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    解決方案solution

    ZigBee無線農業大棚監控系統方案
    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。種植環境中的溫度、濕度、光照度、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。

        針對目前大棚發展的趨勢,提出了一種大棚智能監控系統的設計。根據大棚智能監控的特殊性,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?;贕PRS的智能大棚監控系統使這些成為可能

    二、項目分析

    2.1  系統組成

    2.1.1大棚現場采集控制終端


        大棚現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、露點溫度等環境參數。

    大棚監控


    2.1.2無線傳輸設備

        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。該型號設備一般為終端節點,完成信息的發送和接收。實物如圖1

    zigbeeF8914


        ZigBee中心節點采用四信F8114 ZigBee+GPRS模塊,中心節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把其收到的數據發送的遠端的服務器上,GPRS部分采用國際標準TCP/IP通信協議,且兩種方式都是實現數據透明傳輸功能。省去了每個終端的GPRS模塊,只需要中心節點一個,節約了成本。實物如圖2
    \
     
    2.1.3數據管理中心


        數據中心對現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、露點溫度等環境參數進行分析處理,不僅進行完成的統計做出相應的統計報表,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 系統總架構

    2.2.1   F8914 --- F8914組網


        F8914(前端)通過標準的232/485與路燈監控一級終端里的PLC連接通信,獲取的數據直接通過2.4G頻率發送到F8914(中心節點)。F8914(中心節點)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
    zigbeeF8914組網圖

    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起TCP連接,握手成功后開始數據透明傳輸。路燈監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
     zigbeeF8114組網圖

    2.2.3系統實現功能

        1:可在線實時24小時連續的采集和記錄監測點位的溫度、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測信息,監測點位可擴充多達上千個點。

        2:可設定各監控點位的溫濕度報警限值,當出現被監控點位數據異常時可自動發出報警信號,報警方式包括:現場多媒體聲光報警、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測,系統可在不同的時刻通知不同的值班人員;

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

        4:溫濕度監控軟件采用標準windows 98/2000/XP全中文圖形界面,實時顯示、記錄各監測點的溫濕度值和曲線變化,統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。

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

        6: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控電腦,在線查看監控點位的溫濕度變化情況,實現遠程監測。系統不但能夠在值班室監測,領導在自己辦公室可以非常方便地觀看和監控。

        7:系統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。

        8: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設計思想及系統硬件的模塊化、通訊網絡化設計,系統可根據需要升級軟件功能與擴展硬件種類。

        9:系統設計時預留有接口,可隨時增加減硬軟件設備,系統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幍母淖冸S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(動態公網IP地址)

        中心采用ADSL等INTELNET公網連接,采用公網動態IP+DNS解析服務的??蛻粝扰cDNS服務商聯系開通動態域名,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IP,建立連接。此種方式可以大大節約公網固定IP的費用,但穩定性受制于DNS服務器的穩定,所以要尋找可靠的DNS服務商。此種方案適合小規模應用。

        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等寬帶業務,中心有公網固定IP的。IP MODEM直接向中心發起連接。運行可靠穩定,推薦此種方案.

       下圖為后臺中心管理軟件:

     大棚溫度控制
     
    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,網絡穩定,技術成熟,覆蓋率廣。

        2、傳輸模塊采用工業級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:20mA@12VDC、35mA@5VDC;休眠狀:8mA@12VDC、18mA@5VDC;工作環境溫度 -25~+65ºC;儲存溫度 -40~+85ºC;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功能(最多五個)。

        6、及時響應,實時的遠程監控,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;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、軟件開發全程技術配合、設備現場調試技術支持等服務
     

    五、小結


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

    關鍵字: 大棚 監控系統 無線

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