智慧农业实训方案.doc

智慧农业系统方案
V1。0版
2014年3月7日
上海企想信息技术有限公司
目录
1。前言 。.。。..。。..。。.。。..。..。。.。.。..。。.。。。.。。。..。。.。。..。。。.......。..。。.。.。。..。 3
1。1方案背景 。。..。。。....。。.。。..。..。。。.。。。。.。。。。.。。.。。。。。。....。。.。..。...。。。 3
1.2设计内容 .。。。.。。。。.。.。.。。.。。...。...。..。.。.。。。。。。。.。。。。。。。。。.。.。。。。.。。. 4
2。系统结构 。。..。。。。.。。。。。。。。。。。。。。。..。。。...。..。.。。.。。。...。。.。。。。。....。.。.。。.. 5
2。1软件结构 。。.。..。。。。..。.。。.。..。。。。。。.。.。。。。.。.。.。.。.。。..。.。。。。。。。.。。..。 5
2.2硬件结构 .。。。。..。。...。.。....。。.。...。。.。。。。。.。.。。。。。..。..。。。.。。。。。。。。。 。6
2。2。1采集传感器 ..。...。.。.....。。.。.。。。。。。.。。。。。...。。.。.。。..。..。。。.。。。 6
2。2。2远程视频监控 。.。。。.。。。。.。...。.。。。.。。。。。。。。。.。。。。。。.。。。..。。......。7
2。2.3小型气象站 ..。。...。。。..。。。.。。。。.。。。...。。。。。..。。..。。。。..。。。..。。。。.7
2。2。4 ZigBee无线传输 。.。。.。。。。。。。。。。。。。。。..。。.。..。。。..。...。.。..。.。。。。.7
2.2。5智慧农业管理平台 。。。。。。。.。..。.。。。。.。..。。.。.。。.。.。。。。.。。。。。.。.。。.。7
3.功能描述 。。。。.。。..。。。.。..。.。。。。.。..。.。.。.。。。...。..。.。。。。..。.。..。...。.。。。。。。 8
3。1棚内环境采集模块 。。。..。。。。.。。。。。。.。.。。。。。。。。。。..。..。.。。.。.。.。....。。.。。 8
3.1。1模块功能 。.。。。..。。。.。。。。。.。。。。。.。.。.。。。。。.。。。。。。。.。.。.。。。。.。。。。. 8
3。1.2模块配置 。.。。..。。。。。。.。.。..。。.。。。..。.。...。。。。。。.。。。。.。..。。。。.。。。 9
3.2棚外气象采集模块 。。。.。..。。。..。。。....。。。..。。。.。。。。..。。。.。。.。。..。。.。.。。 10
3。2。1模块功能 。.。..。。。.。.。。.。。。.。.。。。。..。。。。。。。。..。。.。。.....。.。..... 10
3。2.2模块配置 。。。。.。。.。.。。...。.。.。.。...。。.。.。。。。。。。.。.。。..。。。..。.。.。 11
3。3实时视频采集模块 。。.。。。。。.。。。。。。。.。。。。。。。。。。。。.......。。。...。...。。。。.. 11
3.3.1模块功能 。。。.。。。..。。。。。。。。.。。。。.。。.。。。。.。。。。.。。..。。.。。。。。。。.。。。 11
3。3.2模块配置 .。。.。。....。。。.。..。。.。。.。..。。。。。..。。。...。。.。。...。.。..。。 11
3。4集成控制模块 .。。.。。。。。.。.。。。。。。。。.。..。。。...。...。。.。.。。。.。.。.。。.。.。... 12
3.4.1模块功能 .。。。。。.。。。..。。。。。.。。..。..。.。...。。。。.。.。....。.。。。。。。。.. 12
3。4.2模块配置 .。..。.。。。...。.。。.。。..。。。。...。.。。。。。。。.。。.。。。。。。.。.。。。。 13
4.实验列表 。.。..。.。...。。...。。.。。。。.。..。。。。。.。。。。.。..。.。。。。。。。。。。.。。。.。。。。.。. 13
1.前言
1。1方案背景
巩固农业基础、实现农业现代化，一直是我国现代化建设的重要目标和重点任务.加快发展现代农业，既是转变经济发展方式、全面建设小康社会的重要内容，也是提高农业综合生产能力、增加农民收入、建设社会主义新农村的必然要求.党和国家高度重视农村农业信息化建设,中央1号文件连续6年明确指出,要加快推进农村信息化建设工作.2012年4月,国务院发布《全国现代农业发展规划》，这是新中国成立以来的首次，具有重要标志性意义:标志着党中央、国务院在“三化同步”中高度重视农业现代化；标志着发展现代农业从理念要求变成了实际举措;.“十二五”将成为推进现代农业发展的重要时期.《规划》从加快转变农业发展方式的关键环节入手,明确提出了完善现代农业产业体系和改善农业基础设施和装备条件等事关现代农业发展全局的八项重点任务。完善现代农业产业体系，最突出的标志之一就是大力发展设施农业。而引领现代农业发展的智能温室的建设成为推动和持续发展现代设施农业最有效的途径之一.智能温室的建设引入集物联网、计算机科学、信息处理、控制工程、农业生物学、环境科学等于一体的多元化综合性技术和自动化控制设备，通过传感器实时采集、监测和分析温室内温度湿度、光照强度、土壤水分、二氧化碳等影响作物生长的环境信息，建立温室智能化管理系统，调整温室大棚内生长因子达到作物最佳生长状态，提高作物品质，增加作物产量。实现农业集约、高产、优质、高效、生态、安全的重要支撑，进一步加速农业向现代集约型、智能型农业的转变，有效提升农业产业化经营和管理的水平。同时也为农业和农村经济转型、社会发展提供“智慧”支撑。智慧农业是农业生产的高级阶段，是集新兴的互联网、移动互联、云计算和物联网技术为一体，依托部署在农业生产现场的各种传感节点(环境温湿度、土壤水分、二氧化碳、图像等）和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析、专家在线指导，为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策。
基于Zigbee技术的智慧农业解决方案，成本低廉，是一般人都能负担的价格；控制更简单，让每一位刚接触的人都能轻松使用；功耗更低、组网更方便、网络更健壮，给您带来高科技的全新感受。您的温室大棚规模越大，基于Zigbee技术的智慧农业解决方案在使用中，要准确及时地操控所有设备，最值得关注的应该就是网络信号的稳定性。鉴于温室大棚的网络覆盖区域比较广泛,我们贴心为您呈现物联无线组网！智慧农业能有效连接物联Internet通信网关和超出物联Internet通信网关有效控制区域的其它Zigbee网络设备，实现中继组网,扩大覆盖区域,并传输网关的控制命令到相关网络设备，达到预期传输和控制的效果。基于先进的Zigbee技术，物联无线中继器无需接入网线,就可自行中继组网，扩散网络信号，让您的网络灵活顺畅运行，保障您的所有设备正常运行.
1.2设计内容
农业作为关系着国计民生的基础产业，其信息化、智慧化的程度尤为重要.物联网技术在农业生产和科研中的引入与应用，将是现代农业依托新型信息化应用上迈出的一大步，可以改变粗放的农业经营管理方式，确保农产品质量安全，从而引领现代农业的发展。通过物联网智能温室的应用，可实现传统农业向现代化农业的转变、有效提高农业综合生产能力、强化农产品质量安全管理、提高农产品质量安全水平、提高农业产业化程度.
2.系统结构
2.1软件结构
图2—1 智慧农业软件系统结构图
智慧农业管理系统是利用各类传感器采集温室内光照、温度、湿度、土壤含水量、二氧化碳等作物生长所必须的环境因子的数据，通过无线网络传输到智能温室管理控制平台，进行数据的存储、分析比对系统设定的数据阀值，自动控制温室的卷帘、通风、浇灌等设备,使温室内环境保持在适宜作物生长的条件下;视频系统是利用温室内安装的高清变焦智能球机，对温室内作物进行全方位视频采集和监测，农业专家利用温室内视频图像根据温室大棚内作物生长情况,远程对温室作物科学施肥、病虫害防治等进行指导和帮助,实现园区温室种植的集约化、科技化、现代化.
2。2硬件结构
图2—2 智慧农业硬件系统结构图
2。2。1采集传感器
农业生物与环境信息的采集和农业设施的智能化、自动化，是设施农业有别于传统农业的核心技术之一.智能温室控制的基础首先要通过传感器进行环境参数的采集，传感器的选择对于获取数据的准确性和功能性非常关键.温室控制对于传感器的精度要求不高,但是温室特殊的高温、高湿度和培养液的高腐蚀性对于传感器的功能性要求很高，既需要能长期耐高温、耐高湿、耐腐蚀的传感器.
2。2.2远程视频监控
现代化农业的一个突出表现是智能化培育控制。随着温室种植规模的不断发展和扩大，无线网络技术和远程视频信号技术发展,视频监控图像信息作为温室内数据信息的有效补充,对温室内作物进行全方位视频采集和监测，农业专家利用温室内视频图像根据温室大棚内作物生长情况，远程对温室作物科学施肥、病虫害防治进行指导和帮助,为温室的安全、管理、效益提供有力的保障。
2。2。3小型气象站
天气预报是重要和首要的现代农业信息之一。小型气象站能够对温室园区小环境的风速、风向空气温度、空气湿度等气象要素进行全天候现场监测。智慧农业管理平台根据气象站提供的天气环境，提前调节控制温室设备，做到科学管理、防灾减灾。
2.2。4 Zigbee无线传输
温室种植是农业生产的一种重要方式,提高其信息化、自动化水平对加快农业现代化步伐具有重要意义.随着网络和通信技术的发展，无线网络凭着功耗低、安全可靠、建设成本低廉等众多优点成为各种控制的首选网络，在农业自动化得到广泛的应用。智能温室采用混合组网，底层为多个ZigBee监测网络,负责监测数据的采集。每监测网络采用星型结构,网关节点作为每个监测网络的基站。网关节点具有双重功能:一是充当网络协调器的角色，负责网络的自动建立和维护、数据汇集；二是作为监测网络与监控中心的接口，与监控中心传递信息。此系统具有自动组网功能,无线网关一直处于监听状态，新添加的无线传感器节点会被网络自动发现，这时无线路由会把节点的信息送给无线网关，由无线网关进行编址并计算其路由信息,更新数据转发表和设备关联表等.
2。2。5智慧农业管理平台
智慧农业管理平台是温室智能化控制系统的核心，对温室内各类信息进行存储、管理;提供阀值设置功能；提供智能分析、检索、告警功能;提供温室大棚内视频的展示插件和管理接口；提供控制温室大棚设备的命令管理。工作人员可以通过人机交互系统了解温室大棚内的情况，并可以通过人机交互系统对控制系统发人工指令，远程控制温室大棚的控制系统，设定控制主机的智能控制工作实现24小时无人值守;智慧农业管理软件系统界面直观人性化、信息全面操作简单.
3。功能描述
一般情况下，智慧农业系统包含以下模块：
l 棚内环境采集模块
l 棚外气象采集模块
l 实时视频采集模块
l 集成控制模块
后文将以每个子系统的方式,逐个进行介绍。
3.1棚内环境采集模块
3.1。1模块功能
1。 空气温湿度光照采集
棚内配有多个温湿度光照传感器节点,并且将这些节点进行编号和注释。传感器会按照指定间隔采集温度、湿度、光照值,并通过Zigbee网络主动上传到中央服务器上去.
2. 土壤温湿度采集
通过传感器节点上配有的传感器插针插入到土壤中,对土壤的温度、湿度（含水量)进行采集，并通过Zigbee网络主动上传到中央服务器上去.
3. CO2浓度采集
棚内均匀分布有CO2浓度传感器,对CO2浓度进行采集，并通过Zigbee网络主动上传到中央服务器上去.
4. 实时曲线
对于系统采集到的各种环境参量，在管理平台上进行查看。查看方式有实时值查看、实时曲线查看。
5. 历史数据存储
对于采集到的各种数值，在服务器上都会在数据库中进行存储，以便后期进行搜索查看(可通过列表，曲线等方式进行查看）。查询结果还支持Excel、报表导出等.
6. 参量超阈值预警
用户可在系统中对各种参量的一个正常范围进行设置,当采集到的参量持续超出这个范围时,系统会进行报警操作,以及进行一些自动调节控制.
3.1。2模块配置
序号
设备名称
设备参数
数量
1
A8网关
◆CPU 处理器:Samsung S5PV210，基于CortexTM-A8
◆运行主频1GHzDDR2
◆RAM:512MB，
◆32bit 数据总线,单通道，
◆运行频率200MHz FLASH 闪存
◆SLC NAND Flash： 512MB(标配)/1GB(可选)
◆操作系统支持：Superboot-210 Android 2.3 + Linux—2.6.35 Android 4。0（基于Linux-3。0.8 内核） Linux—3.0。8 + Qt2/4.8。5 WindowsCE 6。0)
1
2
智能温湿度传感控制模块
温度传感器测量精度：±0。5℃(25℃）；温度传感器测量范围：—40~+123。8℃；湿度传感器测量精度:±4。5％RH;温度传感器测量范围:0～100％RH;工作湿度:≤80%（不结露）。内置智能传感器处理器：MSP430F5638，基于IEEE1451协议与通信模块通信，开放软、硬件设计资源；直流工作电源：3～10V/0～100mA;
2
3
智能光照传感控制模块
测量范围：0～300Klux；测量精度：±5％；光照传感器工作温度：—25℃～ +80℃；工作湿度:≤80%（不结露）。内置智能传感器处理器：MSP430F5638，基于IEEE1451协议与通信模块通信，开放软、硬件设计资源；直流工作电源：3~10V/0～100mA；
2
4
智能CO2传感控制模块
量程：0～50000ppm,分度：1 ppm.内置智能传感器处理器：MSP430F5638,基于IEEE1451协议与通信模块通信，开放软、硬件设计资源;直流工作电源：3～10V/0～100mA；
2
5
智能土壤温度传感控制模块
温度传感器测量精度:±0.2℃（25℃)；温度传感器测量范围：30～+70℃；内置智能传感器处理器:MSP430F5638,基于IEEE1451协议与通信模块通信,开放软、硬件设计资源；直流工作电源:3～10V/0~100mA；
2
6
智能土壤湿度传感控制模块
湿度传感器测量精度：±4。5％RH;温度传感器测量范围:0~100％RH;工作湿度：≤80%（不结露）.内置智能传感器处理器：MSP430F5638，基于IEEE1451协议与通信模块通信，开放软、硬件设计资源；直流工作电源：3～10V/0～100mA；
2
7
无线通信控制器
采用ABS塑料外壳。通信协议符合国际标准智能传感器协议IEEE1451-2。通信模块芯片TICC2530，2。4GHz，陶瓷天线;主控处理器低功耗ENERGY MICRO处理器EFM32GXX,软件：IEEE1451。2国际智能传感协议，协议栈：符合ZigBee2007或ZigBeePRO规范，套件提供的样例程序实现了无线通信节点的动态组网及传感数据采集传输。无线通信控制器与智能传感控制器通过可靠的欧式插座互联，配上电源模块组成完整的智能传感器节点。外型：开模具塑料产品外壳，带电池仓，可4节干电池供电或锂电池供电。
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3。2棚外气象采集模块
3.2。1模块功能
1. 风速风向采集
棚外配有建议气象站,可对棚外即时风速和风向进行较准确的测量，此值被定时地主动地通过Zigbee网络主动上传到中央服务器上去。
2。 温湿度采集
棚外配有温湿度传感器节点。传感器会按照指定间隔采集温度、湿度值,并通过Zigbee网络主动上传到中央服务器上去。
3. 恶劣天气播报
在用户设置好大棚所在地后，系统会通过Web服务到中央气象局提供的接口中读取天气预报。当遇到恶劣天气环境时,系统会通过本地气象站进行确认，然后将相关控制对象关闭，并通知给用户。
3。2.2模块配置
序号
设备名称
设备参数
数量
1
简易气象站
测量范围 0～70m/s 0~360°精度±（0。3+0.03V)m/s ±6°(± 3°)最大回转半径 90mm 365mm 分辨率 0。1m/s 5。6°（ 2.8°）起动风速≤0.5m/s ≤0.5m/s 工作电压 5V~12V 5V～12V 工作电流 10mA 20mA （或2～3mA）工作环境温度—60℃~50℃湿度≤100％RH
1
2
智能温湿度传感控制模块
温度传感器测量精度：±0。5℃（25℃）；温度传感器测量范围：—40~+123。8℃；湿度传感器测量精度：±4。5％RH;温度传感器测量范围:0~100％RH；工作湿度:≤80％（不结露）.内置智能传感器处理器：MSP430F5638,基于IEEE1451协议与通信模块通信，开放软、硬件设计资源;直流工作电源：3~10V/0～100mA;
2
3
无线通信控制器
采用ABS塑料外壳。通信协议符合国际标准智能传感器协议IEEE1451-2。通信模块芯片TICC2530，2。4GHz，陶瓷天线；主控处理器低功耗ENERGY MICRO处理器EFM32GXX，软件：IEEE1451。2国际智能传感协议，协议栈：符合ZigBee2007或ZigBeePRO规范，套件提供的样例程序实现了无线通信节点的动态组网及传感数
2
3。3实时视频采集模块
3。3。1模块功能
1。 远程视频监控
棚内配有2~4个带云台可进行360°旋转的网络摄像机,其视频清晰度为720P.用户不管在个人电脑旁,还是使用智能手机均可方便地通过视频查看现场情况;农业专家也可通过该视频观察现场作物情况,获取作物长势、植物病虫害外观等信息。
2。 定时自动截图
在系统中，用户可设置网络摄像头每隔一段时间或在固定时间点进行自动截图.通过自动截图，可将作物每过一段时间的情况保留下来,可留作统计分析之用。
3。 安全侦测
当用户不在大棚内时，摄像机可设置为布放模式。当有人意外进入或进行恶意破坏时，系统将通知到用户，并截留报警时的视频以作为证据。
3.3.2模块配置
序号
设备名称
设备参数
数量
1
网络摄像头
ARM:W90N745；sensor：OV7725；操作系统：嵌入式操作系统；压缩方式： Motion—JPEG-N;帧频率：25fps；分辨率： VGA（640*480)， QVGA（320*240) ， QQVGA（160＊120)；图象调整：亮度，对比度可调.最低照度：0。3LUX;信噪比： >48DB （自动增益关）；快门：1/50s(1/60s）—1/100，000s;白平衡：自动白平衡;背光补偿：自动背光补偿；夜视:Φ5mm11颗LED灯夜视10米,ir cut自动切换.标配：F1.8/3.6mm 90°M12接口;处理器:双向语音（内置MIC或者外接)；音频增益:自动音频增益控制（AGC）；云台控制:内置RS485控制水平270度,垂直90度；网络接口： RJ—45 10/100Mb自适以太网接口;支持网络协议:TCP/IP、HTTP、ICMP、DHCP、FTP、SMTP、PPPoE等；无线：WIFI，802。11B/G;支持IP地址：静态IP地址、动态IP地址、PPPOE拨号,支持P2P技术
2
3。4集成控制模块
3。4.1模块功能
1。 各控制对象控制
系统集成了棚内各种控制对象。在自动控制功能未开启时,用户在系统中可进行手动控制，并通过实时反馈回来的数据查看效果；而在自动控制功能开启时，系统会根据各种参量的实时值，比对用户在系统中设置的阈值，如果超出阈值范围，则进行一些既定控制.
2。 温湿度自动控制
棚内温湿度的变化对植物的生长起着至关重要的作用。系统通过安装在空中的温湿度传感器的实时感测棚内温湿度值，然后通过开关风机、开关喷灌设备进行调节.
3. 土壤温湿度自动控制
植物的良好生长需要土壤具体合适的温湿度。系统通过埋入土壤深处的土壤温湿度传感器实时监测土壤温湿度变化,系统通过控制喷淋设备来改善土壤温湿度条件。
4。 光照强度自动控制
植物在生长过程中，不同时期需要不同强度、不同长度的光照。系统通过控制遮阳帘以及LED补光灯对植物接收到的光照强度进行控制。根据光照强度传感器节点采集到的光照值,当光照较弱时，系统自动打开遮阳帘，光照仍然不足时，打开LED补光灯并调节到合适亮度,来补充光照;当光照较强时，则系统自动关闭遮阳帘.
5。 CO2浓度自动控制
植物进行光合作用离不开CO2,当CO2传感器节点监测到CO2浓度偏离阈值时，系统通过控制风机开关进行调节。
3.4。2模块配置
序号
设备名称
设备参数
数量
1
智能I/O控制模块
4路I/O输入输出模块。智能传感器处理器：MSP430F5638，基于IEEE1451协议与通信模块通信,开放软、硬件设计资源.
2
2
智能继电器控制模块
4路I/O输出，继电器220V/2A每路电流驱动。智能传感器处理器：MSP430F5638，基于IEEE1451协议与通信模块通信，开放软、硬件设计资源。
2
3
智能红外遥控传感控制模块
实现2路红外遥控学习和遥控；每一路可以实现100多种编码;自动EEPROM存储编码数据；适合市场上所有遥控电器。内置智能传感器处理器：MSP430F5638，基于IEEE1451协议与通信模块通信,开放软、硬件设计资源;
1
4。实验列表
l 无线组网实验
l 温湿度采集实验
l 光照度采集实验
l 二氧化碳浓度采集实验
l 风力风速采集实验
l 光照控制实验
l 喷灌系统控制实验
l 风扇控制实验
l 自动恒温控制实验
l 自动湿度控制实验
l 自动光照度控制实验
l 自动喷灌控制实验
l 大棚异常环境报警实验
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