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溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)方案
我國(guó)是一農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)是國(guó)家的重要經(jīng)濟(jì)命脈。提高單位面積的作物的產(chǎn)量 、生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品是 現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切要求，而溫室大棚是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要的組成部分。溫室大棚是一種可以改變植物生長(zhǎng)環(huán)境，根據(jù)作物生的最佳生長(zhǎng)條件，調(diào)節(jié)溫室氣候使之一年四季滿足植物生長(zhǎng)需要，不受氣候和土壤條件的影響，能夠避免外界四變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙膱?chǎng)所，并且能在有限的土地上周年地生產(chǎn)各種不同的蔬菜、鮮花等反季節(jié)作物的一種溫室設(shè)施。溫室生產(chǎn)以達(dá)到調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)過(guò)程中的產(chǎn)期，促進(jìn)在不同時(shí)期作物的發(fā)育提高作物 品質(zhì)、產(chǎn)量等為目的。溫室棚依照不同的屋架、采光材料又可分為很多種類(lèi)，如玻璃溫室、塑料溫室等。溫室結(jié)構(gòu)的建造標(biāo)準(zhǔn)是既能密封保溫，便于通風(fēng)降溫。但是作物要想現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、僅僅靠溫室保溫是不行的，需要對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行多方位多的精確采集和實(shí)時(shí)的控制。目前國(guó)家提出要狠抓農(nóng)業(yè)科技革命的新型農(nóng)業(yè)道路，實(shí)施數(shù)字化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)溫室大棚是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展改革的一大措施。數(shù)字化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)溫室大棚技術(shù)是從 生產(chǎn)理念、經(jīng)營(yíng)主體、農(nóng)業(yè)裝備、先進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力等方面進(jìn)行農(nóng)業(yè)的改革，應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)調(diào)控差異，科學(xué)利用資源，采用信息化經(jīng)營(yíng)管理和組織方式進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目標(biāo)管理。
與普通的溫室大棚相比，數(shù)字化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)溫室大棚不僅能夠種植優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)反季作物而且將電子、計(jì)算機(jī)、通信和自動(dòng)控制等信息技術(shù)引入到本領(lǐng)域中，朝著精細(xì)農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)的方向發(fā)展。數(shù)字化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)溫室大棚系統(tǒng)，可以定量獲取和分析農(nóng)業(yè)環(huán)境的多種參數(shù) ,實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的多點(diǎn)檢測(cè)，其檢測(cè)目標(biāo)可以是溫度、濕度、光照、振動(dòng)、壓力、水/土壤/空氣成分等，能對(duì)大棚內(nèi)個(gè)環(huán)境參數(shù)達(dá)到良好的檢測(cè)，進(jìn)而協(xié)調(diào)控制大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，使大棚內(nèi)的環(huán)境條件能夠適宜作物的成長(zhǎng) 。對(duì)溫室大棚內(nèi)的內(nèi)的環(huán)境因子進(jìn)行多點(diǎn)多參數(shù)的采集，一般需要在土壤中鋪設(shè)大量的線纜，使得對(duì)作物 的耕作造成了一定的困難，采用無(wú)線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集可以解決上述問(wèn)題；根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)，需對(duì)溫室大棚的環(huán)境進(jìn)行良好的控制，有效地控制大棚內(nèi)作物在生長(zhǎng)過(guò)程中需要的水分、通風(fēng)以及溫度
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等，高度有效地利用各種資源以求得到最大的產(chǎn)出。大棚內(nèi)高溫高濕的環(huán)境 對(duì)控制系 統(tǒng)的可靠性控制要求很高，常用的單片機(jī)系統(tǒng)難以滿足要求，而采用可編程邏輯控制器（PLC）作為大棚的主控制器，可大大提高系統(tǒng)的可靠性。本文所設(shè)計(jì)的基于ZigBee的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)可很好地滿足大棚的控制要求。
托普物聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)推進(jìn)研發(fā)的主體，致力于溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)，并制定多種方案，根據(jù)實(shí)際的具體情況，根據(jù)不同的情況，將溫室大棚的系統(tǒng)研發(fā)力盡做到最好。
國(guó)外研現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的國(guó)外研究現(xiàn)狀
在15～ 16世紀(jì)，法國(guó)、荷蘭、日本就開(kāi)始建造簡(jiǎn)易溫室大棚。栽培過(guò)時(shí)令蔬菜或小水果。17世紀(jì)開(kāi)始采用爐和熱氣加熱以玻璃為材料的溫室大棚。19世紀(jì)在法國(guó)、英格蘭、荷蘭出現(xiàn)了雙面玻璃材料的溫室大棚，這個(gè)時(shí)期的溫室大棚 主要種植葡萄、黃瓜、草莓等。在19世紀(jì)后期 ，溫室大棚種植技術(shù)從歐洲傳到美洲及其世界各地。在1860年美國(guó)就建立了世界上第一個(gè)溫室大棚試驗(yàn)站，到20世紀(jì)初美國(guó)已 有1000多個(gè)溫室大棚用于各季蔬菜種植。20世紀(jì)50年代，美國(guó)、加拿大的溫室大棚生產(chǎn)達(dá)到高峰，荷蘭、德國(guó)的溫室大棚工業(yè)化生產(chǎn)業(yè)已興起。溫室調(diào)控技術(shù)至今經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展過(guò)程。初期是使用傳感儀表對(duì)溫室設(shè)施中的光照、溫度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，再使用手動(dòng)或電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如幕簾、通風(fēng)設(shè)備等）施行簡(jiǎn)單控制。歐美等國(guó)家在30年代就相繼建立了人工氣候室，這些氣候室就是在人工的調(diào)解下進(jìn)行的。在溫室大棚中人工對(duì)農(nóng)作物的環(huán)境參數(shù)的控制還不是太準(zhǔn)確，大部分的控制屬于經(jīng)驗(yàn)控制 。
隨著傳感儀器儀表及執(zhí)行器技術(shù)的進(jìn)步，溫室大棚逐步可以實(shí)現(xiàn)分別對(duì)植物所需的環(huán)境參數(shù)如對(duì)溫度、濕度、光照等幾乎所有室內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行動(dòng)控制的智能監(jiān)控系統(tǒng)。從80年代開(kāi)始，根據(jù)不同作物、不同生長(zhǎng)階段及外界環(huán)境 變化對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)控制的技術(shù)得到了快速的發(fā)展。荷蘭、日本、以色列、美國(guó)、韓國(guó)、加拿大等國(guó)家是設(shè)施農(nóng)業(yè)十分發(fā)達(dá)的國(guó)家，大棚以大型溫室棚為主。
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這些高水平大型溫室大棚的環(huán)境控制系統(tǒng)能夠根據(jù)傳感器采集室溫、地濕、室內(nèi)濕度、葉濕、二氧化碳濃度、溶液濃度、風(fēng)速、風(fēng)向、土壤含水量等植物生長(zhǎng)狀態(tài)所需的環(huán)境相關(guān)參數(shù)，結(jié)合作物生長(zhǎng)環(huán)境所需的適宜條件，有效調(diào)節(jié)有關(guān)設(shè)備裝置，將室內(nèi)溫、濕、光、水、肥、氣等諸因素綜合協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài) 。
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隨后在溫室大棚智能控制技術(shù)方面，借鑒了工業(yè)領(lǐng)域的先進(jìn)成果，技術(shù)水平不斷提 高，除了對(duì)溫室大棚進(jìn)行監(jiān)控外，計(jì)算機(jī)優(yōu)化環(huán)境參數(shù)、節(jié)能、節(jié)水及設(shè)施裝備的可靠性等很多方面都取得了不錯(cuò)的技術(shù)成果，根據(jù)傳感器的檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)各個(gè)執(zhí)行機(jī) 構(gòu)的自動(dòng)控制，如濕簾與風(fēng)扇配套的降溫系統(tǒng)、由熱水鍋爐或熱風(fēng)機(jī)組成的加溫系統(tǒng)、無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的天窗通風(fēng)系統(tǒng)、二氧化碳自動(dòng)施肥系統(tǒng)、定時(shí)噴灌或者滴灌的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)等。大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)方面，如美國(guó)開(kāi)發(fā)的適宜冬天保溫用的雙層充氣膜、高壓霧化降溫加濕系統(tǒng)以及適宜夏季降溫用的濕簾降溫系統(tǒng)處于世界領(lǐng)先水平；荷蘭的頂面涂層隔熱、加熱系統(tǒng)、人工補(bǔ)光等方面有較高的水平；韓國(guó)的換氣、灌溉、CO2 濃控制等方面比較先進(jìn)。
溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國(guó)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)研究領(lǐng)域起步較晚。20 世紀(jì)50年代末，我國(guó)在華北地區(qū)曾經(jīng)建造過(guò)大型溫室大棚，手動(dòng)控制是在溫室大棚技術(shù)發(fā)展初期所采取的控制手段。溫室大棚的種植者既是溫室大棚內(nèi)的各種環(huán)境的傳感器，又要作為對(duì)大棚作物進(jìn)行管理控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，他們成為了溫室大棚環(huán)境控制的核心。通過(guò)對(duì)溫室大棚內(nèi)外的氣候環(huán)境狀況和對(duì)作物生長(zhǎng)狀況的觀測(cè)，憑借長(zhǎng)期積累的種植經(jīng)驗(yàn)對(duì)大棚內(nèi)的農(nóng)作物需要的環(huán)境狀況進(jìn)行推測(cè)及判斷，采用手動(dòng)方式調(diào)節(jié)溫室內(nèi)環(huán)境，使其適宜農(nóng)作物的生長(zhǎng)。種植者采用的手動(dòng)控制方式，這種方式的勞動(dòng)生產(chǎn)率較低，不適合對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行精確采集和控制，而且對(duì)種植者的素質(zhì)要求較高。
隨著我國(guó)單片機(jī)電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，在80年代中后期，研究出了基于自動(dòng)控制的溫室大棚控制技術(shù)。這種控制系統(tǒng)需要種植者輸入溫室作物生長(zhǎng)所需環(huán)境的
目標(biāo)參數(shù)，單片機(jī)根據(jù)傳感器的實(shí)際測(cè)量值與預(yù)先設(shè)定環(huán)境閾值進(jìn)行比較，
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以決定對(duì) 溫室大棚內(nèi)的的相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行加熱、降溫和通風(fēng)等控制操作。基于單片機(jī)的自動(dòng)控制的溫室控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，勞動(dòng)生產(chǎn)率得到提高。該系統(tǒng)以89C51為核心，能自動(dòng)控制溫室內(nèi)100天的溫濕度，用戶以小時(shí)為單位設(shè)定溫濕度值。每個(gè)下位機(jī)與上位機(jī)之間采用RS-485通信，上位機(jī)為PC機(jī)，程序用VB開(kāi)發(fā)，用戶根據(jù)作物長(zhǎng)要求，在PC機(jī)上 輸入溫濕度試驗(yàn)數(shù)據(jù)�？刂破鲗�(duì)比室內(nèi)溫度、濕的測(cè)量值與設(shè)定值，調(diào)溫室大棚的溫濕度環(huán)境。通過(guò)改變溫室大棚不同農(nóng)作物的成長(zhǎng)環(huán)境需要的目標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)環(huán)境氣候的自動(dòng)調(diào)節(jié)，但是這種控制方式對(duì)作物生長(zhǎng)狀況的改變難以及時(shí)做出反應(yīng)，難以介入作物生長(zhǎng)的內(nèi)在規(guī)律，而且方便對(duì)控制機(jī)構(gòu)加入相應(yīng)的控制算法 。
隨著智能化控制的發(fā)展，溫室大棚的控制系統(tǒng)向著越來(lái)越先進(jìn)、功能越來(lái)越完備的 方向發(fā)展。在1994年胡建東、肖建軍等人運(yùn)用模糊控制的原理設(shè)計(jì)了連棟溫室控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了模糊控 制技術(shù)使溫室大棚環(huán)境達(dá)到最佳的生長(zhǎng)狀態(tài)。在溫室自動(dòng)控制技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，通過(guò)總結(jié)、收集農(nóng)業(yè)領(lǐng)域知識(shí)、技術(shù)和各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)造專(zhuān)家系統(tǒng)，以建立植物生長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型為理論依據(jù)，研究開(kāi)發(fā)出的一種適合不同作物生長(zhǎng)基于ZigBee的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究 的溫室專(zhuān)家智能控制系統(tǒng)技術(shù)。 在1996年江蘇理工大學(xué)李萍萍等人研制的基于工控機(jī)溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)，它可以利用各類(lèi)傳感器測(cè)量溫室大棚的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境因子，并能對(duì)環(huán)境因進(jìn)行控制，以基于作物和境信息的知識(shí)的專(zhuān)家決策系統(tǒng)為依 托，實(shí)現(xiàn)利用智能化和信息化的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng) 。
我國(guó)的溫室大棚種類(lèi)的蔬菜種類(lèi)多，分布地域廣，需要進(jìn)行多點(diǎn)多參數(shù)測(cè)量，測(cè)控 設(shè)施安裝和維護(hù)工作量大，采用有線通信方式傳輸信號(hào)存在諸多不便。目前，隨著國(guó)內(nèi)信息化產(chǎn)業(yè)的展和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的大力扶持，將物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)加入了十二五規(guī)劃，根據(jù)《規(guī)劃》智能農(nóng)業(yè)作為九大流域之一將作為戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)給予大力推進(jìn)，使我國(guó)的農(nóng)業(yè)走向了一個(gè)新型的智能化階段中。因此實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信和遠(yuǎn)程監(jiān)控是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求。在我國(guó)的很多地方，都在大力發(fā)展和建設(shè)智能化業(yè)。在我國(guó)南方城市無(wú)錫人多地少，人均耕地面積僅為0.4畝，在耕地有限的情況下，發(fā)展高效農(nóng)業(yè)是無(wú)錫的選擇。而無(wú)錫又是我國(guó)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)信的發(fā)源地，無(wú)錫政府重點(diǎn)啟動(dòng)實(shí)施4萬(wàn)畝具有現(xiàn)代化設(shè)施的市屬蔬菜大棚基地建設(shè)。比如在錫山區(qū)鵝湖鎮(zhèn)今年就依托江省現(xiàn)代物理農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備創(chuàng)新中心，實(shí)施了“水產(chǎn)養(yǎng)殖
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物聯(lián)網(wǎng)智能控制管理系統(tǒng)”農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)用項(xiàng)目。該物聯(lián)網(wǎng)能控制管理系統(tǒng)具有水質(zhì)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、短信通知等功能；在惠山區(qū)益家康無(wú)公害蔬菜基地，利用來(lái)自洋馬農(nóng)機(jī)的蔬菜移栽機(jī)和配套起壟覆膜設(shè)備，進(jìn)行黃瓜苗移栽應(yīng)用試驗(yàn)，效果良好，實(shí)現(xiàn)來(lái)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì) 。
《溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)方案》全文內(nèi)容當(dāng)前網(wǎng)頁(yè)未完全顯示，剩余內(nèi)容請(qǐng)?jiān)L問(wèn)下一頁(yè)查看。
在溫室大棚種植基地里，除了能種植農(nóng)作物以外，種植稀有珍貴的經(jīng)濟(jì)型作物也是發(fā)展高效、經(jīng)濟(jì)農(nóng)業(yè)的一大需求。在福建省閩侯縣白沙鎮(zhèn)上寨村鼎天連坪洋農(nóng)場(chǎng)上建有一個(gè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)科技示范種植鐵皮石斛的基地，鐵皮石斛是現(xiàn)在石斛屬植物中經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高的種類(lèi)，藥用及保健效果極好，生產(chǎn)的產(chǎn)品有 “鐵皮楓斗”，國(guó)際市場(chǎng)價(jià)格為每公斤1300-3600 美元。農(nóng)場(chǎng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)用手機(jī)就能看到，從而實(shí)現(xiàn)工作人員對(duì)基地的遠(yuǎn)程無(wú)線遙控。鼎天連坪洋農(nóng)場(chǎng)占地 約230畝，一期投資550萬(wàn)元，部署了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技設(shè)備，將建成78個(gè)標(biāo)準(zhǔn)種植大棚及部分機(jī)械化耕種設(shè)備。 在大棚里架設(shè)有一個(gè)農(nóng)業(yè) 多功能采集儀器，在這個(gè)儀器最頂端的太陽(yáng)能設(shè)備是維持整個(gè)儀器的動(dòng)力。而從儀器中間引出的一些分支儀器，插入培土或懸掛著，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)溫度、濕度、光照條件、
二氧化碳量、PH值等生長(zhǎng)條件數(shù)據(jù)，最終通過(guò)儀器上的發(fā)射設(shè)備傳輸至在北京的終端服務(wù)器平臺(tái)上，實(shí)時(shí)地對(duì)鐵皮石斛進(jìn)行監(jiān)控。只要計(jì)算機(jī)、手機(jī)、iPad等接入該物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，均可接收到該監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳輸來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)基地的遠(yuǎn)程遙控。
目前，國(guó)外現(xiàn)代化溫室棚的內(nèi)部設(shè)施己經(jīng)發(fā)展到比較完備的程，并形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)�，F(xiàn)代對(duì)溫室大棚的控制己經(jīng)不是獨(dú)立的、簡(jiǎn)單的、靜態(tài)的數(shù)字控制，而是基于環(huán)境模型上的智能控制，以及基于專(zhuān)家系統(tǒng)上的智能制，現(xiàn)在很多國(guó)家在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上正朝著完全自動(dòng)化、無(wú)人化的方向發(fā)展。如日本、韓 國(guó)開(kāi)發(fā)了瓜類(lèi)、茄果類(lèi)蔬菜嫁接機(jī)器人。日本開(kāi)發(fā)了自動(dòng)耕耘、育苗移栽、自動(dòng)施肥移動(dòng)機(jī)器人，可完成多項(xiàng)功能的多功能機(jī)器，能在溫室大棚內(nèi)完6 成各 項(xiàng)作業(yè)的無(wú)人行走車(chē)，用于組織培養(yǎng)作用的機(jī)器人，柑橘、葡萄收獲機(jī)器人等 。
基于ZigBee技術(shù)的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案的提出
某蔬菜基地共有8個(gè)蔬菜大棚，在設(shè)計(jì)中每個(gè)大棚無(wú)線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)面積大約為
400m2，寬5m, 長(zhǎng)80m。溫室大棚的監(jiān)測(cè)目標(biāo)具有分散性、多樣性、及環(huán)境偏僻甚至惡劣等特點(diǎn)。檢測(cè)目標(biāo)主要是溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度這些環(huán)境參數(shù)，這些是農(nóng)作物 進(jìn)行適宜生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以后 ，要對(duì)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，參數(shù)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以通過(guò)地?zé)岚l(fā)生器、濕簾濕簾泵、噴灌、補(bǔ)光等實(shí)現(xiàn)。溫室大棚整體結(jié)構(gòu)如圖1.1所示 。
圖1.1溫室大棚整體結(jié)構(gòu)圖
基于ZigBee的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究
（1 ）IE EE 802.11x 無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）標(biāo)準(zhǔn)適用的是2.4G H z的IS M頻段，WLAN的應(yīng)用平臺(tái)是筆記本電腦和掌上電腦組成的 無(wú) 線 以太網(wǎng)，是互聯(lián)網(wǎng)的無(wú) 線延伸。IEEE802.11在1997年提出無(wú)線高保真（Wi- Fi）無(wú)線通信協(xié)議，其目是提供WLAN接入。Wi- Fi采用IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)，最大傳輸速率11Mbit/s。但目前，IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性為用戶選擇標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)線平臺(tái)增加了困難，雖然具有 優(yōu)越的帶寬，可是功耗損耗較大，因此大多數(shù)的 Wi - F i裝置都需要常規(guī)充電。這些特點(diǎn)限制了它在工業(yè)場(chǎng)合的應(yīng)用；
（2 ）紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（Infrared Data As socia tio n , IrDA ）是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)
對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)。它具有功耗低、體積小、成本低廉的特點(diǎn)。但是I讓DA智能在兩臺(tái)設(shè)之間連接，只支持視距的直線傳播；
（3 ）ZigBee技術(shù)就是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、與低傳輸速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。這種技術(shù)主要有以下五個(gè)方面的特點(diǎn)：低功耗。發(fā)射功率近1mW，采用休眠的低耗電待機(jī)模式下，采用2節(jié)5號(hào)干電池可 支持一個(gè)子設(shè)備工作半年到兩年甚 至 更長(zhǎng)時(shí)間，這是Zi g Bee的 突出優(yōu)勢(shì)低成本。ZigB ee模塊 成本只有幾美元；再通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議，降低了對(duì)通信控制器的要求，而且ZigBee免協(xié)議專(zhuān)利費(fèi)。低近距離。傳輸范圍一般在幾十米到幾百米，如果通過(guò)增大發(fā)射功率、路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。短時(shí)延。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠模式轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms,節(jié)點(diǎn)連接加入網(wǎng)絡(luò)只需30ms。高容量。Zi gBee可采用星狀、樹(shù)狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可以管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由路由節(jié)點(diǎn)管理，可以組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。如表格1.1所示，可以更加直觀的表述和比較這三種短距離無(wú)線通信技術(shù)的性能 。
表 1.1三種短距離無(wú)線通信技術(shù)的比較
通過(guò)對(duì)上述三種短距離無(wú)線通信技術(shù)對(duì)比，顯然ZigBee從功耗、傳輸距離、容量方面具有優(yōu)勢(shì)，也完全符合對(duì)溫室大棚的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)采集以后，不同的作物在不同的生長(zhǎng)時(shí)期不同季節(jié)對(duì)溫度、灌溉和補(bǔ)光量都有嚴(yán)格的要求，溫室大棚的環(huán)境變化對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量都有很影響，而且一般作物的成長(zhǎng)環(huán)境都是在高溫高濕下，這就對(duì)控制系統(tǒng)的抗干擾性提出了更高的要求。因此選擇合適的控制器對(duì)大棚內(nèi)的相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制也是系統(tǒng)需要解決的主要問(wèn)題。
目前，市場(chǎng)上主要的控制器有單片機(jī)和PLC（ 可編程邏輯控制器）兩種。單
片機(jī)適用于微小型設(shè)備，具控制方便和靈活性大、價(jià)格便宜的優(yōu) 點(diǎn)，但自身的抗干擾性差；可編程邏輯控制器PLC構(gòu)成靈活，擴(kuò)展容易，使用方便，編程簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，易于與上位機(jī)接口，并能構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)�？紤]到溫室大棚環(huán)境中農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境具有高溫高濕并且要進(jìn)行多參數(shù)控制的特點(diǎn)，選用PLC作為系統(tǒng)的控制器，非常適合高效溫室的控制。有效地提高了系統(tǒng)的可靠性。另外對(duì)于多個(gè)大棚的控制，可進(jìn)行組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)分布式控制系統(tǒng) 。
綜上分析，本課題設(shè)計(jì)的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)采用ZigBee的無(wú)線通信技術(shù)避 免了繁瑣的布線的問(wèn)題；采用可編程邏輯控制器（PLC）作為大棚的主控制器，提高了系統(tǒng)的可靠性。基于ZigBee的無(wú)線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，對(duì)溫室內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度以及光照強(qiáng)度的環(huán)境參的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)構(gòu)建的ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸；用PLC作為系統(tǒng)的主控機(jī)構(gòu)，將主節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過(guò)一定的通信格式傳輸給PLC以后，PLC根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的環(huán)境閾值對(duì)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，啟動(dòng)增溫降溫、加濕除濕、遮陽(yáng)補(bǔ)光等調(diào)控設(shè)備，從而使溫室環(huán)境符合作物的生長(zhǎng)規(guī)律；為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)大棚的分布式 控制，組建了基于RS-485總線的PLC分布式控制系統(tǒng)；采用易控工業(yè)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)上位監(jiān)控設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)PLC網(wǎng)絡(luò)控制統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控；利用易控工業(yè)組態(tài)軟件的Web發(fā)表功能，實(shí)現(xiàn)了溫室大棚組的遠(yuǎn)程監(jiān)控，使得管理人員不深入現(xiàn)場(chǎng)同樣可以獲得溫室大棚的環(huán)境參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
基于ZigBee溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案
設(shè)計(jì)中以一個(gè)溫室大棚中的智能監(jiān)控系每一個(gè)大棚需要采集4組數(shù)據(jù)，每一組數(shù)據(jù)包括大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度和
CO2濃度。溫室大棚的數(shù)據(jù)采集是通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)采集模塊共有4組，每一組有4種不同的傳感器，分別采集大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊由單片機(jī)分時(shí)對(duì)各個(gè)測(cè)控點(diǎn)進(jìn)行巡回檢測(cè)首先將溫度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器和CO2濃度的傳感器三種模擬感器通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再送單片機(jī)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，濕度傳感器是數(shù)字傳感器，因此可直接傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)上，主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后打包送至無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的子點(diǎn)。
其數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)如圖1.2所示 。
圖1.2數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)框圖
單片機(jī)將大棚內(nèi)的4種環(huán)境參數(shù)信息傳輸?shù)綗o(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)每隔一定的時(shí)間輪流向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。主節(jié)點(diǎn)組建了基于ZigBee技術(shù)的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主節(jié)點(diǎn)在星型網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)協(xié)調(diào) 器的角色協(xié)調(diào)器主實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理以及接受子節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)等功能；各子節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)的功能，可以將大棚內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)，空氣中光照含量，CO2濃度這些農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境信息采集過(guò)來(lái)，該設(shè)備節(jié)點(diǎn)安裝在溫室大棚內(nèi)。主節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)之后通過(guò)串口將各點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳給PLC，PLC是智能監(jiān)控系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)對(duì)大棚內(nèi)的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。PLC接受從中心計(jì)算機(jī)傳來(lái)的控制參數(shù)閾值從而啟動(dòng)控制增溫降溫、加濕除濕、遮陽(yáng)補(bǔ)光等調(diào)控設(shè)備，按不同環(huán)要求調(diào)控與協(xié)調(diào)溫室大棚的環(huán)境適應(yīng)不同的作物的成長(zhǎng)需求 。
另外，為了對(duì)8個(gè)大棚進(jìn)行集中監(jiān)控，將8個(gè)大棚中的PLC通過(guò)RS- 485線構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)，PC機(jī)作為控制網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與8個(gè)PLC之間的通信。操作員即可以在某個(gè)大棚內(nèi)單獨(dú)控制每個(gè)P LC控制器，控制這個(gè)大棚的環(huán)境；也可在控制室內(nèi)通過(guò)上位機(jī)對(duì)對(duì)每一個(gè)大棚進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)某一個(gè)大棚的設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，不影響其它大棚的控制設(shè)備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1.3所示 。
為了更方便清晰的掌握溫室大棚作物的環(huán)境參數(shù)情況，選用易控工業(yè)組態(tài)軟件作為上位組態(tài)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)易控本身提供的各圖形模板可方便地進(jìn)行監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，過(guò)數(shù)據(jù)流連接和設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)易控上位界面和無(wú)線收發(fā)模塊的實(shí)時(shí)通信另外利用易控的程發(fā)表功能，還可以通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控界面在IE瀏覽器上直接查
看溫室大棚作物的生長(zhǎng)情況 。
溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)解決方案2017-03-31 22:38 | #2樓
一、基本情況：
近年來(lái)，農(nóng)業(yè)溫室大棚種植為提高人們的生活水平帶來(lái)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、土壤濕度、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)，提出了一種大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)大棚監(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(mén)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。基于GPRS的農(nóng)業(yè)溫室大棚智能監(jiān)控管理系統(tǒng)使這些成為可能。
二、系統(tǒng)方案：
1、系統(tǒng)概述
深圳信立科技有限公司溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)集傳感器、自動(dòng)化控制、通訊、計(jì)算等技術(shù)于一體，通過(guò)用戶自定儀作物生長(zhǎng)所需的適宜環(huán)境參數(shù)，搭建溫室智能化軟硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室中溫度、濕度、光照、二氧化碳等因子的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制。
農(nóng)業(yè)大棚溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)可以模擬基本的生態(tài)環(huán)境因子，如溫度、濕度、光照、CO2濃度等，以適應(yīng)不同生物生長(zhǎng)繁育的需要，它由智能監(jiān)控單元組成，按照預(yù)設(shè)參數(shù)，精確的測(cè)量溫室的氣候、土壤參數(shù)等，并利用手動(dòng)、自動(dòng)兩種方式啟動(dòng)或關(guān)閉不同的執(zhí)行結(jié)構(gòu)（噴灌、濕簾水泵及風(fēng)機(jī)、通風(fēng)系統(tǒng)等），程序所需的數(shù)據(jù)都是通過(guò)各類(lèi)傳感器實(shí)時(shí)采集的。
該系統(tǒng)的使用，可以為植物提供一個(gè)理想的生長(zhǎng)環(huán)境，并能起到減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高設(shè)備利用率、改善溫室氣候、減少病蟲(chóng)害、增加作物產(chǎn)量等作用。
2、系統(tǒng)組成：
整個(gè)系統(tǒng)主要三大部分組成：數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分、數(shù)據(jù)管理中心部分。
A、數(shù)據(jù)管理層（監(jiān)控中心）：
硬件主要包括：工作站電腦、服務(wù)器（電信、移動(dòng)或聯(lián)通固定IP專(zhuān)線或者動(dòng)態(tài)ip域名方式）； 軟件主要包括：操作系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)中心軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)（采用B/S結(jié)構(gòu)，可以支持在廣域網(wǎng)進(jìn)行瀏覽查看）、 防火墻軟件；
B、數(shù)據(jù)傳輸層（數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)）：
采用移動(dòng)公司的GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)無(wú)需布線構(gòu)建簡(jiǎn)單、快捷、穩(wěn)定；
移動(dòng)GPRS無(wú)線組網(wǎng)模式具有：數(shù)據(jù)傳輸速率高、信號(hào)覆蓋范圍廣、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、安全性高、運(yùn)行成本低、維護(hù)成本低等特點(diǎn)；
C、數(shù)據(jù)采集層（溫室硬件設(shè)備）：
遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備：遠(yuǎn)程監(jiān)控終端；
傳感器和控制設(shè)備：溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、光照傳感器、土壤濕度傳感器、噴灌電磁閥、風(fēng)機(jī)、遮陽(yáng)幕等；
3、系統(tǒng)拓?fù)鋱D：
三、系統(tǒng)功能
1、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能：
-- 監(jiān)測(cè)各溫室溫濕度、二氧化碳、光照等參數(shù)。
-- 監(jiān)測(cè)各溫室噴灌電磁閥、風(fēng)機(jī)、遮陽(yáng)幕的工作狀態(tài)。
-- 監(jiān)測(cè)各溫室報(bào)警信息。
2、遠(yuǎn)程控制功能
-- 遠(yuǎn)程控制各溫室噴灌電磁閥、風(fēng)機(jī)、遮陽(yáng)幕的啟停工作。
-- 遠(yuǎn)程切換各溫室噴灌電磁閥、風(fēng)機(jī)、遮陽(yáng)幕的控制模式。
3、報(bào)警功能
-- 溫室溫濕度、二氧化碳、光照超過(guò)預(yù)設(shè)值告警。
-- 市電停電、開(kāi)箱告警。
4、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
-- 定時(shí)存儲(chǔ)各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
-- 記錄事件報(bào)警信息及當(dāng)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
-- 記錄各種操作信息及當(dāng)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
5、信息查詢
-- 可以進(jìn)行所有監(jiān)測(cè)信息查詢。
-- 可以進(jìn)行所有事件報(bào)警信息查詢。
-- 可以進(jìn)行所有操作信息查詢。
6、數(shù)據(jù)報(bào)表
-- 將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)生成報(bào)表，數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出，支持打印輸出。
7、人機(jī)界面
-- 所有溫室實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在同一界面上顯示，可以同屏顯示多個(gè)溫室數(shù)據(jù)，也可以切換成單個(gè)溫室數(shù)據(jù)顯示。
8：曲線數(shù)據(jù)
-- 自動(dòng)生成各溫室的溫濕度、二氧化碳、光照的歷史曲線，可以查看歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中任意溫室、任意時(shí)段的歷史曲線。
-- 歷史曲線即可分列顯示，也可并列顯示，方便比較不同溫室環(huán)境狀態(tài)。
9、權(quán)限管理
-- 對(duì)不同的操作使用者授予不同的使用權(quán)限。
10、擴(kuò)展
-- 可以任意增加、減少所監(jiān)控的溫室。
-- 可以增加、修改、刪除軟件功能模塊。
-- 預(yù)留與其他系統(tǒng)的通訊接口。
四、系統(tǒng)特點(diǎn)：
01、實(shí)用性：溫室地理位置分散，因此采用覆蓋廣泛的GPRS網(wǎng)絡(luò)高信號(hào)捕捉，必要是采用高增益天線，可確保網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行；
02、實(shí)時(shí)性：采用最新的通信和軟硬件技術(shù)，建立了清晰和合理的系統(tǒng)架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)多線程的遠(yuǎn)程并發(fā)通信，在幾秒時(shí)間內(nèi)，可以讓成百上千臺(tái)的監(jiān)控終端實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控中心進(jìn)行集中監(jiān)視和遠(yuǎn)程調(diào)度，實(shí)現(xiàn)故障信息的及時(shí)報(bào)警；
03、可擴(kuò)充性：系統(tǒng)預(yù)留接口，可以進(jìn)行系統(tǒng)或軟硬件模塊的無(wú)限擴(kuò)展，便于長(zhǎng)期的升級(jí)和維護(hù)，延長(zhǎng)系統(tǒng)的壽命，通過(guò)更新部件，能讓系統(tǒng)一直存在下去，而不至于整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，造成大量的投資損失；
04、易維護(hù)性：系統(tǒng)可對(duì)監(jiān)控終端執(zhí)行相應(yīng)的遠(yuǎn)程操作命令，包括遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)抄收、監(jiān)控終端復(fù)位、升級(jí)等；
05、操作簡(jiǎn)易性：系統(tǒng)軟件功能完善，模塊化、圖形化設(shè)計(jì)，全過(guò)程全中文幫助，操作簡(jiǎn)單方便；
五、適用范圍：
01、農(nóng)業(yè)、園藝、畜牧業(yè)等領(lǐng)域。
02、食品、電子生產(chǎn)車(chē)間、藥房、冰箱、冷庫(kù)、庫(kù)房、機(jī)房、實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)暖通、圖書(shū)館、檔案室、博物館、孵房、溫室大棚、煙草、糧庫(kù)、醫(yī)院等需要環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
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