智能農業(yè)大棚環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)

一、概述

　　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(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有很大的影響。傳統(tǒng)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(xiàn)上述環(huán)境因子自動監(jiān)控的系統(tǒng)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(tǒng)價格昂貴，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)的設計。根據大棚智能監(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(qū)域大棚的實時狀況。

二、系統(tǒng)組成

1、大棚現(xiàn)場采集控制終端

　　大棚現(xiàn)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(huán)境參數(shù)。

2、無線傳輸設備

　　四信IP MODEM F2103采用標準的232/485通信接口，只要內置一張GPRS數(shù)據卡就能和互聯(lián)網進行通信，和大棚現(xiàn)場采集終端通過232/485連接后，將采集終端送上來的數(shù)據原封不動的通過網絡傳輸?shù)綌?shù)據管理中心。F2103的通用性強，即插即用，體積小巧安裝使用簡單便捷，無需太多專業(yè)技能，而且針對不同的工程情況可選擇不同的網絡IP MODEM，型號規(guī)格為F2X03。

3、數(shù)據管理中心

　　數(shù)據中心對現(xiàn)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(huán)境參數(shù)進行分析處理，不僅進行完成的統(tǒng)計做出相應的統(tǒng)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，自動開啟或者關閉設備。

三、系統(tǒng)總架構

　　首先用232/485先將大棚數(shù)據采集終端和F2103連接起來，將SIM卡插進F2103中，給F2103上電即可，此時F2103會自動連接到數(shù)據中心。數(shù)據中心服務器一般通過固定IP、ADSL、APN的形式接入網絡。無線傳輸設備F2103通過GPRS網絡連接到遠程數(shù)據中心服務器主機，與中心建立TCP/IP連接后開啟透明數(shù)據通道。當采集終端需要上報數(shù)據的時候將數(shù)據直接送往串口，此時F2103就會把收到的數(shù)據原封不動地發(fā)送到數(shù)據中心服務器主機。當數(shù)據中心下發(fā)的命令或數(shù)據通過通道傳輸?shù)紽2103后，F(xiàn)2103通過串口送到采集終端，從而實現(xiàn)了數(shù)據雙向透明傳輸。

四、系統(tǒng)實現(xiàn)功能

　　1、可在線實時24小時連續(xù)的采集和記錄監(jiān)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(shù)情況，以數(shù)字、圖形和圖像等多種方式進行實時顯示和記錄存儲監(jiān)測信息，監(jiān)測點位可擴充多達上千個點。

　　2、可設定各監(jiān)控點位的溫濕度報警限值，當出現(xiàn)被監(jiān)控點位數(shù)據異常時可自動發(fā)出報警信號，報警方式包括：現(xiàn)場多媒體聲光報警、網絡客戶端報警、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(jiān)測，系統(tǒng)可在不同的時刻通知不同的值班人員;

　　3、數(shù)據集中器提供USB接口，在沒有配監(jiān)控電腦或監(jiān)控電腦損壞、癱瘓，可隨時用U盤導出將數(shù)據轉至其它電腦。

　　4、數(shù)據集中器端提供具有信號輸出協(xié)議的端口，可接通信設備(GPRS IP MODEM等)進行無線傳輸。

　　5、溫濕度監(jiān)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(jiān)測點的溫濕度值和曲線變化，統(tǒng)計溫濕度數(shù)據的歷史數(shù)據、大值、小值及平均值，累積數(shù)據，報警畫面。

　　6、監(jiān)控主機端利用監(jiān)控軟件可隨時打印每時刻的溫濕度數(shù)據及運行報告。

　　7、強大的數(shù)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(jiān)控電腦，在線查看監(jiān)控點位的溫濕度變化情況，實現(xiàn)遠程監(jiān)測。系統(tǒng)不但能夠在值班室監(jiān)測，領導在自己辦公室可以非常方便地觀看和監(jiān)控。

　　8、系統(tǒng)可擴充多種記錄數(shù)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(shù)據處理。

　　9、控制軟件的編制采用軟件工程管理，開放性與可擴充性*，由于采用硬件功能的軟件化的系統(tǒng)設計思想及系統(tǒng)硬件的模塊化、通訊網絡化設計，系統(tǒng)可根據需要升級軟件功能與擴展硬件種類。

　　10、系統(tǒng)設計時預留有接口，可隨時增加減硬軟件設備，系統(tǒng)只要做少量的改動即可，可以在很短的時間內完成。可根據政策和法規(guī)的改變隨時增加新的內容。

　　11、設備改進、檢修過程中及檢修完成后，均不需要停止或重新啟動機房監(jiān)控系統(tǒng)。

　　12、系統(tǒng)都均做可靠行接地，以防靜電。

五、項目架構實施

1、F2103與大棚現(xiàn)場數(shù)據采集終端的連接

　　一個大棚里面會有多個傳感器采集點，通過485將采集數(shù)據統(tǒng)一匯聚到集成采設備，工業(yè)集采設備采用232/485通信方式與無線通信模塊F2103進行連接，對傳感器數(shù)據進行集中輪詢后將數(shù)據通過串口送往F2103。

2、數(shù)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(lián)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(lián)路由器之間采用GRE隧道。為客戶分配的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(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)據點比較多、實時性要求較高的應用環(huán)境。在資金允許的情況下之優(yōu)組網方式。

　　2）ADSL撥號連接(動態(tài)公網IP地址)

　　中心采用ADSL等INNET公網連接，采用公網動態(tài)IP+DNS解析服務的。客戶先與DNS服務商開通動態(tài)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(tài)IP，建立連接。此種方式可以大大節(jié)約公網固定IP的費用，但穩(wěn)定性受制于DNS服務器的穩(wěn)定，所以要尋找可靠的DNS服務商。此種方案適合小規(guī)模應用。

　　3）通過固定公網IP連接

　　中心采用ADSL等INNET公網連接，采用公網固定IP服務的。此種方案先向INT ERNET運營商申請ADSL等寬帶業(yè)務，中心有公網固定IP的。IP MODEM直接向中心發(fā)起連接。運行可靠穩(wěn)定，推薦此種方案。

3、數(shù)據中心軟件平臺構建

　　中心端軟件的構建有多種方式，對于傳入數(shù)據的方式的不同，我們提供不同的軟件來幫助客戶快速地實現(xiàn)中心端的數(shù)據接收和現(xiàn)場設備的管理。

　　目前四信提供三種方式的中心接口：

　　1）首先是對于組態(tài)軟件，目前很多組態(tài)軟件廠家已經集成了我們的驅動了，可以直接配置使用;

　　2）對于后臺中心軟件只讀串口數(shù)據的情況，提供一個虛擬串口軟(TCP2COM)，利用虛擬串口軟件可以將以太網數(shù)據轉化為串口數(shù)據，從而實現(xiàn)利用無線公網傳輸數(shù)據且又對現(xiàn)有系統(tǒng)不做修改的結合。

　　3）在客戶想要開發(fā)自己的數(shù)據中心是，此時我公司會提供一個動態(tài)鏈接庫，利用動態(tài)鏈接庫客戶可以很輕松的與傳輸通道進行對接，同時會提供一個的數(shù)據中心DEMO軟件，不僅開放源碼還全程協(xié)助客戶進行自己數(shù)據中心軟件和功能的開發(fā)。客戶可能通過動態(tài)鏈接庫快速開發(fā)一個靈活的，穩(wěn)定的，功能齊全的終端管理和數(shù)據交互的中心軟件。

后臺中心管理軟件

六、方案特點

　　1、大棚基地基本位于偏遠地區(qū)，因此采用覆蓋廣泛的GPRS網絡，而且F2103的高信號捕捉，必要是采用高增益天線，可確保網絡的正常運行。

　　2、一般大棚種植者卻是專業(yè)的網絡管理員，如果監(jiān)控網絡出現(xiàn)問題則會帶來許多不便，四信IP MODEM采用高性能工業(yè)級處理器以及看門狗等安全機制設計，保證IP MODEM 萬一通信中斷也會自行檢測然后自動斷電重啟，保證IP MODEM 永遠在線，通信鏈路永遠正常。

　　3、IP MODEM 采用標準的工業(yè)串口通信，即插即用，且高規(guī)格的模具設計，體積小巧方便維護，工程人員無需太多專業(yè)知識，在短時間內即可是系統(tǒng)運行。

　　4、在國家大力推行三農政策的環(huán)境下，市場對大棚種植的需求迅猛增長，且規(guī)模也在不斷的擴大，采用F2103GPRS或者APN組網可靈活解決項目點不斷增加的需求，可隨時對現(xiàn)有的系統(tǒng)新增監(jiān)控點而且對現(xiàn)有系統(tǒng)部產生任何影響。

　　5、多中心設計，可同時設置5個中心監(jiān)控采集現(xiàn)場，避免因某個中心網絡不穩(wěn)定或者關閉導致無法對礦井現(xiàn)場進行監(jiān)控而產生安全隱患。

　　6、如果大棚監(jiān)測參數(shù)需要臨時修改的話，如果每次都要去現(xiàn)場那是一件非常費時費力的事情，在此F2103進行人性化工程設計，可是工程人員無需到現(xiàn)場就可以遠程直接對網絡參數(shù)進行相應的配置，達到時間和人力的合理利用。

　　7、四信F2103采用高規(guī)格材料選配，可在 -25~+65oC、 相對濕度 95%(無凝結)環(huán)境下正常工作。

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