ZigBee無線農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)方案
一、項(xiàng)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(yīng)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(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，目前國內(nèi)可以實(shí)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(jìn)國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(shè)計(jì)。根據(jù)大棚智能監(jiān)控的特殊性，需要傳輸大棚現(xiàn)場參數(shù)給管理者，并把管理者的命令下發(fā)到現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備，同時又要使上級部門可隨時通過互連網(wǎng)或者手機(jī)信息了解區(qū)域大棚的實(shí)時狀況?；贕PRS的智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)使這些成為可能
二、項(xiàng)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(fù)責(zé)24小時采集溫室內(nèi)溫度、濕度、光照、土壤溫度、土壤濕度、CO2濃度、葉面濕度、露點(diǎn)溫度等環(huán)境參數(shù)。
2.1.2無線傳輸設(shè)備
前端采用四信F8914 ZigBee終端，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(shè)備一般為終端節(jié)點(diǎn)，完成信息的發(fā)送和接收。實(shí)物如圖1
ZigBee中心節(jié)點(diǎn)采用四信F8114 ZigBee+GPRS模塊，中心節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)可以通過串口直接是輸出到服務(wù)器上（前端與服務(wù)器的距離較近）；還可有通過GPRS把其收到的數(shù)據(jù)發(fā)送的遠(yuǎn)端的服務(wù)器上，GPRS部分采用國際標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP通信協(xié)議，且兩種方式都是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(diǎn)一個，節(jié)約了成本。實(shí)物如圖2
2.1.3數(shù)據(jù)管理中心
數(shù)據(jù)中心對現(xiàn)場實(shí)時采集的溫室內(nèi)溫度、濕度、光照、土壤溫度、土壤濕度、CO2濃度、葉面濕度、露點(diǎn)溫度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析處理，不僅進(jìn)行完成的統(tǒng)計(jì)做出相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)報(bào)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(jù)種植作物的需求提供各種聲光報(bào)警信息。當(dāng)溫濕度超過設(shè)定值的時候，自動開啟或者關(guān)閉指定設(shè)備。
2.2 系統(tǒng)總架構(gòu)
2.2.1 F8914 --- F8914組網(wǎng)
F8914（前端）通過標(biāo)準(zhǔn)的232/485與路燈監(jiān)控一級終端里的PLC連接通信，獲取的數(shù)據(jù)直接通過2.4G頻率發(fā)送到F8914(中心節(jié)點(diǎn))。F8914(中心節(jié)點(diǎn))通過串口與服務(wù)器連接，把數(shù)據(jù)送到后臺，后臺管理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖3所示
2.2.2 F8914----F8114組網(wǎng)
2.2.2.1 原理框架
F8114首先進(jìn)行GPRS撥號上網(wǎng)，然后自動向數(shù)據(jù)管理中心發(fā)起TCP連接，握手成功后開始數(shù)據(jù)透明傳輸。路燈監(jiān)控終端把數(shù)據(jù)集中采集通過PLC把數(shù)據(jù)傳給F8914，F(xiàn)8914接到數(shù)據(jù)后即時的將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到F8114。F8114通過GPRS數(shù)據(jù)管理中心將上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出直觀的結(jié)果和相應(yīng)的指令通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給F8114，再通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到F8914即時通過232/485傳送給采集端，采集端根據(jù)指令對相應(yīng)的控制處理。如圖4所示
2.2.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能
1：可在線實(shí)時24小時連續(xù)的采集和記錄監(jiān)測點(diǎn)位的溫度、濕度、風(fēng)速、二氧化碳、光照、空氣潔凈度、供電電壓電流等各項(xiàng)參數(shù)情況，以數(shù)字、圖形和圖像等多種方式進(jìn)行實(shí)時顯示和記錄存儲監(jiān)測信息，監(jiān)測點(diǎn)位可擴(kuò)充多達(dá)上千個點(diǎn)。
2：可設(shè)定各監(jiān)控點(diǎn)位的溫濕度報(bào)警限值，當(dāng)出現(xiàn)被監(jiān)控點(diǎn)位數(shù)據(jù)異常時可自動發(fā)出報(bào)警信號，報(bào)警方式包括：現(xiàn)場多媒體聲光報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)客戶端報(bào)警、電話語音報(bào)警、手機(jī)短信息報(bào)警等。上傳報(bào)警信息并進(jìn)行本地及遠(yuǎn)程監(jiān)測，系統(tǒng)可在不同的時刻通知不同的值班人員；
3：數(shù)據(jù)集中器端提供具有信號輸出協(xié)議的端口，可接通信設(shè)備（GPRS IP MODEM等）進(jìn)行無線傳輸。
4：溫濕度監(jiān)控軟件采用標(biāo)準(zhǔn)windows 98/2000/XP全中文圖形界面，實(shí)時顯示、記錄各監(jiān)測點(diǎn)的溫濕度值和曲線變化，統(tǒng)計(jì)溫濕度數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)、最大值、最小值及平均值，累積數(shù)據(jù)，報(bào)警畫面。
5：監(jiān)控主機(jī)端利用監(jiān)控軟件可隨時打印每時刻的溫濕度數(shù)據(jù)及運(yùn)行報(bào)告。
6：強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與通訊能力，采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，局域網(wǎng)內(nèi)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(diǎn)位的溫濕度變化情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。系統(tǒng)不但能夠在值班室監(jiān)測，領(lǐng)導(dǎo)在自己辦公室可以非常方便地觀看和監(jiān)控。
7：系統(tǒng)可擴(kuò)充多種記錄數(shù)據(jù)分析處理軟件，能進(jìn)行繪制棒圖、餅圖，進(jìn)行曲線擬合等處理，可按TEXT格式輸出，也能進(jìn)入EXCEL電子表格等office的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
8：控制軟件的編制采用軟件工程管理，開放性與可擴(kuò)充性極強(qiáng)，由于采用硬件功能的軟件化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想及系統(tǒng)硬件的模塊化、通訊網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可根據(jù)需要升級軟件功能與擴(kuò)展硬件種類。
9：系統(tǒng)設(shè)計(jì)時預(yù)留有接口，可隨時增加減硬軟件設(shè)備，系統(tǒng)只要做少量的改動即可，可以在很短的時間內(nèi)完成?？筛鶕?jù)政策和法規(guī)的改變隨時增加新的內(nèi)容。
2.2.4 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)接入方式分析
1.專線接入
中心采用APN專線， 所有點(diǎn)都采用內(nèi)網(wǎng)固定IP客戶中心通過一條2M APN專線接入移動公司GPRS網(wǎng)絡(luò)，雙方互聯(lián)路由器之間采用私有固定IP地址進(jìn)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?jiān)揂PN。用于GPRS專網(wǎng)的SIM卡才能進(jìn)入專網(wǎng)APN，防止其他非法用戶的進(jìn)入。
用戶在內(nèi)部建立RADIUS服務(wù)器，作為內(nèi)部用戶接入的遠(yuǎn)程認(rèn)證服務(wù)器（或在APN路由器內(nèi)，啟用路由器本地認(rèn)證功能）。只有通過認(rèn)證的用戶才允許接入，用以保證用戶內(nèi)部安全。
用戶在內(nèi)部建立DHCP服務(wù)器（或在APN路由器內(nèi)，啟用DHCP功能），為通過認(rèn)證的用戶分配用戶內(nèi)部地址。移動終端和服務(wù)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(jìn)行隔離，并在防火墻上進(jìn)行IP地址和端口過濾。此種方案無論實(shí)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(shù)據(jù)點(diǎn)比較多、實(shí)時性要求較高的應(yīng)用環(huán)境。在資金允許的情況下之最佳組網(wǎng)方式。
2. ADSL撥號連接（動態(tài)公網(wǎng)IP地址）
中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)動態(tài)IP+DNS解析服務(wù)的。客戶先與DNS服務(wù)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(wù)器，再由DNS服務(wù)器找到中心公網(wǎng)動態(tài)IP，建立連接。此種方式可以大大節(jié)約公網(wǎng)固定IP的費(fèi)用，但穩(wěn)定性受制于DNS服務(wù)器的穩(wěn)定，所以要尋找可靠的DNS服務(wù)商。此種方案適合小規(guī)模應(yīng)用。
3. 通過固定公網(wǎng)IP連接
中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP服務(wù)的。此種方案先向INTERNET運(yùn)營商申請ADSL等寬帶業(yè)務(wù)，中心有公網(wǎng)固定IP的。IP MODEM直接向中心發(fā)起連接。運(yùn)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(diǎn)
1 、傳輸模塊采用無線接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，目前GPRS網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)已經(jīng)運(yùn)營了十幾年，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，技術(shù)成熟，覆蓋率廣。
2、傳輸模塊采用工業(yè)級ZigBee模塊，標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)，支持多級休眠和喚醒模式，最大限度降低功耗，內(nèi)置實(shí)時時鐘（RTC），支持定時開關(guān)機(jī)功能，定時關(guān)機(jī)狀態(tài)下功耗小于1mA。外接電源DC 12V/500mA（標(biāo)準(zhǔn)）；通信電流：50mA-80mA@12VDC、115-150mA@5VDC;待機(jī)狀態(tài)：20mA@12VDC、35mA@5VDC；休眠狀：8mA@12VDC、18mA@5VDC；工作環(huán)境溫度 -25~+65ºC;儲存溫度 -40~+85ºC;相對濕度 95%(無凝結(jié));多重軟硬件看門狗設(shè)計(jì)。適用于戶外工作環(huán)境。
3、傳輸模塊具有可靠的網(wǎng)絡(luò)連接、智能防掉線、支持在線檢測、在線維護(hù)、掉掉線自動重拔，確保設(shè)備永遠(yuǎn)在線，確保通信通道正常，為數(shù)據(jù)中心提供數(shù)據(jù)。
4、終端傳輸模塊支持多種激活方式，如語音電話、短信、數(shù)據(jù)等；終端設(shè)備故障或異常時，自動發(fā)短信報(bào)警信息給維護(hù)人員。
5、傳輸模塊采用主備份中心與中心自動恢復(fù)功能，并同時支持多中心并發(fā)功能（最多五個）。
6、及時響應(yīng)，實(shí)時的遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以對故障做出及時的響應(yīng)，從而大大降低故障帶來的經(jīng)濟(jì)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(shù)據(jù)中心服務(wù)器軟件以便客戶的需要進(jìn)行二次開發(fā)；同時針對客戶的需求，提供多種技術(shù)支持，包括產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)、技術(shù)人員技術(shù)培訓(xùn)、軟件開發(fā)全程技術(shù)配合、設(shè)備現(xiàn)場調(diào)試技術(shù)支持等服務(wù)
五、小結(jié)
大棚種植應(yīng)用越來越廣泛，實(shí)現(xiàn)了高效率的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，借助無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)很好的解決了大棚種植維護(hù)難的現(xiàn)象。無線遠(yuǎn)程監(jiān)控的應(yīng)用在大棚種植領(lǐng)域得到了充分的體現(xiàn)，相信無線監(jiān)控的應(yīng)用在其他領(lǐng)域也會得到更多的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值在不斷的體現(xiàn)。
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