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(jí)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(jí)：電子信息學(xué)生**：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：馬永強(qiáng)教師設(shè)計(jì)周數(shù)：16周〔分散〕設(shè)計(jì)成績：2021年12月26日1工程設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)遠(yuǎn)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(qiáng)度等，通過模型分析，可以自動(dòng)控制溫室濕簾風(fēng)機(jī)、噴淋滴灌、內(nèi)外遮陽、頂窗側(cè)窗、加溫補(bǔ)光等設(shè)備。同時(shí)，系統(tǒng)還可以通過手機(jī)、計(jì)算機(jī)等信息終端向管理者推送實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息、報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)溫室大棚信息化、智能化遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)精細(xì)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(jì)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(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到達(dá)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)目前大棚開展的趨勢(shì)，提出了一種大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，根據(jù)大棚智能監(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)通過互聯(lián)網(wǎng)或者手機(jī)信息了解區(qū)域大棚的實(shí)時(shí)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(jì)思路3.1智能報(bào)警系統(tǒng)(1)系統(tǒng)可以靈活的設(shè)置各個(gè)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(jī)短信、系統(tǒng)消息等方式提醒相應(yīng)管理者。(2)報(bào)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(gè)性化需求。(3)可以根據(jù)報(bào)警記錄查看關(guān)聯(lián)的溫室設(shè)備，更加及時(shí)、快速遠(yuǎn)程控制溫室設(shè)備，高效處理溫室環(huán)境問題。(4)可及時(shí)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(shí)提醒管理者，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。3.2遠(yuǎn)程自動(dòng)控制(1)系統(tǒng)通過先進(jìn)的遠(yuǎn)程工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)，讓用戶足不出戶遠(yuǎn)程控制溫室設(shè)備。(2)可以自定義規(guī)則，讓整個(gè)溫室設(shè)備隨環(huán)境參數(shù)變化自動(dòng)控制，比方當(dāng)土壤濕度過低時(shí)，溫室灌溉系統(tǒng)自動(dòng)開場(chǎng)澆水。(3)提供手機(jī)客戶端，客戶可以通過手機(jī)在任意地點(diǎn)遠(yuǎn)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(jī)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(jī)客戶端，隨時(shí)隨地查看自己負(fù)責(zé)溫室的環(huán)境參數(shù)。(2)用戶可以使用手機(jī)端及時(shí)承受、查看溫室環(huán)境報(bào)警信息。(3)通過手機(jī)端，用戶可以遠(yuǎn)程自動(dòng)控制溫室環(huán)境設(shè)備，如自動(dòng)灌溉系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、頂窗等。〔10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(chǎng)采集控制終端大棚現(xiàn)場(chǎng)采集控制終端負(fù)責(zé)24小時(shí)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(diǎn)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(gè)頻段上,分別具有最高至250kbit/s、20kbit/s、40kbit/s的傳輸速率。該型號(hào)設(shè)備一般為終端節(jié)點(diǎn)，完成信息的發(fā)送和接收。ZigBee中心節(jié)點(diǎn)采用四信F8114ZigBee+GPRS模塊，中心節(jié)點(diǎn)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(yuǎn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能。省去了每個(gè)終端的GPRS模塊，只需要中心節(jié)點(diǎn)一個(gè)，節(jié)約了本錢。數(shù)據(jù)中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)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(diǎn)溫度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)展分析處理，不僅進(jìn)展完成的統(tǒng)計(jì)做出相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)報(bào)表，并做出趨勢(shì)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(bào)警信息。當(dāng)溫濕度超過設(shè)定值的時(shí)候，自動(dòng)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(jí)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(diǎn))。F8914(中心節(jié)點(diǎn))通過串口與效勞器連接，把數(shù)據(jù)送到后臺(tái)，后臺(tái)管理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展分析4.2.2F8914F8114組網(wǎng)4.2.2.1原理框架F8114首先進(jìn)展GPRS撥號(hào)上網(wǎng)，然后自動(dòng)向數(shù)據(jù)管理中心發(fā)起TCP連接，握手成功后開場(chǎng)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(shí)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(jìn)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(shí)通過232/485傳送給采集端，采集端根據(jù)指令對(duì)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(jí)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(diǎn))。F8914(中心節(jié)點(diǎn))通過串口與效勞器連接，把數(shù)據(jù)送到后臺(tái)，后臺(tái)管理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)展GPRS撥號(hào)上網(wǎng)，然后自動(dòng)向數(shù)據(jù)管理中心發(fā)起TCP連接，握手成功后開場(chǎng)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(shí)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(jìn)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(shí)通過232/485傳送給采集端，采集端根據(jù)指令對(duì)相應(yīng)的控制處理。4.3.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能1：可在線實(shí)時(shí)24小時(shí)連續(xù)的采集和記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(xiàng)參數(shù)情況，以數(shù)字、圖形和圖像等多種方式進(jìn)展實(shí)時(shí)顯示和記錄存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)信息，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位可擴(kuò)大多達(dá)上千個(gè)點(diǎn)。2：可設(shè)定各監(jiān)控點(diǎn)位的溫濕度報(bào)警限值，當(dāng)出現(xiàn)被監(jiān)控點(diǎn)位數(shù)據(jù)異常時(shí)可自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，報(bào)警方式包括：現(xiàn)場(chǎng)多媒體聲光報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)客戶端報(bào)警、語音報(bào)警、手機(jī)短信息報(bào)警等。上傳報(bào)警信息并進(jìn)展本地及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)可在不同的時(shí)刻通知不同的值班人員；3：系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留有接口，可隨時(shí)增加減硬軟件設(shè)備，系統(tǒng)只要做少量的改動(dòng)即可，可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成?？筛鶕?jù)政策和法規(guī)的改變隨時(shí)增加新的內(nèi)容。4：數(shù)據(jù)集中器端提供具有信號(hào)輸出協(xié)議的端口，可接通信設(shè)備〔GPRSIPMODEM等〕進(jìn)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(shí)時(shí)顯示、記錄各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫濕度值和曲線變化，統(tǒng)計(jì)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(bào)警畫面。6：監(jiān)控主機(jī)端利用監(jiān)控軟件可隨時(shí)打印每時(shí)刻的溫濕度數(shù)據(jù)及運(yùn)行報(bào)告。7：強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與通訊能力，采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，局域網(wǎng)內(nèi)的任何一臺(tái)電腦都可以訪問監(jiān)控電腦，在線查看監(jiān)控點(diǎn)位的溫濕度變化情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)不但能夠在值班室監(jiān)測(cè)，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(kuò)大多種記錄數(shù)據(jù)分析處理軟件，能進(jìn)展繪制棒圖、餅圖，進(jìn)展曲線擬合等處理，可按TE*T格式輸出，也能進(jìn)入E*CEL電子表格等office的軟件進(jìn)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(kuò)大性極強(qiáng)，由于采用硬件功能的軟件化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想及系統(tǒng)硬件的模塊化、通訊網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可根據(jù)需要升級(jí)軟件功能與擴(kuò)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(diǎn)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(dòng)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(jìn)展廣域連接，在GGSN與移動(dòng)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(qǐng)?jiān)揂PN。用于GPRS專網(wǎng)的SIM卡才能進(jìn)入專網(wǎng)APN，防止其他非法用戶的進(jìn)入。用戶在內(nèi)部建立RADIUS效勞器，作為內(nèi)部用戶接入的遠(yuǎn)程認(rèn)證效勞器〔或在APN路由器內(nèi)，啟用路由器本地認(rèn)證功能〕。只有通過認(rèn)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(rèn)證的用戶分配用戶內(nèi)部地址。移動(dòng)終端和效勞器平臺(tái)之間采用端到端加密，防止信息在整個(gè)傳輸過程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進(jìn)展隔離，并在防火墻上進(jìn)展IP地址和端口過濾。此種方案無論實(shí)時(shí)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(diǎn)比擬多、實(shí)時(shí)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(hào)連接〔動(dòng)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(dòng)態(tài)IP+DNS解析效勞的?？蛻粝扰cDNS效勞商聯(lián)系開通動(dòng)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(dòng)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(fèi)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(yùn)營商申請(qǐng)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(yùn)行可靠穩(wěn)定，推薦此種方案5方案特點(diǎn)〔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(yùn)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(jí)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(jì)，支持多級(jí)休眠和喚醒模式，最大限度降低功耗，內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘〔RTC〕，支持定時(shí)開關(guān)機(jī)功能，定時(shí)關(guān)機(jī)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(jī)狀態(tài)：20mA12VDC、35mA5VDC；休眠狀：8mA12VDC、18mA5VDC工作環(huán)境溫度-25~+65oC;儲(chǔ)存溫度-40~+85oC;相對(duì)濕度95%(無凝結(jié));多重軟硬件看門狗設(shè)計(jì)。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(cè)、在線維護(hù)、掉掉線自動(dòng)重拔，確保設(shè)備永遠(yuǎn)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(shí)，自動(dòng)發(fā)短信報(bào)警信息給維護(hù)人員。傳輸模塊采用主備份中心與中心自動(dòng)恢復(fù)功能，并同時(shí)支持多中心并發(fā)功能〔最多五個(gè)〕。及時(shí)響應(yīng)，實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以對(duì)故障做出及時(shí)的響應(yīng)，從而大大降低故障帶來的經(jīng)濟(jì)和其他方面的損失。標(biāo)準(zhǔn)集中管理，及時(shí)跟蹤每個(gè)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(jìn)展二次開發(fā)；同時(shí)針對(duì)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(jì)、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(chǎng)調(diào)試技術(shù)支持等效勞6工程設(shè)計(jì)心得通過此次課程設(shè)計(jì)，首先，對(duì)于嵌入式根本原理有了進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，同樣就有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)；其次，學(xué)到了很多東西，特別是zigbee的初步認(rèn)識(shí)，這也是很重要的知識(shí)。在大學(xué)課堂的學(xué)習(xí)只是純理論的專業(yè)知識(shí)，而我們應(yīng)該把所學(xué)的用到現(xiàn)實(shí)生活中去，此次的課程設(shè)計(jì)給我奠定了一個(gè)實(shí)踐根底，我會(huì)在以后