基于物联网的温室环境监控系统设计

发布时间：2016-10-02 07:06

摘 要

我国正处于经济发展阶段，在经济建设中出现了许多问题。我国土地资源非常丰厚，但是因为人口众多，人均占有量却非常低。在全球的农业领域中我国作为佼佼者，需要在如今经济发展时期针对农业生产问题展开研究。通过不受任何气候等客观条件影响的温室来改变植物生产环境，提高农业生产量，而且可以解决如今我国可利用土地资源的情形下无法过多进行种植活动。
农业生产时若想要得到预计的高产高质作物，就需要未知物提供适宜其健康生长的如阳光，二氧化碳等。由此可见，农业良好生产的条件十分苛刻，以往温室无法为植物提供健康环境，因为在其内部建设中有许多干扰因素，而且对于温室温度的掌控很难自由准确的把握。本文研究内容将对以往温室技术进行改良并增加通过ZigBee系统控制的无线技术，对温室进行彻底改良。通过增加可控系统对温室做到可以人工自由掌握。
通过采用ZigBee无线系统，充分考虑作物生产条件，为其提供适宜生活环境，如为作物提供充足阳光，适宜温度、湿度，通过无线技术，减少以往繁杂的操作步骤，节约生产成本。本系统可以准确完美的对棚内具体数据进行采集，并通过无线传输到总系统中，以便对棚内信息做到了如指掌，实现作物健康成长和打到预期生产目标。
关键词：温室；数据采集；ZigBee；PLC控制  
 
ABSTRACT

China is in a stage of economic development, there were many problems in economic construction. China is rich in land resources, but because of the large population, and per capita consumption is very low. China as a leader in the agricultural areas in the world, needed for agricultural production problems during the period of economic development. Through without any effect of objective conditions of climate change in greenhouse vegetable production environment, increase agricultural production, and can solve the case of China's land resources available today cannot be too much for gardening.

Agricultural production if it wants to get the expected high yield and high quality crops, you need to provide suitable for the healthy growth of unknowns such as sunlight, carbon dioxide, and so on. This shows that the onerous terms of good agricultural production, greenhouse, unable to provide a healthy environment for the plant in the past because there were many disturbing factors in its internal construction, free and greenhouse temperature control is difficult to accurately grasp. The content of this article will be improving on past greenhouse technology and increased through ZigBee wireless system control technology, the greenhouses were completely modified. By adding you can greenhouse control system can do manual free grasp.
Through the use of ZigBee wireless systems, taking full account of crop production conditions, and to provide suitable living conditions, such as ample sunshine for crops, appropriate temperature and humidity, through wireless technology, reducing the previous complicated steps, save production costs. This system can be exactly perfect for Studio specific data collection and wirelessly to the total system in order to know all about Studio information, crop growth and the expected production targets.
Keywords: Greenhouses; Data Acquisition; ZigBee; PLC Control

目    录

目    录 3
第1章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 3
1.2.1 国外研究现状 3
1.2.2 国内研究现状 4
1.3 本文研究内容 5
第2章 系统相关技术概述 7
2.1 物联网技术 7
2.1.1 物联网产生背景 8
2.1.2 物联网的结构体系 9
2.2 ZigBee无线传感器网络 10
2.2.1 ZigBee无线网络 10
2.2.2 ZigBee协议栈 10
2.3 本章小结 12
第3章 基于物联网的温室环境监控系统设计方案 13
3.1 需求分析 13
3.1.1 系统功能性分析 13
3.1.2 系统性能需求分析 14
3.2 系统技术可行性分析 15
3.3 系统设计思想与架构 17
3.3.1 系统设计思想 17
3.3.2 系统设计架构 17
3.4 系统设计流程 18
3.5 本章小结 20
第4章 无线传感网络硬件设计及实现 21
4.1 关键器件的选型 21
4.1.1 zigbee芯片选型 21
4.1.2 数字温湿度传感器选型 25
4.1.3 空气温度、光照度和二氧化碳浓度传感器 27
4.2 传感器模块设计 28
4.3 协调器节点设计 30
4.3.1 协调器节点的硬件设计 30
4.3.2 协调器节点的软件设计 31
4.4 执行控制电路设计 32
4.5 本章小结 33
第5章 监控管理中心软件设计及实现 34
5.1 开发平台架构 34
5.2 系统运行环境 34
5.3 监控管理中心软件总体设计 35
5.4 数据库设计 38
5.5 上位机软件设计 40
5.5.1 数据管理软件功能设计 40
5.5.2 数据管理软件界面设计 41
5.5.3 串口通信控件设计 43
5.5.4 数据处理程序设计 45
5.6 功能模块设计与实现 46
5.6.1 信息管理模块设计与实现 46
5.6.2 环境数据管理模块设计与实现 49
5.6.3 视频图像管理模块设计与实现 51
5.6.4 预警信息管理模块设计与实现 54
5.6.5 自动化设备管理模块设计与实现 57
5.6.6 任务管理模块设计与实现 59
5.7 数据库与Web服务器部署 61
5.8 本章小结 62
第6章 系统实现与测试 63
6.1 数据采集模块的调试 63
6.2 ZigBee无线数据传输系统调试 63
6.3 FFD与协调器通信模块的调试 64
6.4 监控系统的调试 65
6.5 本章小结 65
第7章 总结与展望 67
参考文献 69
致    谢 73

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义
随着社会经济水平的提高，我国在设施农业的投入巨大，发展速度极快，涉及到的总面积也越来越大。现代化温室作为设施农业发展壮大的代表，也因其独有的特点迅速发展起来，规模也越来越大。如今，我国已经研发出应对不同地域出现的不同气候的温室构造，但是在实践中出现了其他问题。由于温室系统中记录气候参数大多引自国外，数据域实际生产情况存在较大的差异，使得消耗的能源非常多，使得现代化温室生产成本非常高，有时会因为无法获得相应利润而选择放弃生产[1]。
在日本，加拿大等设施园艺发达的国家中，都研发了适合本国生长的园艺植物的生长模型，使用较为先进的环境调控技术来降低温室能耗，以节约生产成本，获得最大利润。根据国外对现代温室问题的处理方法，我国也应建立以模型为基础的温室环境调控技术，对改善温室能耗高，成本高等问题，是我国的现代化温室调控具有明显的改善，为将来的发展坚定基础[2]。我国对农业生产管理做出在2050年完成农业与现代化科技的结合，完善每一个功能，实现农业生产中的精准化。
数字信息化的进步为人们社会生活提供了许多便捷，也日益影响着世界经济格局，也已经全面渗透到人们生活当中。各个国家利用这一发展趋势也逐步将其利用到农业领域中。农业的信息科技化深深影响着农业生产，使农业在这种改革之下慢慢变成新型农业模式。在农业生产的每一个环节中都运用数字信息化模式，通过科学手段控制农业生产的全过程[3]。目前，农业从以往传统模式向全智能模式转变，是现代农业发展的最终形态和必须经历的过程。
通过制造温室环境可以在不可能生产的物品的环境下进行生产，通过改变影响作物生长的光照，二氧化碳等因素来制造温室环境[4]。农业生产中光照强度直接影响作物的光合作用强度，即在固定时间内作物固定面积所接收的热量，通常用lux表示出。对作物生产影有巨大影响的是二氧化碳。一种作物能否顺利进行光合作用，在光照等其他影响作物因素适中时，二氧化碳浓度起决定作用。
通常作物在进行光合作用时，当其他因素稳定状态下，光照的强度将直接影响光合作用大小[5]。在作物生长时，温度起到了关键作用。温度不仅影响作物的最终产量，也影响作物的生长速度，而且温度的高地还影响作物的健康。作物生长必须保持适中的温度，不能过高，也不能过低。当作物所受温度过低，会使作物出现冷害和冻害两种情况。而温度过高引起作物受到损害的情况相对较少。作物在进行生长时可以吸收大气中的二氧化碳，使大气中二氧化碳含量趋于稳定，通过吸收二氧化碳来进行自身的光合作用为其生长[6]。
在作物生长时，不可能完全依靠二氧化碳的扩散作用完成，通过使空气自由流动，使大量二氧化碳经过作物页面来提高光合作用的强度。通过这一原则，在进行大量生产时对作物栽培距离要用所把握，使作物生产环境中的空气可以自由流通[7]。所以在设计温室环境中设立监测系统来测定温室中出现的情况十分有利于作物产量和质量，对温室中所反映的数据进行准确处理，会对温室中作物生长情况有充足的信息，利于对其进行科学化管理[8]。如果在监测时采用以往的人工监测会导致大量人力资源的浪费，增加生产成本，很难做到作物反应数据上的统一和有效管理。面对这一情况，若在温室农业中安置一种经济实用，可以监测大量环境参数的系统，将会大大减少温室设计成本，也有利于其在农业中的发展[9]。反应一个国家的社会经济情况的基础信息是该国农产品产量和质量，农产品的产量大小会直接影响着国家未来经济发展计划，也影响国家民生问题。对国家种植领域中有效管理具有非常重要的意义[10]。在设计温室环境时需要根据在实践中出现的问题，比如监测系统的设计上要具有前沿性和实效性，及时对作物生长进行实时监测，分析环境中出现的数据、对作物产生的影响。这种方式不仅对国家，而且对农民生产生活都具有非常重要的意义[11]。
如今的农业领域随着科学，信息化时代的进步也加入了新鲜的血液，导致落后的，效率低的生产方式无法满足生产需要。物联网的加入使得农业领域有了新的机遇。未来农业的发展趋势是新型的，是高校高产的，农业领域的改变要以信息化农业发展，提高农业在生产时的科学技水平，改变生产方式，使农业在如今新型环境下紧跟社会发展步伐[12]。在温室环境的监测中充分对所出现的环境参数进行分析，通过无线网络技术传输到监测中心，通过系统分析，使用系统的人员可以对温室内情况一目了然，提高作物上产量。
以往的温室中需要安装大量的传感器来监测内作物的生产状况，但是在本文设计的系统中采用无线传感器对棚内数据进行实时采集[13]。这种无线传感器操作十分简单，而且设计范围广，根据棚内的变化得到相应的数值，对温室环境发展具有重要的经济意义。从发展的角度观看温室发展情况，通过采用本监测系统，全方位利用农业信息科学技术，使得农业发展趋于现代化，不仅为农民带来了许多便捷，也为社会经济发展带来的不菲的效益。

第7章 总结与展望

本文主要致力于设施农业生产管理系统的设计与实现。本文主要工作如下： 

综合了国内外设施农业发展现状，通过分析和比较国内设施农业存在的不足。根据已有的技术条件，得出了设施农业生产管理系统设计的理论依据。鉴于传统技术暴露出的不足以及物联网技术的诸多优点和它的迅速发展和普及，提出了使用物联网技术作为设施农业生产管理系统的实现方案。对系统进行功能需求分析，通过用例图展现软件的功能，给出用例分析。给出设施农业生产管理系统软件的开发流程。重点阐述了数据库的设计、分析软件的整体框架，给出各个子功能模块的详细设计方案。综合国内已有的农业传感器、传输与网络设备的特点。以经济性、可靠性以及易扩展性为准则，给出了系统集成方案。根据需求分析，制定系统测试用例，给出测试结果。测试表明，本文设计的设施农业生产管理系统满足实际应用需求。
针对设施农业物联网应用，还需要重点解决设施农业综合感知、设施农业数据仓库关键技术，开发低成本、高可靠的农业传感器与数据采集终端、搭建更健全的农业气象、土肥、植保、农技等数据仓库。
（1）设施农业综合感知系统开发 
农业物联网是集各种传感器、协同感知、协同信息处理、无线网络通信与应用服务的综合信息系统，涉及农产品生产各个关键环节信息获取。现有的传感器与数据采集终端，特别是作物环境信息（土壤营养、水质、重金属等）、作物本体信息、农产品品质监测等传感器与满足农业复杂环境的低成本、高可靠数据采集终端产品距离实际需求还有很大差距。因此，需在梳理国内外现有技术基础上，通过产学研用联合攻关、引进消化国外先进技术，突破温室环境、作物本体等信息获取的传感器与数据采集终端共性关键技术，开发适用于国情的农用传感器与信息获取终端设备，建立设施农业物联网感知技术支撑体系。
（2）设施农业数据仓库关键技术研究 
通过感知层获取的空气、土壤、气象、植物病虫害等信息，需要进行进一步的加工、处理。因此要研究多源农业数据的抽取、转换、清洗以及装载技术，整合分布在各地的数据资源以及感知层获取的信息资源，，建设气象数据仓库、土壤类型与施肥数据仓库、植物保护数据仓库，集成农作物品种选择、病虫害诊断、施肥决策等知识模型建立农业专业服务知识仓库，为设施农业生产应用系统提供数据与知识支撑。
 
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本文编号：128560