基于ZigBee技術(shù)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚

一概述

“物聯(lián)網(wǎng)”被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)一方面可以提高經(jīng)濟效益，大大節(jié)約成本；另一方面可以為全球經(jīng)濟的復(fù)蘇提供技術(shù)動力。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)和信息化部會同有關(guān)部門，在新一代信息技術(shù)方面正在開展研究，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(dá)到節(jié)能、舒適、便利的目的，要求對市政、家庭、農(nóng)業(yè)等的智能控制和監(jiān)視制定細(xì)致的策略和方案。但是，傳統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)由于很多因素的制約，很難達(dá)到要求。為了解決這些問題，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(dǎo)致結(jié)構(gòu)不透明，靈活性、擴充性不佳。從長遠(yuǎn)看，智能控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是走向開放，尤其是智能控制與互聯(lián)網(wǎng)的融合是其中一個重要發(fā)展趨勢。

智能農(nóng)業(yè)控制通過實時采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)溫度、濕度信號以及光照、土壤溫度、土壤水分等環(huán)境參數(shù)，自動開啟或者關(guān)閉指定設(shè)備?？梢愿鶕?jù)用戶需求，隨時進(jìn)行處理，為農(nóng)業(yè)生態(tài)信息自動監(jiān)測、對設(shè)施進(jìn)行自動控制和智能化管理提供科學(xué)依據(jù)。

大棚監(jiān)控及智能控制解決方案是通過光照、溫度、濕度等無線傳感器，對農(nóng)作物溫室內(nèi)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(shù)進(jìn)行實時采集，自動開啟或者關(guān)閉指定設(shè)備(如遠(yuǎn)程控制澆灌、開關(guān)卷簾等)。

二項目需求

在每個智能農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部署空氣溫濕度傳感器2只，用來監(jiān)測大棚內(nèi)空氣溫度、空氣濕度參數(shù)；每個農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)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，用來監(jiān)測大棚內(nèi)土壤溫度、土壤水分、光照度等參數(shù)。所有傳感器一律采用直流24V電源供電，大棚內(nèi)僅需提供交流220V市電即可。

每個農(nóng)業(yè)大棚園區(qū)部署1套采集傳輸設(shè)備（包含中心節(jié)點、無線3G路由器、無線3G網(wǎng)卡等），用來傳輸園區(qū)內(nèi)各農(nóng)業(yè)大棚的傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)備控制指令數(shù)據(jù)等到internet上與平臺服務(wù)器交互。

在每個需要智能控制功能的大棚內(nèi)安裝智能控制設(shè)備1套（包含一體化控制器、擴展控制配電箱、電磁閥、電源轉(zhuǎn)換適配設(shè)備等），用來傳遞控制指令、響應(yīng)控制執(zhí)行設(shè)備。實現(xiàn)對大棚內(nèi)的電動卷簾、智能噴水、智能通風(fēng)等行為的實現(xiàn)。

三系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

(1) 總體架構(gòu)

系統(tǒng)的總體架構(gòu)分為傳感信息采集、視頻監(jiān)控、智能分析和遠(yuǎn)程控制四部分。

(2) 系統(tǒng)中包括兩個部分：

■ Zigbee中心節(jié)點 ；

■ 邊緣網(wǎng)關(guān)；（比如以太網(wǎng)，GPRS模塊，兩著結(jié)合起來可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。）

(3) 傳感信息采集：

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)溫室內(nèi)部光照、溫度、濕度和土壤含水量以及視頻等數(shù)據(jù)的采集和控制。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通過Zigbee發(fā)送模塊傳送到Zigbee中心節(jié)點上，用戶終端和一體化控制器間傳送的控制指令也通過Zigbee發(fā)送模塊傳送到中心節(jié)點上，省去了通訊線纜的部署工作。中心節(jié)點再經(jīng)過邊緣網(wǎng)關(guān)將傳感器數(shù)據(jù)、控制指令發(fā)送到上位機的業(yè)務(wù)平臺。用戶可以通過有線網(wǎng)絡(luò)/無線網(wǎng)絡(luò)訪問上位機系統(tǒng)業(yè)務(wù)平臺，實時監(jiān)測大棚現(xiàn)場的傳感器參數(shù)，控制大棚現(xiàn)場的相關(guān)設(shè)備。Zigbee模式具有部署靈活、擴展方便等優(yōu)點。

四大棚現(xiàn)場布點

大棚現(xiàn)場主要負(fù)責(zé)大棚內(nèi)部環(huán)境參數(shù)的采集和控制設(shè)備的執(zhí)行，采集的數(shù)據(jù)主要包括農(nóng)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(shù)值。

傳感器的數(shù)據(jù)上傳有Zigbee模式和RS485模式兩種，RS485模式中數(shù)據(jù)信號通過有線的方式傳送，涉及大量的通訊布線。在Zigbee傳輸模式中，傳感器數(shù)據(jù)通過Zigbee發(fā)送模塊傳送到Zigbee中心節(jié)點上，用戶終端和一體化控制器間傳送的控制指令也通過Zigbee發(fā)送模塊傳送到中心節(jié)點上，省卻了通訊線纜的部署工作。中心節(jié)點再經(jīng)過邊緣網(wǎng)關(guān)將傳感器數(shù)據(jù)、控制指令封裝并發(fā)送到位于internet上的系統(tǒng)業(yè)務(wù)平臺。用戶可以通過有線網(wǎng)絡(luò)/無線網(wǎng)絡(luò)訪問系統(tǒng)業(yè)務(wù)平臺，實時監(jiān)測大棚現(xiàn)場的傳感器參數(shù)，控制大棚現(xiàn)場的相關(guān)設(shè)備。Zigbee模式具有部署靈活、擴展方便等優(yōu)點。

控制系統(tǒng)主要由一體化控制器、執(zhí)行設(shè)備和相關(guān)線路組成，通過一體化控制器可以自由控制各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)執(zhí)行設(shè)備，包括噴水系統(tǒng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)等，噴水系統(tǒng)可支持噴淋、滴灌等多種設(shè)備，空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)可支持卷簾、風(fēng)機等設(shè)備。

采集傳輸部分主要將設(shè)備采集到的數(shù)值傳送到服務(wù)器上，現(xiàn)有大棚設(shè)備支持3G、有線等多種數(shù)據(jù)傳輸方式，在傳輸協(xié)議上支持IPv4現(xiàn)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(fù)責(zé)對用戶提供智能大棚的所有功能展示，主要功能包括環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)空間/時間分布、歷史數(shù)據(jù)、超閾值告警和遠(yuǎn)程控制五個方面。用戶還可以根據(jù)需要添加視頻設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能。數(shù)據(jù)空間/時間分布將系統(tǒng)采集到的數(shù)值通過直觀的形式向用戶展示時間分布狀況（折線圖）和空間分布狀況（場圖）、歷史數(shù)據(jù)可以向用戶提供歷史一段時間的數(shù)值展示；超閾值告警則允許用戶制定自定義的數(shù)據(jù)范圍，并將超出范圍的情況反映給用戶。

五數(shù)據(jù)采集設(shè)備

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