智慧農(nóng)業(yè)實訓方案

1、智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)方案 V1.0版 2014年3月7日上海企想信息技術有限公司目錄1.前言 . 3 1.1方案背景 . 3 1.2設計內(nèi)容 . 4 2.系統(tǒng)結構 . 5 2.1軟件結構 . 5 2.2硬件結構 . .6 2.2.1采集傳感器 . 6 2.2.2遠程視頻監(jiān)控 .7 2.2.3小型氣象站 .7 2.2.4 ZigBee無線傳輸 .7 2.2.5智慧農(nóng)業(yè)管理平臺 .7 3.功能描述 . 8 3.1棚內(nèi)環(huán)境采集模塊 . 8 3.1.1模塊功能 . 8 3.1.2模塊配置 . 9 3.2棚外氣象采集模塊 . 10 3.2.1模塊功能 . 10 3.2.2模塊配置 . 11 3.3實時視頻采集模

2、塊 . 11 3.3.1模塊功能 . 11 3.3.2模塊配置 . 11 3.4集成控制模塊 . 12 3.4.1模塊功能 . 12 3.4.2模塊配置 . 13 4.實驗列表 . 13 1.前言1.1方案背景 鞏固農(nóng)業(yè)基礎、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，一直是我國現(xiàn)代化建設的重要目標和重點任務。加快發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，既是轉變經(jīng)濟發(fā)展方式、全面建設小康社會的重要內(nèi)容，也是提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力、增加農(nóng)民收入、建設社會主義新農(nóng)村的必然要求。黨和國家高度重視農(nóng)村農(nóng)業(yè)信息化建設，中央1號文件連續(xù)6年明確指出，要加快推進農(nóng)村信息化建設工作。2012年4月，國務院發(fā)布全國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，這是新中國成立以來的首次，具有重要

3、標志性意義：標志著黨中央、國務院在“三化同步”中高度重視農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化；標志著發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)從理念要求變成了實際舉措；?！笆濉睂⒊蔀橥七M現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要時期。規(guī)劃從加快轉變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的關鍵環(huán)節(jié)入手，明確提出了完善現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系和改善農(nóng)業(yè)基礎設施和裝備條件等事關現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展全局的八項重點任務。完善現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系，最突出的標志之一就是大力發(fā)展設施農(nóng)業(yè)。而引領現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的智能溫室的建設成為推動和持續(xù)發(fā)展現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)最有效的途徑之一。 智能溫室的建設引入集物聯(lián)網(wǎng)、計算機科學、信息處理、控制工程、農(nóng)業(yè)生物學、環(huán)境科學等于一體的多元化綜合性技術和自動化控制設備，通過傳感器實時采集、監(jiān)測和分析溫室內(nèi)

4、溫度濕度、光照強度、土壤水分、二氧化碳等影響作物生長的環(huán)境信息，建立溫室智能化管理系統(tǒng)，調(diào)整溫室大棚內(nèi)生長因子達到作物最佳生長狀態(tài)，提高作物品質(zhì)，增加作物產(chǎn)量。實現(xiàn)農(nóng)業(yè)集約、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全的重要支撐，進一步加速農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代集約型、智能型農(nóng)業(yè)的轉變，有效提升農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營和管理的水平。同時也為農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟轉型、社會發(fā)展提供“智慧”支撐。 智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高級階段，是集新興的互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術為一體，依托部署在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的各種傳感節(jié)點（環(huán)境溫濕度、土壤水分、二氧化碳、圖像等）和無線通信網(wǎng)絡實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能感知、智能預警、智能決策、智能分析、專家在線指導，

5、為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準化種植、可視化管理、智能化決策。 基于Zigbee技術的智慧農(nóng)業(yè)解決方案，成本低廉，是一般人都能負擔的價格；控制更簡單，讓每一位剛接觸的人都能輕松使用；功耗更低、組網(wǎng)更方便、網(wǎng)絡更健壯，給您帶來高科技的全新感受。您的溫室大棚規(guī)模越大，基于Zigbee技術的智慧農(nóng)業(yè)解決方案在使用中，要準確及時地操控所有設備，最值得關注的應該就是網(wǎng)絡信號的穩(wěn)定性。鑒于溫室大棚的網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域比較廣泛，我們貼心為您呈現(xiàn)物聯(lián)無線組網(wǎng)！智慧農(nóng)業(yè)能有效連接物聯(lián)Internet通信網(wǎng)關和超出物聯(lián)Internet通信網(wǎng)關有效控制區(qū)域的其它Zigbee網(wǎng)絡設備，實現(xiàn)中繼組網(wǎng)，擴大覆蓋區(qū)域，并傳輸網(wǎng)關的控制命令到

6、相關網(wǎng)絡設備，達到預期傳輸和控制的效果?；谙冗M的Zigbee技術，物聯(lián)無線中繼器無需接入網(wǎng)線，就可自行中繼組網(wǎng)，擴散網(wǎng)絡信號，讓您的網(wǎng)絡靈活順暢運行，保障您的所有設備正常運行。 1.2設計內(nèi)容 農(nóng)業(yè)作為關系著國計民生的基礎產(chǎn)業(yè)，其信息化、智慧化的程度尤為重要。物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研中的引入與應用，將是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)依托新型信息化應用上邁出的一大步，可以改變粗放的農(nóng)業(yè)經(jīng)營管理方式，確保農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，從而引領現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。通過物聯(lián)網(wǎng)智能溫室的應用，可實現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的轉變、有效提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力、強化農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全管理、提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全水平、提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化程度。2.系統(tǒng)結構 2.1

7、軟件結構 圖2-1 智慧農(nóng)業(yè)軟件系統(tǒng)結構圖智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)是利用各類傳感器采集溫室內(nèi)光照、溫度、濕度、土壤含水量、二氧化碳等作物生長所必須的環(huán)境因子的數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)街悄軠厥夜芾砜刂破脚_，進行數(shù)據(jù)的存儲、分析比對系統(tǒng)設定的數(shù)據(jù)閥值，自動控制溫室的卷簾、通風、澆灌等設備，使溫室內(nèi)環(huán)境保持在適宜作物生長的條件下；視頻系統(tǒng)是利用溫室內(nèi)安裝的高清變焦智能球機，對溫室內(nèi)作物進行全方位視頻采集和監(jiān)測，農(nóng)業(yè)專家利用溫室內(nèi)視頻圖像根據(jù)溫室大棚內(nèi)作物生長情況，遠程對溫室作物科學施肥、病蟲害防治等進行指導和幫助，實現(xiàn)園區(qū)溫室種植的集約化、科技化、現(xiàn)代化。 2.2硬件結構 圖2-2 智慧農(nóng)業(yè)硬件系統(tǒng)結構圖2

8、.2.1采集傳感器 農(nóng)業(yè)生物與環(huán)境信息的采集和農(nóng)業(yè)設施的智能化、自動化，是設施農(nóng)業(yè)有別于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的核心技術之一。智能溫室控制的基礎首先要通過傳感器進行環(huán)境參數(shù)的采集，傳感器的選擇對于獲取數(shù)據(jù)的準確性和功能性非常關鍵。溫室控制對于傳感器的精度要求不高，但是溫室特殊的高溫、高濕度和培養(yǎng)液的高腐蝕性對于傳感器的功能性要求很高，既需要能長期耐高溫、耐高濕、耐腐蝕的傳感器。 2.2.2遠程視頻監(jiān)控 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的一個突出表現(xiàn)是智能化培育控制。隨著溫室種植規(guī)模的不斷發(fā)展和擴大， 無線網(wǎng)絡技術和遠程視頻信號技術發(fā)展，視頻監(jiān)控圖像信息作為溫室內(nèi)數(shù)據(jù)信息的有效補充，對溫室內(nèi)作物進行全方位視頻采集和監(jiān)測，農(nóng)業(yè)專家利

9、用溫室內(nèi)視頻圖像根據(jù)溫室大棚內(nèi)作物生長情況，遠程對溫室作物科學施肥、病蟲害防治進行指導和幫助，為溫室的安全、管理、效益提供有力的保障。 2.2.3小型氣象站 天氣預報是重要和首要的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息之一。小型氣象站能夠對溫室園區(qū)小環(huán)境的風速、風向空氣溫度、空氣濕度等氣象要素進行全天候現(xiàn)場監(jiān)測。智慧農(nóng)業(yè)管理平臺根據(jù)氣象站提供的天氣環(huán)境，提前調(diào)節(jié)控制溫室設備，做到科學管理、防災減災。 2.2.4 Zigbee無線傳輸 溫室種植是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一種重要方式，提高其信息化、自動化水平對加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化步伐具有重要意義。隨著網(wǎng)絡和通信技術的發(fā)展，無線網(wǎng)絡憑著功耗低、安全可靠、建設成本低廉等眾多優(yōu)點成為各種控制的首選

10、網(wǎng)絡，在農(nóng)業(yè)自動化得到廣泛的應用。 智能溫室采用混合組網(wǎng)，底層為多個ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡，負責監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集。每監(jiān)測網(wǎng)絡采用星型結構，網(wǎng)關節(jié)點作為每個監(jiān)測網(wǎng)絡的基站。網(wǎng)關節(jié)點具有雙重功能：一是充當網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的角色，負責網(wǎng)絡的自動建立和維護、數(shù)據(jù)匯集；二是作為監(jiān)測網(wǎng)絡與監(jiān)控中心的接口，與監(jiān)控中心傳遞信息。此系統(tǒng)具有自動組網(wǎng)功能，無線網(wǎng)關一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，新添加的無線傳感器節(jié)點會被網(wǎng)絡自動發(fā)現(xiàn)，這時無線路由會把節(jié)點的信息送給無線網(wǎng)關，由無線網(wǎng)關進行編址并計算其路由信息，更新數(shù)據(jù)轉發(fā)表和設備關聯(lián)表等。 2.2.5智慧農(nóng)業(yè)管理平臺 智慧農(nóng)業(yè)管理平臺是溫室智能化控制系統(tǒng)的核心，對溫室內(nèi)各類信息進行存儲、

11、管理；提供閥值設置功能；提供智能分析、檢索、告警功能；提供溫室大棚內(nèi)視頻的展示插件和管理接口；提供控制溫室大棚設備的命令管理。工作人員可以通過人機交互系統(tǒng)了解溫室大棚內(nèi)的情況，并可以通過人機交互系統(tǒng)對控制系統(tǒng)發(fā)人工指令，遠程控制溫室大棚的控制系統(tǒng)，設定控制主機的智能控制工作實現(xiàn)24小時無人值守；智慧農(nóng)業(yè)管理軟件系統(tǒng)界面直觀人性化、信息全面操作簡單。3.功能描述 一般情況下，智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)包含以下模塊： l 棚內(nèi)環(huán)境采集模塊 l 棚外氣象采集模塊 l 實時視頻采集模塊 l 集成控制模塊 后文將以每個子系統(tǒng)的方式，逐個進行介紹。3.1棚內(nèi)環(huán)境采集模塊 3.1.1模塊功能 1. 空氣溫濕度光照采集棚內(nèi)

12、配有多個溫濕度光照傳感器節(jié)點，并且將這些節(jié)點進行編號和注釋。傳感器會按照指定間隔采集溫度、濕度、光照值，并通過Zigbee網(wǎng)絡主動上傳到中央服務器上去。 2. 土壤溫濕度采集通過傳感器節(jié)點上配有的傳感器插針插入到土壤中，對土壤的溫度、濕度（含水量）進行采集，并通過Zigbee網(wǎng)絡主動上傳到中央服務器上去。 3. CO2濃度采集棚內(nèi)均勻分布有CO2濃度傳感器，對CO2濃度進行采集，并通過Zigbee網(wǎng)絡主動上傳到中央服務器上去。 4. 實時曲線對于系統(tǒng)采集到的各種環(huán)境參量，在管理平臺上進行查看。查看方式有實時值查看、實時曲線查看。 5. 歷史數(shù)據(jù)存儲對于采集到的各種數(shù)值，在服務器上都會在數(shù)據(jù)庫中

13、進行存儲，以便后期進行搜索查看（可通過列表，曲線等方式進行查看）。查詢結果還支持Excel、報表導出等。 6. 參量超閾值預警 用戶可在系統(tǒng)中對各種參量的一個正常范圍進行設置，當采集到的參量持續(xù)超出這個范圍時，系統(tǒng)會進行報警操作，以及進行一些自動調(diào)節(jié)控制。 3.1.2模塊配置序號設備名稱設備參數(shù)數(shù)量1A8網(wǎng)關CPU 處理器：Samsung S5PV210，基于CortexTM-A8運行主頻1GHzDDR2 RAM：512MB，32bit 數(shù)據(jù)總線，單通道，運行頻率200MHz FLASH 閃存 SLC NAND Flash: 512MB(標配)/1GB(可選) 操作系統(tǒng)支持：Superboot

14、-210 Android 2.3 + Linux-2.6.35 Android 4.0(基于Linux-3.0.8 內(nèi)核) Linux-3.0.8 + Qt2/4.8.5 WindowsCE 6.0）12智能溫濕度傳感控制模塊 溫度傳感器測量精度：±0.5（25）；溫度傳感器測量范圍：-40+123.8；濕度傳感器測量精度：±4.5%RH；溫度傳感器測量范圍：0100%RH；工作濕度：80%（不結露）。內(nèi)置智能傳感器處理器：MSP430F5638，基于IEEE1451協(xié)議與通信模塊通信，開放軟、硬件設計資源；直流工作電源：310V/0100mA； 23智能光照傳感控制模塊

15、測量范圍：0300Klux；測量精度：±5%；光照傳感器工作溫度：-25 +80；工作濕度：80%（不結露）。內(nèi)置智能傳感器處理器：MSP430F5638，基于IEEE1451協(xié)議與通信模塊通信，開放軟、硬件設計資源；直流工作電源：310V/0100mA； 24智能CO2傳感控制模塊 量程：050000ppm，分度：1 ppm。內(nèi)置智能傳感器處理器：MSP430F5638，基于IEEE1451協(xié)議與通信模塊通信，開放軟、硬件設計資源；直流工作電源：310V/0100mA； 25智能土壤溫度傳感控制模塊 溫度傳感器測量精度：±0.2（25）；溫度傳感器測量范圍：30+70；內(nèi)

16、置智能傳感器處理器：MSP430F5638，基于IEEE1451協(xié)議與通信模塊通信，開放軟、硬件設計資源；直流工作電源：310V/0100mA； 26智能土壤濕度傳感控制模塊 濕度傳感器測量精度：±4.5%RH；溫度傳感器測量范圍：0100%RH；工作濕度：80%（不結露）。內(nèi)置智能傳感器處理器：MSP430F5638，基于IEEE1451協(xié)議與通信模塊通信，開放軟、硬件設計資源；直流工作電源：310V/0100mA； 27無線通信控制器 采用ABS塑料外殼。通信協(xié)議符合國際標準智能傳感器協(xié)議IEEE1451-2。通信模塊芯片TICC2530，2.4GHz，陶瓷天線；主控處理器低功耗

17、ENERGY MICRO處理器EFM32GXX,軟件：IEEE1451.2國際智能傳感協(xié)議，協(xié)議棧：符合ZigBee2007或ZigBeePRO規(guī)范，套件提供的樣例程序實現(xiàn)了無線通信節(jié)點的動態(tài)組網(wǎng)及傳感數(shù)據(jù)采集傳輸。無線通信控制器與智能傳感控制器通過可靠的歐式插座互聯(lián)，配上電源模塊組成完整的智能傳感器節(jié)點。外型：開模具塑料產(chǎn)品外殼，帶電池倉，可4節(jié)干電池供電或鋰電池供電。 103.2棚外氣象采集模塊 3.2.1模塊功能 1. 風速風向采集 棚外配有建議氣象站，可對棚外即時風速和風向進行較準確的測量，此值被定時地主動地通過Zigbee網(wǎng)絡主動上傳到中央服務器上去。 2. 溫濕度采集 棚外配有溫濕

18、度傳感器節(jié)點。傳感器會按照指定間隔采集溫度、濕度值，并通過Zigbee網(wǎng)絡主動上傳到中央服務器上去。 3. 惡劣天氣播報 在用戶設置好大棚所在地后，系統(tǒng)會通過Web服務到中央氣象局提供的接口中讀取天氣預報。當遇到惡劣天氣環(huán)境時，系統(tǒng)會通過本地氣象站進行確認，然后將相關控制對象關閉，并通知給用戶。 3.2.2模塊配置序號設備名稱設備參數(shù)數(shù)量1簡易氣象站 測量范圍 070m/s 0360° 精 度 ±（0.3+0.03V）m/s ±6°（± 3°） 最大回轉半徑 90mm 365mm 分辨率 0.1m/s 5.6°（ 2.8&#

19、176;） 起動風速 0.5m/s 0.5m/s 工作電壓 5V12V 5V12V 工作電流 10mA 20mA （或23mA） 工作環(huán)境 溫度-6050 濕 度100%RH 12智能溫濕度傳感控制模塊 溫度傳感器測量精度：±0.5（25）；溫度傳感器測量范圍：-40+123.8；濕度傳感器測量精度：±4.5%RH；溫度傳感器測量范圍：0100%RH；工作濕度：80%（不結露）。內(nèi)置智能傳感器處理器：MSP430F5638，基于IEEE1451協(xié)議與通信模塊通信，開放軟、硬件設計資源；直流工作電源：310V/0100mA； 23無線通信控制器 采用ABS塑料外殼。通信協(xié)議符

20、合國際標準智能傳感器協(xié)議IEEE1451-2。通信模塊芯片TICC2530，2.4GHz，陶瓷天線；主控處理器低功耗ENERGY MICRO處理器EFM32GXX,軟件：IEEE1451.2國際智能傳感協(xié)議，協(xié)議棧：符合ZigBee2007或ZigBeePRO規(guī)范，套件提供的樣例程序實現(xiàn)了無線通信節(jié)點的動態(tài)組網(wǎng)及傳感數(shù)23.3實時視頻采集模塊 3.3.1模塊功能 1. 遠程視頻監(jiān)控 棚內(nèi)配有24個帶云臺可進行360°旋轉的網(wǎng)絡攝像機，其視頻清晰度為720P。用戶不管在個人電腦旁，還是使用智能手機均可方便地通過視頻查看現(xiàn)場情況；農(nóng)業(yè)專家也可通過該視頻觀察現(xiàn)場作物情況，獲取作物長勢、植物

21、病蟲害外觀等信息。 2. 定時自動截圖 在系統(tǒng)中，用戶可設置網(wǎng)絡攝像頭每隔一段時間或在固定時間點進行自動截圖。通過自動截圖，可將作物每過一段時間的情況保留下來，可留作統(tǒng)計分析之用。 3. 安全偵測 當用戶不在大棚內(nèi)時，攝像機可設置為布放模式。當有人意外進入或進行惡意破壞時，系統(tǒng)將通知到用戶，并截留報警時的視頻以作為證據(jù)。 3.3.2模塊配置序號設備名稱設備參數(shù)數(shù)量1網(wǎng)絡攝像頭 ARM：W90N745；sensor：OV7725；操作系統(tǒng)：嵌入式操作系統(tǒng)；壓縮方式： Motion-JPEG-N；幀頻率：25fps；分辨率： VGA(640*480), QVGA(320*240) , QQVGA(

22、160*120)；圖象調(diào)整：亮度，對比度可調(diào).最低照度：0.3LUX； 信噪比： >48DB (自動增益關)；快門：1/50s(1/60s）-1/100，000s；白平衡：自動白平衡；背光補償：自動背光補償；夜視：5mm11顆LED燈 夜視10米,ir cut自動切換。標配：F1.8/3.6mm 90°M12接口；處理器： 雙向語音（內(nèi)置MIC或者外接）；音頻增益：自動音頻增益控制（AGC）；云臺控制：內(nèi)置RS485控制 水平270度，垂直90度；網(wǎng)絡接口： RJ-45 10/100Mb自適以太網(wǎng)接口；支持網(wǎng)絡協(xié)議：TCP/IP、HTTP、ICMP、DHCP、FTP、SMTP、

23、PPPoE等；無線：WIFI，802.11B/G；支持IP地址：靜態(tài)IP地址、動態(tài)IP地址、PPPOE撥號，支持P2P技術 23.4集成控制模塊 3.4.1模塊功能 1. 各控制對象控制 系統(tǒng)集成了棚內(nèi)各種控制對象。在自動控制功能未開啟時，用戶在系統(tǒng)中可進行手動控制，并通過實時反饋回來的數(shù)據(jù)查看效果；而在自動控制功能開啟時，系統(tǒng)會根據(jù)各種參量的實時值，比對用戶在系統(tǒng)中設置的閾值，如果超出閾值范圍，則進行一些既定控制。 2. 溫濕度自動控制 棚內(nèi)溫濕度的變化對植物的生長起著至關重要的作用。系統(tǒng)通過安裝在空中的溫濕度傳感器的實時感測棚內(nèi)溫濕度值，然后通過開關風機、開關噴灌設備進行調(diào)節(jié)。 3. 土壤溫濕度