看門狗設(shè)計。適用于戶外工作環(huán)境。傳輸模塊具有可靠的網(wǎng)絡(luò)連接、智能防掉線、支持在線檢測、在線維護、掉掉線自動重拔，確保設(shè)備永遠在線，確保通信通道正常，為數(shù)據(jù)中心提供數(shù)據(jù)。終端傳輸模塊支持多種激活方式，如語音、短信、數(shù)據(jù)等；終端設(shè)備故障或異常時，自動發(fā)短信報警信息給維護人員。傳輸模塊采用主備份中心與中心自動恢復(fù)功能，并同時支持多中心并發(fā)功能〔最多五個〕。及時響應(yīng)，實時的遠程監(jiān)控，可以對故障做出及時的響應(yīng)，從而大大降低故障帶來的經(jīng)濟和其他方面的損失。標(biāo)準(zhǔn)集中管理，及時跟蹤每個大棚信息情況。四信可為客戶提供二次開發(fā)包和多語言版本數(shù)據(jù)中心效勞器軟件以便客戶的需要進展二次開發(fā)；同時針對客戶的需求，提供多種技術(shù)支持，包括產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案設(shè)計、技術(shù)人員技術(shù)培訓(xùn)、軟件開發(fā)全程技術(shù)配合、設(shè)備現(xiàn)場調(diào)試技術(shù)支持等效勞6工程設(shè)計心得通過此次課程設(shè)計，首先，對于嵌入式根本原理有了進一步的學(xué)習(xí)，同樣就有了進一步的認識；其次，學(xué)到了很多東西，特別是zigbee的初步認識，這也是很重要的知識。在大學(xué)課堂的學(xué)習(xí)只是純理論的專業(yè)知識，而我們應(yīng)該把所學(xué)的用到現(xiàn)實生活中去，此次的課程設(shè)計給我奠定了一個實踐根底，我會在以后