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近年來(lái)，溫室大棚種植為提高人們的生活水平帶來(lái)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、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(guó)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(jiàn)，而引進(jìn)國(guó)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(guó)情

針對(duì)目前溫室大棚發(fā)展的趨勢(shì)，提出了一種溫室大棚智能監(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，并把管理者的操作下發(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(guò)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?；?span>GPRS的智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)使這些成為可能。

農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)空氣溫度、濕度、光照、土壤溫度、土壤水分等環(huán)境參數(shù)，根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)智能決策，并自動(dòng)開(kāi)啟或者關(guān)閉指定的環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備。通過(guò)該系統(tǒng)的部署實(shí)施，可以為農(nóng)業(yè)生態(tài)信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)、對(duì)設(shè)施進(jìn)行自動(dòng)控制和智能化管理提供科學(xué)依據(jù)和有效手段。

農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)控及智能控制解決方案是通過(guò)可在大棚內(nèi)靈活部署的各類無(wú)線傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，對(duì)農(nóng)作物溫室內(nèi)的溫度，濕度、光照、土壤溫度、土壤含水量、CO2濃度等與農(nóng)作物生長(zhǎng)密切相關(guān)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，在數(shù)據(jù)服務(wù)器上對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和智能分析與決策，并自動(dòng)開(kāi)啟或者關(guān)閉指定設(shè)備（如遠(yuǎn)程控制澆灌、開(kāi)關(guān)卷簾等）。

二、項(xiàng)目需求

在每個(gè)智能農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部署無(wú)線空氣溫濕度傳感器、無(wú)線土壤溫度傳感器、無(wú)線土壤含水量傳感器、無(wú)線光照度傳感器、無(wú)線CO2傳感器等，分別用來(lái)監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)空氣溫濕度、土壤溫度、土壤水分、光照度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)。為了方便部署和調(diào)整位置，所有傳感器均應(yīng)采用電池供電、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。大棚內(nèi)僅需在少量固定位置提供交流220V市電（如：風(fēng)機(jī)、水泵、加熱器、電動(dòng)卷簾）。

每個(gè)農(nóng)業(yè)大棚園區(qū)部署1套采集傳輸設(shè)備（包含路由節(jié)點(diǎn)、長(zhǎng)距離無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)關(guān)等），用來(lái)覆蓋整個(gè)園區(qū)的農(nóng)業(yè)大棚，傳輸園區(qū)內(nèi)各農(nóng)業(yè)大棚的傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)備控制指令數(shù)據(jù)等到Internet上與平臺(tái)服務(wù)器交互。

在每個(gè)需要智能控制功能的大棚內(nèi)安裝智能控制設(shè)備（包含一體化控制器、擴(kuò)展控制配電箱、電磁閥、電源轉(zhuǎn)換適配設(shè)備等），用來(lái)接受控制指令、響應(yīng)控制執(zhí)行設(shè)備。實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚內(nèi)的電動(dòng)卷簾、智能噴水、智能通風(fēng)等行為的實(shí)現(xiàn)。

三、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）總體架構(gòu)

系統(tǒng)的總體架構(gòu)分為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、智能數(shù)據(jù)處理平臺(tái)和遠(yuǎn)程控制四部分。

（2）系統(tǒng)有兩種典型配置結(jié)構(gòu)

■兩層網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)由兩類點(diǎn)構(gòu)成：

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，包括無(wú)線空氣溫濕度傳感器、無(wú)線土壤溫度傳感器、無(wú)線土壤含水量傳感器、無(wú)線光照度傳感器、無(wú)線CO2傳感器等；

無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，包括Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)關(guān)或GPRS無(wú)線網(wǎng)關(guān)。

該結(jié)構(gòu)適用于園區(qū)已經(jīng)有Wi-Fi局域網(wǎng)覆蓋，或是可以采用GPRS直接上傳數(shù)據(jù)的場(chǎng)景。在此結(jié)構(gòu)中，只需要在合適的區(qū)域部署無(wú)線網(wǎng)關(guān)，即可實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集和上傳。

■三層網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)由三類點(diǎn)構(gòu)成：

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，包括無(wú)線空氣溫濕度傳感器、無(wú)線土壤溫度傳感器、無(wú)線土壤含水量傳感器、無(wú)線光照度傳感器、無(wú)線CO2傳感器等；

無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；

數(shù)據(jù)路由器。

該結(jié)構(gòu)適用于園區(qū)沒(méi)有Wi-Fi局域網(wǎng)覆蓋，也不準(zhǔn)備采用GPRS直接上傳數(shù)據(jù)的場(chǎng)景。在此結(jié)構(gòu)中，需要部署數(shù)據(jù)路由節(jié)點(diǎn)和無(wú)線網(wǎng)關(guān)，無(wú)線網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)路由節(jié)點(diǎn)之間以長(zhǎng)距離無(wú)線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，在區(qū)域較大，節(jié)點(diǎn)間通信距離不足時(shí)，無(wú)線網(wǎng)關(guān)還可以相互之間進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)中繼，擴(kuò)大監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

（3）傳感信息采集

在監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)線空氣溫濕度傳感器、無(wú)線土壤溫度傳感器、無(wú)線土壤含水量傳感器、無(wú)線光照度傳感器、無(wú)線CO2傳感器等傳感器均支持低功耗運(yùn)行，可使用廉價(jià)的干電池供電長(zhǎng)期工作。同時(shí)，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)均運(yùn)行低功耗多跳自組網(wǎng)協(xié)議，可為其它節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)的自動(dòng)中繼轉(zhuǎn)發(fā)，以擴(kuò)大監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，增加部署靈活性。

低功耗多跳自組網(wǎng)協(xié)議是在IEEE802.15.4協(xié)議的基礎(chǔ)上建立的，無(wú)線通信的頻率選擇可以是2.4GHz或780MHz。

傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)議傳送到無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上，無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)路由節(jié)點(diǎn)或直接將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)平臺(tái)的服務(wù)器上。用戶可以通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚現(xiàn)場(chǎng)的傳感器參數(shù)，控制大棚現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)設(shè)備。

四、溫室大棚現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)

溫室大棚現(xiàn)場(chǎng)主要負(fù)責(zé)大棚內(nèi)部環(huán)境參數(shù)的采集和控制設(shè)備的執(zhí)行，采集的數(shù)據(jù)主要包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的光照、空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤水分、CO2濃度等參數(shù)。

傳感器的數(shù)據(jù)上傳采用低功耗無(wú)線傳輸模式，傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)送模塊，采用協(xié)議將數(shù)據(jù)無(wú)線傳送到無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上，用戶終端和一體化控制器間傳送的控制指令也通過(guò)無(wú)線發(fā)送模塊傳送到中心節(jié)點(diǎn)上，省卻了通訊線纜的部署工作。中心節(jié)點(diǎn)再經(jīng)過(guò)邊緣網(wǎng)關(guān)將傳感器數(shù)據(jù)、控制指令封裝并發(fā)送到位于internet上的系統(tǒng)業(yè)務(wù)平臺(tái)。用戶可以通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚現(xiàn)場(chǎng)的傳感器參數(shù)，控制大棚現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)設(shè)備。低功耗無(wú)線傳輸模式使得大棚現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)各傳感器部署靈活、擴(kuò)展方便。

控制系統(tǒng)主要由一體化控制器、執(zhí)行設(shè)備和相關(guān)線路組成，通過(guò)一體化控制器可以自由控制各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)執(zhí)行設(shè)備，包括噴水系統(tǒng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)等，噴水系統(tǒng)可支持噴淋、滴灌等多種設(shè)備，空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)可支持卷簾、風(fēng)機(jī)等設(shè)備。

采集傳輸部分主要將設(shè)備采集到的數(shù)值傳送到服務(wù)器上，現(xiàn)有大棚設(shè)備支持Wi-Fi、GPRS、長(zhǎng)距離無(wú)線傳輸?shù)榷喾N數(shù)據(jù)傳輸方式，在傳輸協(xié)議上支持IPv4聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。

業(yè)務(wù)平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)用戶提供智能大棚的所有功能展示，主要功能包括環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)空間/時(shí)間分布、歷史數(shù)據(jù)、超閾值告警和遠(yuǎn)程控制五個(gè)方面。用戶還可以根據(jù)需要添加視頻設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能。數(shù)據(jù)空間/時(shí)間分布將系統(tǒng)采集到的數(shù)值通過(guò)直觀的形式向用戶展示時(shí)間分布狀況（折線圖）和空間分布狀況（場(chǎng)圖）、歷史數(shù)據(jù)可以向用戶提供歷史一段時(shí)間的數(shù)值展示；超閾值告警則允許用戶制定自定義的數(shù)據(jù)范圍，并將超出范圍的情況反映給用戶。