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)旨在通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境實時感知、數(shù)據(jù)自動統(tǒng)計、設(shè)備遠程控制、設(shè)備自動控制、自動報警、視頻監(jiān)控等功能，幫助大棚種植實現(xiàn)數(shù)字化和自動化，實現(xiàn)無人值守、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大棚種植環(huán)境進行實時感知，通過無線信息傳輸節(jié)點將數(shù)字信號傳輸?shù)较到y(tǒng)后臺，經(jīng)過服務(wù)器處理后形成圖形化顯示輸出。系統(tǒng)提供各種統(tǒng)計功能并支持數(shù)據(jù)導(dǎo)出，能夠針對指標超標等情況自動報警，當環(huán)境指標超標時能夠自動開啟和關(guān)閉風機、電磁閥、遮陽板等設(shè)備以實現(xiàn)智能化。

2.系統(tǒng)優(yōu)勢

2.1精確掌握環(huán)境指標，取代“憑感覺”

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)依靠的是人工對環(huán)境信息的感知，對作物生長的環(huán)境無法量化，因而難以將作物生長的最優(yōu)條件總結(jié)出來，更加難以復(fù)制；此外，人工無法實現(xiàn)24小時的現(xiàn)場管理，難以實時地掌握作物生長條件。智能大棚種植通過傳感器將環(huán)境信息轉(zhuǎn)化成標準的數(shù)字信號并定期采樣存儲在數(shù)據(jù)庫中，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境信號的實時采集和統(tǒng)計輸出，能夠“精確”、“全面”地掌握環(huán)境信息，實現(xiàn)精準的農(nóng)業(yè)管理。

2.2隨時隨地掌握現(xiàn)場信息，隨時隨地控制現(xiàn)場設(shè)備

系統(tǒng)支持手機遠程登錄，用戶可以在任何時間、任何地點（只要手機能上網(wǎng)）了解大棚內(nèi)部的環(huán)境信息、視頻影像，并且可以手動指揮現(xiàn)場設(shè)備，如噴淋設(shè)備、風機、遮陽板、燈光等等。同時，一人可以同時管理多個大棚，為客戶節(jié)省了大量的人力。

2.3自動調(diào)節(jié)各項指標，為作物提供最“舒適”、最穩(wěn)定的生長環(huán)境

智能大棚系統(tǒng)得到環(huán)境數(shù)據(jù)后，自動與設(shè)定的指標閾值進行比對，當超出正常范圍時，自動啟動相關(guān)設(shè)備進行現(xiàn)場操作，例如，當大棚內(nèi)溫度過高時，自動啟動風機設(shè)備對大棚進行降溫，當土壤濕度過低時自動開啟灌溉設(shè)備對作物進行灌溉。自動化控制可以為作物提供最“舒適”和最穩(wěn)定的生長環(huán)境，幫農(nóng)場提高產(chǎn)量、減少人力、形成標準流程，方便總結(jié)和傳播生產(chǎn)經(jīng)驗。

2.4形成標準化種植經(jīng)驗，方便大規(guī)模復(fù)制

傳統(tǒng)大棚的管理依賴管理人員豐富的經(jīng)驗，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，而智能大棚通過自動控制等手段降低了對人員的依賴，使工作變得簡單、標準，方便迅速擴大規(guī)模。

優(yōu)勢對比：

3.系統(tǒng)功能

系統(tǒng)的主要功能包括：環(huán)境指標的遠程監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計輸出、超過閾值的自動報警、現(xiàn)場設(shè)備的遠程控制、現(xiàn)場設(shè)備的自動控制等。

3.1環(huán)境指標的遠程監(jiān)測

安插在大棚內(nèi)的各種傳感器設(shè)備不間斷地采集周圍的環(huán)境信息并通過數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點上傳給服務(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。用戶還可以根據(jù)需要選擇其他各種傳感器。當客戶通過瀏覽器訪問服務(wù)器時，軟件系統(tǒng)以圖形化的界面顯示當前指標，系統(tǒng)每隔一段時間刷新一次，刷新時間可以用戶自定義，當間隔時間足夠短時，即實現(xiàn)了實時監(jiān)測。

圖形化遠程監(jiān)測界面（以空氣濕度為例）

數(shù)值式遠程監(jiān)測界面（以空氣濕度為例）

3.2歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計輸出

用戶可以自行定義各種指標的存儲時間間隔，例如每隔一個小時存儲一次數(shù)據(jù)，則過去一天的歷史數(shù)據(jù)將由24個點組成，同理，用戶也可以選擇每隔10分鐘甚至1分鐘存儲一次數(shù)據(jù)。

當客戶需要查詢歷史數(shù)據(jù)時，在系統(tǒng)輸入查詢條件，即可看到該范圍內(nèi)的指標變化情況，以曲線的形式輸出。

自動繪制變化曲線

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超過閾值的自動報警

用戶可以針對每個指標設(shè)定上限值和下限值，當檢測到的數(shù)據(jù)超過范圍時，可通過三種方式進行報警。

※監(jiān)測界面的紅色提示。當某項指標超標時，界面上將出現(xiàn)紅色“上限異常”、“下限異常”等字樣，提醒管理人員。

監(jiān)測界面報警

※短信報警。系統(tǒng)初始化時，留有被報警人的手機號碼，當環(huán)境信息出現(xiàn)異常時，將自動發(fā)送報警短信至該號碼，提醒狀態(tài)異常。

短信報警

※統(tǒng)計報表中的狀態(tài)提示。系統(tǒng)在統(tǒng)計報表中對異常值進行狀態(tài)說明，提醒管理人員該指標的歷史異常情況。

統(tǒng)計報表中的提示

3.4現(xiàn)場設(shè)備的遠程控制

常用的現(xiàn)場設(shè)備包括風機、遮陽板、電磁閥（水閥）、燈光等，這些設(shè)備均可以通過信號線進行控制，服務(wù)器發(fā)送的指令被轉(zhuǎn)化成控制信號后即可實現(xiàn)遠程啟動/關(guān)閉現(xiàn)場設(shè)備的運轉(zhuǎn)。

用戶通過點擊界面上的按鈕即可完成啟動/關(guān)閉現(xiàn)場設(shè)備的指令發(fā)送。

遠程控制界面

3.5現(xiàn)場設(shè)備的自動控制

除了手工進行指令的發(fā)送之外，系統(tǒng)還能夠根據(jù)檢測到的環(huán)境指標進行自動控制現(xiàn)場設(shè)備的啟動/關(guān)閉。用戶可以自定義溫濕度、光照、CO2濃度等指標的上限值、下限值，并定義當指標超過上限或者下限時，現(xiàn)場設(shè)備如何響應(yīng)（啟動/關(guān)閉）；此外，用戶可以設(shè)置觸發(fā)后的設(shè)備工作時間。

優(yōu)勢：

※自動控制和手動控制間自由切換

※可自定義設(shè)備開/關(guān)邏輯

※可控制設(shè)備自動工作時間

自動控制邏輯設(shè)置

自動控制上下限設(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)備實現(xiàn)對周圍環(huán)境和大棚內(nèi)情況的監(jiān)控。通過硬盤錄像機可以實現(xiàn)視頻信息的長期存儲和方便調(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、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。一般說來，可以把傳感器看作由敏感元件（有時又稱為預(yù)變換器）和變換元件（有時又稱為變換器）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，將被測量的非電學量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號。

4.2信息的傳輸

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

①低功耗。在低耗電待機模式下,2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月，甚至更長。這是Zigbee的突出優(yōu)勢。相比較，藍牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時。

②低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4KB代碼，而且Zigbee免協(xié)議費。每塊芯片的價格大約為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)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。

⑤短時延。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)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需要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)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理,最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)。

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

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)，無需安裝客戶端，采用瀏覽器直接訪問，能夠最大程度地減少客戶對訪問硬件的依賴，提高使用的便捷性。

B/S架構(gòu)

該系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境采用Java2Platform，EnterpriseEdition(J2EE)，J2EE是一組協(xié)調(diào)規(guī)范與實踐，它們組合起來，能夠?qū)崿F(xiàn)用于開發(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獨立性、開發(fā)簡單、可移植性好、可被多用戶并發(fā)等優(yōu)點。

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、儲藏保鮮、運輸銷售、凈菜配送于一體的綜合性企業(yè)，現(xiàn)有110余畝有機蔬菜示范園。

農(nóng)場遠景

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

無線信號傳輸節(jié)點

5.3可遠程控制的現(xiàn)場設(shè)備。淋灌設(shè)備、風扇設(shè)備、遮陽板設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備。

可遠程控制的噴淋設(shè)備

可遠程控制的風機設(shè)備

可遠程控制的遮陽板設(shè)備