基于ZigBee技術(shù)的現代農業(yè)大棚

一概述

“物聯(lián)網(wǎng)”被稱(chēng)為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。業(yè)內專(zhuān)家認為，物聯(lián)網(wǎng)一方面可以提高經(jīng)濟效益，大大節約成本；另一方面可以為全球經(jīng)濟的復蘇提供技術(shù)動(dòng)力。目前，美國、歐盟、中國等都在投入巨資深入研究探索物聯(lián)網(wǎng)。我國也正在高度重視物聯(lián)網(wǎng)的研究，工業(yè)和信息化部會(huì )同有關(guān)部門(mén)，在新一代信息技術(shù)方面正在開(kāi)展研究，以形成支持新一代信息技術(shù)發(fā)展的政策措施。

智能控制是為了達到節能、舒適、便利的目的，要求對市政、家庭、農業(yè)等的智能控制和監視制定細致的策略和方案。但是，傳統的智能控制系統由于很多因素的制約，很難達到要求。為了解決這些問(wèn)題，業(yè)界嘗試了很多辦法，但基本上都屬于封閉式的，多采用私有協(xié)議，彼此間難以互通，導致結構不透明，靈活性、擴充性不佳。從長(cháng)遠看，智能控制系統的發(fā)展趨勢是走向開(kāi)放，尤其是智能控制與互聯(lián)網(wǎng)的融合是其中一個(gè)重要發(fā)展趨勢。

智能農業(yè)控制通過(guò)實(shí)時(shí)采集農業(yè)大棚內溫度、濕度信號以及光照、土壤溫度、土壤水分等環(huán)境參數，自動(dòng)開(kāi)啟或者關(guān)閉指定設備?？梢愿鶕脩?hù)需求，隨時(shí)進(jìn)行處理，為農業(yè)生態(tài)信息自動(dòng)監測、對設施進(jìn)行自動(dòng)控制和智能化管理提供科學(xué)依據。

大棚監控及智能控制解決方案是通過(guò)光照、溫度、濕度等無(wú)線(xiàn)傳感器，對農作物溫室內的溫度，濕度信號以及光照、土壤溫度、土壤含水量、CO濃度等環(huán)境參數進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，自動(dòng)開(kāi)啟或者關(guān)閉指定設備(如遠程控制澆灌、開(kāi)關(guān)卷簾等)。

二項目需求

在每個(gè)智能農業(yè)大棚內部署空氣溫濕度傳感器2只，用來(lái)監測大棚內空氣溫度、空氣濕度參數；每個(gè)農業(yè)大棚內部署土壤溫度傳感器2只、土壤濕度傳感器2只、光照度傳感器2只，用來(lái)監測大棚內土壤溫度、土壤水分、光照度等參數。所有傳感器一律采用直流24V電源供電，大棚內僅需提供交流220V市電即可。

每個(gè)農業(yè)大棚園區部署1套采集傳輸設備（包含中心節點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)3G路由器、無(wú)線(xiàn)3G網(wǎng)卡等），用來(lái)傳輸園區內各農業(yè)大棚的傳感器數據、設備控制指令數據等到internet上與平臺服務(wù)器交互。

在每個(gè)需要智能控制功能的大棚內安裝智能控制設備1套（包含一體化控制器、擴展控制配電箱、電磁閥、電源轉換適配設備等），用來(lái)傳遞控制指令、響應控制執行設備。實(shí)現對大棚內的電動(dòng)卷簾、智能?chē)娝?、智能通風(fēng)等行為的實(shí)現。

三系統架構設計

(1) 總體架構

系統的總體架構分為傳感信息采集、視頻監控、智能分析和遠程控制四部分。

(2) 系統中包括兩個(gè)部分：

■ Zigbee中心節點(diǎn) ；

■ 邊緣網(wǎng)關(guān)；（比如以太網(wǎng)，GPRS模塊，兩著(zhù)結合起來(lái)可以實(shí)現數據的遠距離傳輸。）

(3) 傳感信息采集：

數據采集系統，主要負責溫室內部光照、溫度、濕度和土壤含水量以及視頻等數據的采集和控制。數據傳感器的上傳采用ZigBee和Rs485兩種模式。

在Zigbee傳輸模式中，傳感器數據通過(guò)Zigbee發(fā)送模塊傳送到Zigbee中心節點(diǎn)上，用戶(hù)終端和一體化控制器間傳送的控制指令也通過(guò)Zigbee發(fā)送模塊傳送到中心節點(diǎn)上，省去了通訊線(xiàn)纜的部署工作。中心節點(diǎn)再經(jīng)過(guò)邊緣網(wǎng)關(guān)將傳感器數據、控制指令發(fā)送到上位機的業(yè)務(wù)平臺。用戶(hù)可以通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )/無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)上位機系統業(yè)務(wù)平臺，實(shí)時(shí)監測大棚現場(chǎng)的傳感器參數，控制大棚現場(chǎng)的相關(guān)設備。Zigbee模式具有部署靈活、擴展方便等優(yōu)點(diǎn)。

四大棚現場(chǎng)布點(diǎn)

大棚現場(chǎng)主要負責大棚內部環(huán)境參數的采集和控制設備的執行，采集的數據主要包括農業(yè)生產(chǎn)所需的光照、空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤水分等數值。

傳感器的數據上傳有Zigbee模式和RS485模式兩種，RS485模式中數據信號通過(guò)有線(xiàn)的方式傳送，涉及大量的通訊布線(xiàn)。在Zigbee傳輸模式中，傳感器數據通過(guò)Zigbee發(fā)送模塊傳送到Zigbee中心節點(diǎn)上，用戶(hù)終端和一體化控制器間傳送的控制指令也通過(guò)Zigbee發(fā)送模塊傳送到中心節點(diǎn)上，省卻了通訊線(xiàn)纜的部署工作。中心節點(diǎn)再經(jīng)過(guò)邊緣網(wǎng)關(guān)將傳感器數據、控制指令封裝并發(fā)送到位于internet上的系統業(yè)務(wù)平臺。用戶(hù)可以通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )/無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)系統業(yè)務(wù)平臺，實(shí)時(shí)監測大棚現場(chǎng)的傳感器參數，控制大棚現場(chǎng)的相關(guān)設備。Zigbee模式具有部署靈活、擴展方便等優(yōu)點(diǎn)。

控制系統主要由一體化控制器、執行設備和相關(guān)線(xiàn)路組成，通過(guò)一體化控制器可以自由控制各種農業(yè)生產(chǎn)執行設備，包括噴水系統和空氣調節系統等，噴水系統可支持噴淋、滴灌等多種設備，空氣調節系統可支持卷簾、風(fēng)機等設備。

采集傳輸部分主要將設備采集到的數值傳送到服務(wù)器上，現有大棚設備支持3G、有線(xiàn)等多種數據傳輸方式，在傳輸協(xié)議上支持IPv4現網(wǎng)協(xié)議及下一代互聯(lián)網(wǎng)IPv6協(xié)議。

業(yè)務(wù)平臺負責對用戶(hù)提供智能大棚的所有功能展示，主要功能包括環(huán)境數據監測、數據空間/時(shí)間分布、歷史數據、超閾值告警和遠程控制五個(gè)方面。用戶(hù)還可以根據需要添加視頻設備實(shí)現遠程視頻監控功能。數據空間/時(shí)間分布將系統采集到的數值通過(guò)直觀(guān)的形式向用戶(hù)展示時(shí)間分布狀況（折線(xiàn)圖）和空間分布狀況（場(chǎng)圖）、歷史數據可以向用戶(hù)提供歷史一段時(shí)間的數值展示；超閾值告警則允許用戶(hù)制定自定義的數據范圍，并將超出范圍的情況反映給用戶(hù)。

五數據采集設備

項目涉及傳感網(wǎng)絡(luò )模塊和采集傳輸模塊，各個(gè)模塊包含的主要設備如下：