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農業溫室大棚環境監測系統

nongye

一，概述

近年來，農業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。種植環境中的溫度、濕度、光照度、土壤濕度、CO2濃度等環境因子對作物的生產有很大的影響。傳統的人工控制方式難以達到科學合理種植的要求，目前國內可以實現上述環境因子自動監控的系統還不多見，而引進國外具有多功能的大型連棟溫室控制系統價格昂貴，不適合國情。

針對目前農業溫室大棚發展的趨勢，提出了一種大棚遠程監控系統的設計。根據大棚監控的特殊性，需要傳輸大棚現場參數給管理者，并把管理者的命令下發到現場執行設備，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域大棚的實時狀況。基于WBee的農業溫室大棚智能監控管理系統使這些成為可能。

二，WBee簡介

WBee是什么？

WBee （wireless bee）即無線蜂窩網絡，是一款類似于zigbee 產品。是一款小數據量，短距離，自組網，低復雜度，無線傳輸設備。同時他還加載了采集數據單元并采用了433MHZ的全球免授權頻段代替2.4G頻段大大增加了傳輸距離，主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，WBee就是一種便宜的，低功耗,靈活自組網，低復雜度，帶采集功能，相對較遠距離傳輸的無線組網通訊產品。

是一款新興的短距離、低速率、低功耗，自組網，低復雜度的zigbee模塊同時它又帶采集功能和放大傳輸距離的無線網絡傳輸模塊。它是廈門為那通信科技有限公司根據十幾年行業用戶應用和需求，主打的一款新型的ZigBee產品。主要用于相對較遠距離的無線連接。它有自己的無線電標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。這些傳感器只需要很低的功耗，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，因此它們的通信效率非常高。最后，這些數據就可以進入計算機用于分析或者被另外一種無線技術如WiMax收集。

WBee的工作原理

也是一種自組網的網絡通信方式，主要用3種工作模式，分別為協調器（中心節點），路由（中繼器），終端（節點）。所以WBee工作中至少要有一個協調器和一個終端或是路由。才能正常工作，互相通信。

自組網采用動態路由的方式進行網絡傳輸，動態路由是指網絡中數據傳輸的路徑并不是預先設定的，而是傳輸數據前，通過對網絡當時可利用的所有路徑進行搜索，分析它們的位置關系以及遠近，然后選擇其中的一條路徑進行數據傳輸。在我們的網絡管理軟件中，路徑的選擇使用的是“梯度法”，即先選擇路徑最近的一條通道進行傳輸，如傳不通，再使用另外一條稍遠一點的通路進行傳輸，以此類推，直到數據送達目的地為止。在實際工業現場，預先確定的傳輸路徑隨時都可能發生變化，或者因各種原因路徑被中斷了，或者過于繁忙不能進行及時傳送。動態路由結合網狀拓撲結構，就可以很好解決這個問題，從而保證數據的可靠傳輸。

WBee的優勢

軟件	網絡功能	通信協議	根據10幾年行業經驗和用戶需求自主開發通信協議：靈活多變，穩定可靠，安全性高，
		網絡制式	433M 國際標準免授權頻段
		協議機制	采用IPV6通信協議，無限制節點數量，理論最大值65535
	安全可靠	數據加密	支持3種加密協議：AES，DES，3DES。數據傳輸安全，防止數據傳輸中被竊取，監聽，數據安全可靠。
	超強傳輸距離	最大可視距離	>=4000米
	超強傳輸距離	復雜城市中心最大距離	>=1000米
硬件	接口	串口類型	接口豐富，支持RS232,RS485，TTL，RS422等多種通信方式；支持多路IO 輸入輸出或是AD 采集接口共用，可自定義設置任意單路或是多路接口定義。靈活多變，互不干擾。
	接口	本地配置	支持本地主備串口通信，主串口通信，備用串口配置。方便用戶在不用切換通信模式，就能快速修改配置參數，不影響數據的正常傳輸。
	指示燈	信號燈	可通過本地信號燈閃爍顏色，簡易快速判斷信號強度。
	指示燈	狀態燈	可通過狀態燈閃爍顏色，預警通知，直觀方便用戶快速了解設備運行狀態及問題故障。

三, WBee特性：

引腳	信號名稱	描述
1
2	RXD	接收數據
3	TXD	發送數據
4
5	GND	數字地
6
7
8
9

電源接口

四，WBee應用方案

WBee溫室大棚智能監控系統方案

一，系統實現方案

隨著智能控制的發展，溫室大棚的控制系統向著越來越先進、功能越來越完備的方向發展。新的大棚智能控制系統采用WBee進行組網，把溫濕度等環境參數自動采集匯總到服務器。新的控制系統并運用模糊控制技術使溫室大棚環境達到最佳的生長狀態。在溫室自動控制技術和生產實際的基礎上，通過總結、收集農業領域知識、技術和各種實驗數據構造專家系統，以建立植物生長的數學模型為理論依據，研究開發出的一種適合不同農作物生長的溫室專家智能控制系統技術。它可以利用各類傳感器測量溫室大棚的溫度、濕度、光照強度等環境因子，并能對環境因子進行控制，以基于作物和環境信息的知識的專家決策系統為依托，實現利用智能化和信息化的溫室大棚智能監控系統。

以一個溫室大棚中的智能監控系統為例。每一個大棚需要采集4組數據，每一組數據包括大棚內的溫度、濕度、光照度和CO2濃度。溫度大棚的數據采集是通過大棚內的溫度、濕度、光強度和CO2濃度數據。數據采集模塊有單片機分時對各個監控點進行巡回檢測。主控芯片對數據進行濾波處理后打包送至無線網絡的子節點。其數據采集結構如圖所示：

單片機將大棚內的4種環境參數信息傳輸到無線網絡中的子節點，子節點每隔一定的時間輪流向主節點發送信息。主節點組建了基于WBee技術的星型網絡拓撲結構，主節點在星型網絡中充當協調器的角色，協調器主要實現對整個網絡的管理以及接受子節點轉發的數據等功能；各子節點具有數據采集和轉發的功能，可以將大棚內溫濕度數據，空氣中光照含量，CO2濃度這些農作物生長的環境信息采集過來，該設備節點安裝在溫室大棚內。

主節點收到數據之后將各節點的數據給智能監控系統的控制中心，負責對大棚內的各個執行機構進行控制，從而啟動控制增溫降溫、加溫除濕、遮陽補光等調控設備，按不同環境要求調控與協調溫室大棚的環境適應不同的作物的成長需求。

為了更方便清晰的掌握溫室大棚作物的環境參數情況，選用工業組態軟件作為上位機組態開發平臺，通過數據流連接和設置，可以實現上位界面和無線收發模塊的實時通信，另外可以通過遠程監控界面在IE瀏覽器上直接查看溫室大棚作物的生長情況。

五，應用方案優勢

1. 安裝簡單

通過zigbee無線進行環境參數的采集，可以大大減低有線組網布線的麻煩，不需要在土壤中鋪設大量的線纜，不影響作物的耕作。安裝簡易，并且可以靈活移動zigbee采集節點的位置。

2. 遠程監控

通過互聯網，在家里就可以遠程檢測和控制溫室大棚的生長環境，而不用親臨現場進行手動控制。而且可以把作物的生長環境情況存儲于云端，可以用于農作物的生長分析，得到農作物的最佳生長環境。

3. 高度拓展性

如果現有的環境因子采集節點不夠，可以隨時增加，很快加入到WBee采集網絡中，即裝即用，而不用布線等復雜的安裝流程。

4. 維護方便

當大棚內的硬件系統出現問題時，維修人員可以快速展開工作排查故障，定位故障節點，快速解決問題，保證系統的安全運行。

六，結論

我國是一個農業大國，提高單位面積的作物的產量、生產優質農產品是現階段農業發展的迫切要求。溫室大棚是一種可以改變植物生長環境，根據作物的生長的最佳生長條件，調節溫室氣候，能夠避免外界四季變化和惡劣氣候對其影響的場所，是實現高產、優質農業的一個重要的組成部分。溫室結構的建造標準是既能密封保溫，又便于通風降溫。但是作物要實現高產、優質、僅僅靠溫室保溫是不行的，需要對農作物的生長環境進行多方位多點的精確采集和實時的控制。

與普通的溫室大棚相比，數字化精準農業溫室大棚不僅能夠種植優質高產反季節作物，而且將電子、計算機、通信和自動化控制等技術引入到本領域中。數字化精準農業溫室大棚系統，可以定量獲取和分析農業環境的多種參數，實現對環境的多點檢測，其檢測目標可以是溫度、濕度、光照、振動、壓力、水/土壤空氣成分等，通過WBee無線通信把溫室大棚的各種參數匯總到服務器，服務器再通過執行結構去調節大棚的溫度、濕度等參數。從而能對大棚內各個環境參數達到良好的檢測，協調控制大棚的環境參數。

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