工業(yè)4G路由器物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)大棚方案

1.綜述

物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)大棚解決方案。本系統(tǒng)旨在通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境實(shí)時(shí)感知、數(shù)據(jù)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、設(shè)備遠(yuǎn)程控制、設(shè)備自動(dòng)控制、自動(dòng)報(bào)警、視頻監(jiān)控等功能，幫助大棚種植實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守、高產(chǎn)量和可復(fù)制。

系統(tǒng)采用光照、土壤PH（酸堿度）、空氣溫濕度、土壤溫濕度等傳感器對(duì)大棚種植環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，通過(guò)無(wú)線信息傳輸節(jié)點(diǎn)將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)较到y(tǒng)后臺(tái)，經(jīng)過(guò)服務(wù)器處理后形成圖形化顯示輸出。系統(tǒng)提供各種統(tǒng)計(jì)功能并支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出，能夠針對(duì)指標(biāo)超標(biāo)等情況自動(dòng)報(bào)警，當(dāng)環(huán)境指標(biāo)超標(biāo)時(shí)能夠自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉風(fēng)機(jī)、電磁閥、遮陽(yáng)板等設(shè)備以實(shí)現(xiàn)智能化。

2.系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

2.1精確掌握環(huán)境指標(biāo)，取代“憑感覺(jué)”

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)依靠的是人工對(duì)環(huán)境信息的感知，對(duì)作物生長(zhǎng)的環(huán)境無(wú)法量化，因而難以將作物生長(zhǎng)的最優(yōu)條件總結(jié)出來(lái)，更加難以復(fù)制；此外，人工無(wú)法實(shí)現(xiàn)24小時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)管理，難以實(shí)時(shí)地掌握作物生長(zhǎng)條件。智能大棚種植通過(guò)傳感器將環(huán)境信息轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)并定期采樣存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和統(tǒng)計(jì)輸出，能夠“精確”、“全面”地掌握環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)管理。

2.2隨時(shí)隨地掌握現(xiàn)場(chǎng)信息，隨時(shí)隨地控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

系統(tǒng)支持手機(jī)遠(yuǎn)程登錄，用戶(hù)可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)（只要手機(jī)能上網(wǎng)）了解大棚內(nèi)部的環(huán)境信息、視頻影像，并且可以手動(dòng)指揮現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如噴淋設(shè)備、風(fēng)機(jī)、遮陽(yáng)板、燈光等等。同時(shí)，一人可以同時(shí)管理多個(gè)大棚，為客戶(hù)節(jié)省了大量的人力。

2.3自動(dòng)調(diào)節(jié)各項(xiàng)指標(biāo)，為作物提供最“舒適”、最穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境

智能大棚系統(tǒng)得到環(huán)境數(shù)據(jù)后，自動(dòng)與設(shè)定的指標(biāo)閾值進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)超出正常范圍時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，例如，當(dāng)大棚內(nèi)溫度過(guò)高時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)設(shè)備對(duì)大棚進(jìn)行降溫，當(dāng)土壤濕度過(guò)低時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟灌溉設(shè)備對(duì)作物進(jìn)行灌溉。自動(dòng)化控制可以為作物提供最“舒適”和最穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境，幫農(nóng)場(chǎng)提高產(chǎn)量、減少人力、形成標(biāo)準(zhǔn)流程，方便總結(jié)和傳播生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。

2.4形成標(biāo)準(zhǔn)化種植經(jīng)驗(yàn)，方便大規(guī)模復(fù)制

傳統(tǒng)大棚的管理依賴(lài)管理人員豐富的經(jīng)驗(yàn)，且與所處的氣候環(huán)境等因素相關(guān)，不利于大規(guī)模地復(fù)制，而智能大棚通過(guò)自動(dòng)控制等手段降低了對(duì)人員的依賴(lài)，使工作變得簡(jiǎn)單、標(biāo)準(zhǔn)，方便迅速擴(kuò)大規(guī)模。

優(yōu)勢(shì)對(duì)比：

3.系統(tǒng)功能

系統(tǒng)的主要功能包括：環(huán)境指標(biāo)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)輸出、超過(guò)閾值的自動(dòng)報(bào)警、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)控制等。

3.1環(huán)境指標(biāo)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

安插在大棚內(nèi)的各種傳感器設(shè)備不間斷地采集周?chē)�的環(huán)境信息并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)上傳給服務(wù)器，這些傳感器包括：空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器、土壤PH值傳感器等。用戶(hù)還可以根據(jù)需要選擇其他各種傳感器。當(dāng)客戶(hù)通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)服務(wù)器時(shí)，軟件系統(tǒng)以圖形化的界面顯示當(dāng)前指標(biāo)，系統(tǒng)每隔一段時(shí)間刷新一次，刷新時(shí)間可以用戶(hù)自定義，當(dāng)間隔時(shí)間足夠短時(shí)，即實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖形化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)界面（以空氣濕度為例）

數(shù)值式遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)界面（以空氣濕度為例）

3.2歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)輸出

用戶(hù)可以自行定義各種指標(biāo)的存儲(chǔ)時(shí)間間隔，例如每隔一個(gè)小時(shí)存儲(chǔ)一次數(shù)據(jù)，則過(guò)去一天的歷史數(shù)據(jù)將由24個(gè)點(diǎn)組成，同理，用戶(hù)也可以選擇每隔10分鐘甚至1分鐘存儲(chǔ)一次數(shù)據(jù)。

當(dāng)客戶(hù)需要查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)時(shí)，在系統(tǒng)輸入查詢(xún)條件，即可看到該范圍內(nèi)的指標(biāo)變化情況，以曲線的形式輸出。

自動(dòng)繪制變化曲線

此外系統(tǒng)還支持歷史數(shù)據(jù)的excel、text、pdf等格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

導(dǎo)出前，選定導(dǎo)出范圍

顯示成數(shù)據(jù)列表

導(dǎo)出文件的另存界面

3.3超過(guò)閾值的自動(dòng)報(bào)警

用戶(hù)可以針對(duì)每個(gè)指標(biāo)設(shè)定上限值和下限值，當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)超過(guò)范圍時(shí)，可通過(guò)三種方式進(jìn)行報(bào)警。

※監(jiān)測(cè)界面的紅色提示。當(dāng)某項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)時(shí)，界面上將出現(xiàn)紅色“上限異�！�、“下限異�！钡茸謽�，提醒管理人員。

監(jiān)測(cè)界面報(bào)警

※短信報(bào)警。系統(tǒng)初始化時(shí)，留有被報(bào)警人的手機(jī)號(hào)碼，當(dāng)環(huán)境信息出現(xiàn)異常時(shí)，將自動(dòng)發(fā)送報(bào)警短信至該號(hào)碼，提醒狀態(tài)異常。

短信報(bào)警

※統(tǒng)計(jì)報(bào)表中的狀態(tài)提示。系統(tǒng)在統(tǒng)計(jì)報(bào)表中對(duì)異常值進(jìn)行狀態(tài)說(shuō)明，提醒管理人員該指標(biāo)的歷史異常情況。

統(tǒng)計(jì)報(bào)表中的提示

3.4現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制

常用的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包括風(fēng)機(jī)、遮陽(yáng)板、電磁閥（水閥）、燈光等，這些設(shè)備均可以通過(guò)信號(hào)線進(jìn)行控制，服務(wù)器發(fā)送的指令被轉(zhuǎn)化成控制信號(hào)后即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟動(dòng)/關(guān)閉現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。

用戶(hù)通過(guò)點(diǎn)擊界面上的按鈕即可完成啟動(dòng)/關(guān)閉現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的指令發(fā)送。

遠(yuǎn)程控制界面

3.5現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)控制

除了手工進(jìn)行指令的發(fā)送之外，系統(tǒng)還能夠根據(jù)檢測(cè)到的環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的啟動(dòng)/關(guān)閉。用戶(hù)可以自定義溫濕度、光照、CO2濃度等指標(biāo)的上限值、下限值，并定義當(dāng)指標(biāo)超過(guò)上限或者下限時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如何響應(yīng)（啟動(dòng)/關(guān)閉）；此外，用戶(hù)可以設(shè)置觸發(fā)后的設(shè)備工作時(shí)間。

優(yōu)勢(shì)：

※自動(dòng)控制和手動(dòng)控制間自由切換

※可自定義設(shè)備開(kāi)/關(guān)邏輯

※可控制設(shè)備自動(dòng)工作時(shí)間

自動(dòng)控制邏輯設(shè)置

自動(dòng)控制上下限設(shè)置

3.6視頻監(jiān)控

此外，系統(tǒng)還集成了視頻監(jiān)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)�環(huán)境和大棚內(nèi)情況的監(jiān)控。通過(guò)硬盤(pán)錄像機(jī)可以實(shí)現(xiàn)視頻信息的長(zhǎng)期存儲(chǔ)和方便調(diào)用。

視頻監(jiān)控界面

4.技術(shù)原理

4.1環(huán)境的感知

傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測(cè)、感受外界的信號(hào)、物理?xiàng)l件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。一般說(shuō)來(lái)，可以把傳感器看作由敏感元件（有時(shí)又稱(chēng)為預(yù)變換器）和變換元件（有時(shí)又稱(chēng)為變換器）兩部分組成；敏感元件是能完成預(yù)變換的器件，變換器是能將感受到的非電量變換為電量的器件。本系統(tǒng)采用的主要是數(shù)字傳感器，將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)。

4.2信息的傳輸

Zigbee是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)名稱(chēng)。這一名稱(chēng)來(lái)源與蜜蜂的八字舞。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。Zigbee技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)： 

①低功耗。在低耗電待機(jī)模式下,2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。這是Zigbee的突出優(yōu)勢(shì)。相比較，藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時(shí)。

②低成本。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10)，降低了對(duì)通信控制器的要求，按預(yù)測(cè)分析，以8051的8位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼，而且Zigbee免協(xié)議費(fèi)。每塊芯片的價(jià)格大約為2美元。

③低速率。Zigbee工作在20～250kbps的較低速率，分別提供250kbps(2.4GHz)、250kbps(780MHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿(mǎn)足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

④近距離。傳輸范圍：2.4GHz頻段一般介于10～300m之間；780MHz頻段一般介于100～700m之間，通信距離在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1～3km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。

⑤短時(shí)延。Zigbee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3～10s、WiFi需要3s。

⑥高容量。Zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)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)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理,最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。

⑦高安全。Zigbee提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES，128)的對(duì)稱(chēng)密碼，以靈活確定其安全屬性。⑧免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，2.4GHz(全球)、915MHz(美國(guó))、868MHz(歐洲)和780MHz（中國(guó)）。

4.3瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)

軟件系統(tǒng)采用的瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)（B/S架構(gòu)）是新一代的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)架構(gòu)，無(wú)需安裝客戶(hù)端，采用瀏覽器直接訪問(wèn)，能夠最大程度地減少客戶(hù)對(duì)訪問(wèn)硬件的依賴(lài)，提高使用的便捷性。

B/S架構(gòu)

該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Java2Platform，EnterpriseEdition(J2EE)，J2EE是一組協(xié)調(diào)規(guī)范與實(shí)踐，它們組合起來(lái)，能夠?qū)崿F(xiàn)用于開(kāi)發(fā)、部署和管理多層的以服務(wù)器為中心的應(yīng)用程序的解決方案具有平臺(tái)獨(dú)立性、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、可移植性好、可被多用戶(hù)并發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。

5.經(jīng)典案例

某市生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司是從事蔬菜科研、蔬菜生產(chǎn)、凈菜加工、儲(chǔ)藏保鮮、運(yùn)輸銷(xiāo)售、凈菜配送于一體的綜合性企業(yè)，現(xiàn)有110余畝有機(jī)蔬菜示范園。

農(nóng)場(chǎng)遠(yuǎn)景

5.1空氣溫濕度傳感器、光照傳感器、土壤PH值傳感器、土壤溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器等。

空氣溫濕度傳感器CO2濃度傳感器（已封裝）

光照傳感器

土壤PH值傳感器、土壤溫濕度傳感器

5.2傳輸設(shè)備

無(wú)線信號(hào)傳輸節(jié)點(diǎn)

5.3可遠(yuǎn)程控制的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。淋灌設(shè)備、風(fēng)扇設(shè)備、遮陽(yáng)板設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備。

可遠(yuǎn)程控制的噴淋設(shè)備

可遠(yuǎn)程控制的風(fēng)機(jī)設(shè)備

可遠(yuǎn)程控制的遮陽(yáng)板設(shè)備