农业大棚智能监控系统

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一、概述

农业大棚智能监控系统通过实时采集农业大棚内空气温度、湿度、光照、土壤温度、土壤水分等环境参数，根据农作物生长需要进行实时智能决策，并自动开启或者关闭指定的环境调节设备。通过该系统的部署实施，可以为农业生态信息自动监测、对设施进行自动控制和智能化管理提供科学依据和有效手段。

大棚监控及智能控制解决方案是通过可在大棚内灵活部署的各类无线传感器和网络传输设备，对农作物温室内的温度，湿度、光照、土壤温度、土壤含水量、CO2浓度等与农作物生长密切相关环境参数进行实时采集，在数据服务器上对实时监测数据进行存储和智能分析与决策，并自动开启或者关闭指定设备(如远程控制浇灌、开关卷帘等)。
二、项目需求

在每个智能农业大棚内部署无线空气温湿度传感器、无线土壤温度传感器、无线土壤含水量传感器、无线光照度传感器、无线CO2传感器等，分别用来监测大棚内空气温湿度、土壤温度、土壤水分、光照度、CO2浓度等环境参数。为了方便部署和调整位置，所有传感器均应采用电池供电、无线数据传输。大棚内仅需在少量固定位置提供交流220V市电（如：风机、水泵、加热器、电动卷帘）。

每个农业大棚园区部署1套采集传输设备（包含路由节点、长距离无线网关节点、Wi-Fi无线网关等），用来覆盖整个园区的所有农业大棚，传输园区内各农业大棚的传感器数据、设备控制指令数据等到Internet上与平台服务器交互。

在每个需要智能控制功能的大棚内安装智能控制设备（包含一体化控制器、扩展控制配电箱、电磁阀、电源转换适配设备等），用来接受控制指令、响应控制执行设备。实现对大棚内的电动卷帘、智能喷水、智能通风等行为的实现。
三、系统架构设计
(1) 总体架构

系统的总体架构分为现场数据采集、网络传输、智能数据处理平台和远程控制四部分。

(2) 系统有两种典型配置结构

■ 两层网络，系统由两类点构成：

n 无线传感器节点，包括无线空气温湿度传感器、无线土壤温度传感器、无线土壤含水量传感器、无线光照度传感器、无线CO2传感器等；

n 无线网关节点，包括Wi-Fi无线网关或GPRS无线网关。

该结构的拓扑结构如下图所示：

该结构适用于园区已经有Wi-Fi局域网覆盖，或是可以采用GPRS直接上传数据的场景。在此结构中，只需要在合适的区域部署无线网关，即可实现传感器数据的采集和上传。

■ 三层网络，系统由三类点构成：

n 无线传感器节点，包括无线空气温湿度传感器、无线土壤温度传感器、无线土壤含水量传感器、无线光照度传感器、无线CO2传感器等；

n 无线网关节点；

n 数据路由器。

该结构的拓扑结构如下图所示：

该结构适用于园区没有Wi-Fi局域网覆盖，也不准备采用GPRS直接上传数据的场景。在此结构中，需要部署数据路由节点和无线网关，无线网关与数据路由节点之间以长距离无线通信方式进行数据的交换，在区域较大，节点间通信距离不足时，无线网关还可以相互之间进行自动数据中继，扩大监控网络的覆盖范围。
(3) 传感信息采集

在监控网络中，无线空气温湿度传感器、无线土壤温度传感器、无线土壤含水量传感器、无线光照度传感器、无线CO2传感器等传感器均支持低功耗运行，可使用廉价的干电池供电长期工作。同时，所有的无线传感器节点均运行SleepTree低功耗多跳自组网协议，可为其它节点提供数据的自动中继转发，以扩大监测网络的覆盖范围，增加部署灵活性。

SleepTree低功耗多跳自组网协议是在IEEE802.15.4协议的基础上建立的，无线通信的频率选择可以是2.4GHz或780MHz。

传感器数据通过SleepTree协议传送到无线网关节点上，无线网关节点再经过数据路由节点或直接将传感器数据发送到数据平台的服务器上。用户可以通过有线网络/无线网络访问数据平台，实时监测大棚现场的传感器参数，控制大棚现场的相关设备。
四、大棚现场布点

大棚现场主要负责大棚内部环境参数的采集和控制设备的执行，采集的数据主要包括农业生产所需的光照、空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤水分、CO2浓度等参数。

传感器的数据上传采用低功耗无线传输模式，传感器数据通过无线发送模块，采用SleepTree协议将数据无线传送到无线网关节点上，用户终端和一体化控制器间传送的控制指令也通过无线发送模块传送到中心节点上，省却了通讯线缆的部署工作。中心节点再经过边缘网关将传感器数据、控制指令封装并发送到位于internet上的系统业务平台。用户可以通过有线网络/无线网络访问系统业务平台，实时监测大棚现场的传感器参数，控制大棚现场的相关设备。低功耗无线传输模式使得大棚现场内各传感器部署灵活、扩展方便。

控制系统主要由一体化控制器、执行设备和相关线路组成，通过一体化控制器可以自由控制各种农业生产执行设备，包括喷水系统和空气调节系统等，喷水系统可支持喷淋、滴灌等多种设备，空气调节系统可支持卷帘、风机等设备。

采集传输部分主要将设备采集到的数值传送到服务器上，现有大棚设备支持Wi-Fi、GPRS、长距离无线传输等多种数据传输方式，在传输协议上支持IPv4联网协议。

业务平台负责对用户提供智能大棚的所有功能展示，主要功能包括环境数据监测、数据空间/时间分布、历史数据、超阈值告警和远程控制五个方面。用户还可以根据需要添加视频设备实现远程视频监控功能。数据空间/时间分布将系统采集到的数值通过直观的形式向用户展示时间分布状况（折线图）和空间分布状况（场图）、历史数据可以向用户提供历史一段时间的数值展示；超阈值告警则允许用户制定自定义的数据范围，并将超出范围的情况反映给用户。
五、平台软件

系统平台软件共由以下4个部分组成：
(1)数据收集、存储服务软件

完成传感器数据的获取、解析、分类，最后按预设的格式存入数据库。
(2)展示、决策软件

图形化界面，从数据库中读取相应数据，以表格和曲线的方式将传感器数据显示出来，支持多种查询显示方式。可自定义决策系统控制对象及决策算法，与对象控制软件互联实现自动化控制。
(3)远程控制软件

完成现场控制对象的操作，图形化操作界面，支持重定义远端开关名称等信息，可与决策软件进行对接，实现自动化控制。
(4)SDK二次开发包

通过SDK开发包，用户可以完全用自己熟悉的开发平台开发自主知识产权的数据展示和决策平台。

通过SDK开发包，使用户无需了解本系统的硬件等底层信息的前提下，完成一套环境监测应用系统的开发。

我们的SDK提供了：

① 数据收集、存储服务软件的详细编程接口及说明

② 对象控制软件的编程接口及说明

③ 曲线显示界面例程

④ 数据库数据检索例程

⑤ 设备对象控制例程

上述4个组成软件中，数据收集、存储服务软件和对象控制软件是与底层硬件直接联系的，用户无需对该部分软件进行任何的编程开发，只需要通过SDK开发自己的展示、决策软件，与我们的数据收集、存储服务软件和对象控制软件进行数据交互即可。