ZigBee無線農業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)方案

一、項目背景

    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)境因子對作物的生產有很大的影響。傳統(tǒng)的人工控制方式難以達到科學合理種植的要求，目前國內可以實現(xiàn)上述環(huán)境因子自動監(jiān)控的系統(tǒng)還不多見，而引進國外具有多功能的大型連棟溫室控制系統(tǒng)價格昂貴，不適合國情。   針對目前大棚發(fā)展的趨勢，提出了一種大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計。根據大棚智能監(jiān)控的特殊性，需要傳輸大棚現(xiàn)場參數給管理者，并把管理者的命令下發(fā)到現(xiàn)場執(zhí)行設備，同時又要使上級部門可隨時通過互連網或者手機信息了解區(qū)域大棚的實時狀況?；?span style="COLOR: #000000; FONT-SIZE: 12px">GPRS的智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)使這些成為可能

二、項目分析

2.1  系統(tǒng)組成

2.1.1大棚現(xiàn)場采集控制終端

大棚現(xiàn)場采集控制終端負責24小時采集溫室內溫度、濕度、光照、土壤溫度、土壤濕度、CO2濃度、葉面濕度、露點溫度等環(huán)境參數。

2.1.2無線傳輸設備

前端采用四信F8914 ZigBee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. 14 GHz(全球流行) 、868 MHz (歐洲流行)和915 MHz (美國流行) 3個頻段上,分別具有最高至250 kbit/ s、20 kbit/ s、40 kbit/ s的傳輸速率。該型號設備一般為終端節(jié)點，完成信息的發(fā)送和接收。實物如圖1

ZigBee中心節(jié)點采用四信F8114 ZigBee GPRS模塊，中心節(jié)點收到的數據可以通過串口直接是輸出到服務器上（前端與服務器的距離較近）；還可有通過GPRS把其收到的數據發(fā)送的遠端的服務器上，GPRS部分采用國際標準TCP/IP通信協(xié)議，且兩種方式都是實現(xiàn)數據透明傳輸功能。省去了每個終端的GPRS模塊，只需要中心節(jié)點一個，節(jié)約了成本。實物如圖2

 2.1.3數據管理中心

數據中心對現(xiàn)場實時采集的溫室內溫度、濕度、光照、土壤溫度、土壤濕度、CO2濃度、葉面濕度、露點溫度等環(huán)境參數進行分析處理，不僅進行完成的統(tǒng)計做出相應的統(tǒng)計報表，并做出趨勢分析，且以直觀的圖表和曲線的方式顯示給用戶，并根據種植作物的需求提供各種聲光報警信息。當溫濕度超過設定值的時候，自動開啟或者關閉指定設備。 2.2 系統(tǒng)總架構 2.2.1   F8914 －－- F8914組網

F8914（前端）通過標準的232/485與路燈監(jiān)控一級終端里的PLC連接通信，獲取的數據直接通過2.4G頻率發(fā)送到F8914(中心節(jié)點)。F8914(中心節(jié)點)通過串口與服務器連接，把數據送到后臺，后臺管理軟件對數據進行分析。如圖3所示

2.2.2    F8914－－－－F8114組網

2.2.2.1 原理框架

    F8114首先進行GPRS撥號上網，然后自動向數據管理中心發(fā)起TCP連接，握手成功后開始數據透明傳輸。路燈監(jiān)控終端把數據集中采集通過PLC把數據傳給F8914，F8914接到數據后即時的將數據通過ZigBee網絡傳送到F8114。F8114通過GPRS數據管理中心將上傳的數據進行分析處理，得出直觀的結果和相應的指令通過GPRS網絡發(fā)送給F8114，再通過ZigBee網絡傳送到F8914即時通過232/485傳送給采集端，采集端根據指令對相應的控制處理。如圖4所示

2.2.3系統(tǒng)實現(xiàn)功能

   1：可在線實時24小時連續(xù)的采集和記錄監(jiān)測點位的溫度、濕度、風速、二氧化碳、光照、空氣潔凈度、供電電壓電流等各項參數情況，以數字、圖形和圖像等多種方式進行實時顯示和記錄存儲監(jiān)測信息，監(jiān)測點位可擴充多達上千個點。

   2：可設定各監(jiān)控點位的溫濕度報警限值，當出現(xiàn)被監(jiān)控點位數據異常時可自動發(fā)出報警信號，報警方式包括：現(xiàn)場多媒體聲光報警、網絡客戶端報警、電話語音報警、手機短信息報警等。上傳報警信息并進行本地及遠程監(jiān)測，系統(tǒng)可在不同的時刻通知不同的值班人員；

   4：數據集中器端提供具有信號輸出協(xié)議的端口，可接通信設備（GPRS IP MODEM等）進行無線傳輸。

   5：溫濕度監(jiān)控軟件采用標準windows 98/2000/XP全中文圖形界面，實時顯示、記錄各監(jiān)測點的溫濕度值和曲線變化，統(tǒng)計溫濕度數據的歷史數據、最大值、最小值及平均值，累積數據，報警畫面。

   6：監(jiān)控主機端利用監(jiān)控軟件可隨時打印每時刻的溫濕度數據及運行報告。

   7：強大的數據處理與通訊能力，采用計算機網絡通訊技術，局域網內的任何一臺電腦都可以訪問監(jiān)控電腦，在線查看監(jiān)控點位的溫濕度變化情況，實現(xiàn)遠程監(jiān)測。系統(tǒng)不但能夠在值班室監(jiān)測，領導在自己辦公室可以非常方便地觀看和監(jiān)控。

   8：系統(tǒng)可擴充多種記錄數據分析處理軟件，能進行繪制棒圖、餅圖，進行曲線擬合等處理，可按TEXT格式輸出，也能進入EXCEL電子表格等office的軟件進行數據處理。

   9：控制軟件的編制采用軟件工程管理，開放性與可擴充性極強，由于采用硬件功能的軟件化的系統(tǒng)設計思想及系統(tǒng)硬件的模塊化、通訊網絡化設計，系統(tǒng)可根據需要升級軟件功能與擴展硬件種類。

   10：系統(tǒng)設計時預留有接口，可隨時增加減硬軟件設備，系統(tǒng)只要做少量的改動即可，可以在很短的時間內完成?？筛鶕吆头ㄒ?guī)的改變隨時增加新的內容。

2.2.4 數據中心網絡接入方式分析

1.專線接入

中心采用APN專線， 所有點都采用內網固定IP客戶中心通過一條2M APN專線接入移動公司GPRS網絡，雙方互聯(lián)路由器之間采用私有固定IP地址進行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯(lián)路由器之間采用GRE隧道。為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于GPRS專網的SIM卡才能進入專網APN，防止其他非法用戶的進入。

用戶在內部建立RADIUS服務器，作為內部用戶接入的遠程認證服務器（或在APN路由器內，啟用路由器本地認證功能）。只有通過認證的用戶才允許接入，用以保證用戶內部安全。

用戶在內部建立DHCP服務器（或在APN路由器內，啟用DHCP功能），為通過認證的用戶分配用戶內部地址。移動終端和服務器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進行隔離，并在防火墻上進行IP地址和端口過濾。此種方案無論實時性，安全性和穩(wěn)定性較前一種方案都有大大提高，適合于安全性要求較高、數據點比較多、實時性要求較高的應用環(huán)境。在資金允許的情況下之最佳組網方式。

2. ADSL撥號連接（動態(tài)公網IP地址）

中心采用ADSL等INTELNET公網連接，采用公網動態(tài)IP DNS解析服務的?？蛻粝扰cDNS服務商聯(lián)系開通動態(tài)域名，IP MODEM先采用域名尋址方式連接DNS服務器，再由DNS服務器找到中心公網動態(tài)IP，建立連接。此種方式可以大大節(jié)約公網固定IP的費用，但穩(wěn)定性受制于DNS服務器的穩(wěn)定，所以要尋找可靠的DNS服務商。此種方案適合小規(guī)模應用。

3. 通過固定公網IP連接

中心采用ADSL等INTELNET公網連接，采用公網固定IP服務的。此種方案先向INTERNET運營商申請ADSL等寬帶業(yè)務，中心有公網固定IP的。IP MODEM直接向中心發(fā)起連接。運行可靠穩(wěn)定，推薦此種方案.

   下圖為后臺中心管理軟件：

四、方案特點

  1 、傳輸模塊采用無線接入GPRS網絡，目前GPRS網絡在國內已經運營了十幾年，網絡穩(wěn)定，技術成熟，覆蓋率廣。

  2、傳輸模塊采用工業(yè)級ZigBee模塊，標準頻段IEEE802.15.4  ISM2.4GHz,通信距離90m,戶外通信距離800m,發(fā)射功率22dBm，接受靈敏度-104dBm；低功耗設計，支持多級休眠和喚醒模式，最大限度降低功耗，內置實時時鐘（RTC），支持定時開關機功能，定時關機狀態(tài)下功耗小于1mA。外接電源DC 12V/500mA（標準）；通信電流：50mA-80mA@12VDC、115-150mA@5VDC;待機狀態(tài)：20mA@12VDC、35mA@5VDC；休眠狀：8mA@12VDC、18mA@5VDC

工作環(huán)境溫度 -25~ 65?C;儲存溫度 -40~ 85?C;相對濕度 95%(無凝結);多重軟硬件看門狗設計。適用于戶外工作環(huán)境。   3、傳輸模塊具有可靠的網絡連接、智能防掉線、支持在線檢測、在線維護、掉掉線自動重拔，確保設備永遠在線，確保通信通道正常，為數據中心提供數據。   4、終端傳輸模塊支持多種激活方式，如語音電話、短信、數據等；終端設備故障或異常時，自動發(fā)短信報警信息給維護人員。   5、傳輸模塊采用主備份中心與中心自動恢復功能，并同時支持多中心并發(fā)功能（最多五個）。   6、及時響應，實時的遠程監(jiān)控，可以對故障做出及時的響應，從而大大降低故障帶來的經濟和其他方面的損失。   7、規(guī)范集中管理，及時跟蹤每個大棚信息情況。   8、四信可為客戶提供二次開發(fā)包和多語言版本數據中心服務器軟件以便客戶的需要進行二次開發(fā)；同時針對客戶的需求，提供多種技術支持，包括產品網絡組網方案設計、技術人員技術培訓、軟件開發(fā)全程技術配合、設備現(xiàn)場調試技術支持等服務

五、小結

大棚種植應用越來越廣泛，實現(xiàn)了高效率的農業(yè)生產，借助無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)很好的解決了大棚種植維護難的現(xiàn)象。無線遠程監(jiān)控的應用在大棚種植領域得到了充分的體現(xiàn)，相信無線監(jiān)控的應用在其他領域也會得到更多的應用，物聯(lián)網的價值在不斷的體現(xiàn)。