芤山物联网传感器数据采集系统技术方案.docx
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芤山物联网传感器数据采集系统技术方案
芤山物联网传感器数据采集系统技术方案
芤山地处汶川县雁门乡，是一个生产优质水果蔬菜的地方，所以我们组的项目主要就是针对芤山的水果蔬菜种植业进行传感器的安装和数据的采集以及分析和存储。
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经过调查发现：
示范园地处野外，且栽种果树等植物，经常刮风下雨打雷和日晒，环境恶劣，因此决定采用无线传感器方案。
本系统使用的各类无线传感器均支持低功耗运行支持Zigbee无线网络传输技术，系统无线通信频段可以是2.4GHz或780MHz，可使用廉价的干电池供电6个月或2年。
Zigbee技术采用了碰撞避免机制,避免了竞争和冲突。
节点模块间具有自动动态组网功能,保证采集数据在整个无线网络中通过自动路由方式进行传输的可靠性。
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目前传统农业的管理模式已远不能适应农业可持续发展的需要，产品质量问题，资源严重不足且普遍浪费，环境污染，产品种类需求多样化等诸多问题使农业的发展陷入恶性循环，而智能农业为现代农业的发展提供了一条光明之路，智能农业与传统农业相比最大的特点是以高新技术和科学管理换取对资源的最大节约。
智能农业是当今世界农业发展的新潮流，是由信息技术支持的根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统，其基本涵义是根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。
物联网智能农业的道路上，基于无线传感网的物联网智能农业系统更具发展潜力，无线网络具有较高的传输带宽、抗干扰能力强、安全保密性好，而且功率谱密度低。
利用上述特点，可组建针对农田信息采集和管理的无线网络，实现农田信息的无线、实时传输。
同时，可以给用户提供更多的决策信息和技术支持，实现整个系统的远程管理。
随着物联网技术的发展，基于物联网的智能农业系统致力于将智能农业从概念化转化为产业化，更专注于应用领域和产品化，力图为智能农业的大规模推广应用打下良好的基础。
通过此项目的实施，可以实现以下几个目标：
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建立无线网络监测平台，对农产品的生长过程进行全面监管和精准调控。
在中控控制系统中，物联网系统的温度传感器、湿度传感器、PH值传感器等检测环境中的温度、相对湿度、PH值、光照强度、土壤养分等物理量参数，通过各种仪器仪表实时显示或作为自动控制的参变量参与到自动控制中，保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。
远程控制的实现使技术人员在办公室就能对果园田地的环境进行监测控制。
采用无线网络来测量来获得作物生长的最佳条件，可以为温室精准调控提供科学依据，达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。
第1部分方案设计
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芤山物联网数据采集系统对大棚蔬菜水果的空气温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤含水量传感器、光照度传感器、PH值传感器、CO2传感器”数据收集”、“数据分析处理”,”数据存储”三个方面。
其系统结构如图1-1所示：
图1-1芤山物联网数据采集系统总体结构图
芤山物联网数据采集系统，可以对农业产品生长起到快速调控的作用。
该系统主要具有以下功能：
●可收集大棚蔬菜各种数据；
●具有有机农产品绿色无污染功能；
●具有有机农产品初期溯源信息查询功能；
●具有实时调控大棚内各种数据；
●提供了决策分析功能；
●可导出部分数据给用户；
“数据存储模块”是接收来自传感器、RFID、摄像机等设备的数据，解析后写入相应的数据库中。
要具有以下功能：
●可接收传感器、RFID和摄像机的数据，解析后写入数据库；
●可接收有机生态农业数字精准控制系统的控制命令；
“芤山物联网数据采集稀有”应部署构成一个内部局域网，通过有线或无线网络采集数据。
整个系统的布局结构如图1-2所示：
图芤山物联网数据采集系统布局结构图
数据采集系统的功能是接收到现场传感器传回的数据，对数据进行自动保存，分析，并进行实时的显示。
该系统应当以适当方式（比如图片和数字混合方式）显示收到的采集数据，比如表格，图表等等，达到让操作员一目了然的效果。
数据采集系统处理流程如图2-7所示：
图2-7数据采集系统处理流程图
数据库服务器
数据库服务器选用MircrosoftSQL-SERVER2005。
该软件不需要我们开发，但需要我们进行软件的配置和管理。
功能：
数据库服务器用于存放传感器采集的气象、环境监控数据，以及示理信息，软件配置参数信息，溯源信息等。
特性：
示范点的数据库服务器运行于示范点内部，要求可以在不于Internet连接的情况下，稳定，可靠地运行。
并且还要易于维护，可以在无人值守的情况下24小时不间断工作，以及在停电后，再通电的情况下自动恢复到正常的工作状态。
2.3.2服务器软件：
服务器软件是与硬件通讯，采集现场测量数据并控制硬件作出动作的服务器软件，该软件由我们负责开发，是底层的核心软件。
我们将该服务器取名叫CC-Server。
功能：
CC-SERVER的主要功能之一是负责与示范点的所有设备进行通讯，接收各个示范点现场设备发来的监测数据。
并对接收到数据进行处理，分析。
将原始数据或者分析的数据保存到数据库服务器中，并通知上层的示范园主控界面软件CC-UI，CC-UI是用户直接面对和操作的有界面的软件，它的功能是在界面上显示数据及分析数据，并允许操作员发出控制硬件设备的消息指令。
特性：
CC-SERVER负责与现场的硬件打交道，让上层的可视化监测软件无需关心具体的硬件。
具体分为两个方面：
一方面，CC-SERVER收到数据后，向数据库写入数据，然后发送消息通知上层CC-UI软件，CC-UI软件收到消息后，只需要在数据库中取出数据并呈现出来即可。
另一方面，如果上层的CC-UI软件需要控制现场的设备，也只需要向CC-SERVER发送相应的消息指令即可，具体的硬件操作指令由CC-SERVER完成。
CC-SERVER与上层软件之间的消息通知方式采用阻塞式（而不是轮询式）的通知方式，适时性强，数据收发，命令执行都会在第一时间完成。
CC-SERVER与CC-UI两个软件之间采用低耦合方式通信，互相独立运行。
只有在需要通信的时候才通过消息连接起来。
这样做的好处是方便软件的升级，维护和管理。
硬件系统设计概要
（1）数据采集系统，通过建立无线传感器网络，获取示范区域的各种信息。
这些传感器包括温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光传感器、离子传感器、生物传感器、CO2传感器等设备，检测环境中的温度、相对湿度、PH值、光照强度、土壤养分、CO2浓度等物理量参数，通过各种仪器仪表实时显示或作为自动控制的参变量参与到自动控制中，保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。
当然，鉴于前期经费有限，不一定实现全部传感器，但是系统提供足够的扩展接口，支持系统传感器的无缝扩充。
在图3-1中芤山有机农业大棚蔬菜数据采集系统采用无线传感器网络，通过ZigBee无线网关把各种传感器信息传递到示范园控制中心服务器中，作为其专家决策系统的依据。
滴灌系统的灌溉控制器通过网络与示范园控制中心服务器相连。
一个灌溉控制器可以控制16站控制，一个站支持4个电磁阀，完全满足本示范园要求；养殖监测系统由无线摄像机及RFID系统构成，通过无线AP与控制中心相连。
数据采集系统
数据采集系统的用户界面设计如图2-8所示：
图2-8数据采集系统用户界面
数据处理与分析
以下是10月10日到10月16日的各项测量指标变化情况：
数据分析：
从温度的变化趋势来说，一天之中棚内的最高气温基本出现在午后2点左右，早晚的棚内气温较低，为了棚内作物正常生长，建议在早晚时候适当向棚内加热使温度提高来2-3度左右。
从湿度变化情况看，一天中的棚内湿度变化不是特别的大，而且比较适宜作物生长，可以不作调整。
从光照强度看，棚内一天的光照强度在11点至14点的光照强度较大，作物能够充分进行光合作用，在早上8点，晚上7点以后建议开启辅助光源，使作物能够利用充足时间进行光合作用。
最后，土壤的ph值变化不明显，只有在雨天是变化较大，由于雨水呈弱酸性，建议在下雨后对土壤施用弱碱性的化肥。
根据各项测量数据变化情况，适当对棚内环境进行调节，能在作物正常健康的生长。
系统总体上考虑到示范园地处野外，且栽种果树等植物，经常刮风下雨打雷和日晒，环境恶劣，因此决定采用无线传感器方案。
本系统使用的各类无线传感器均支持低功耗运行支持Zigbee无线网络传输技术，系统无线通信频段可以是2.4GHz或780MHz，可使用廉价的干电池供电6个月或2年。
Zigbee技术采用了碰撞避免机制,避免了竞争和冲突。
节点模块间具有自动动态组网功能,保证采集数据在整个无线网络中通过自动路由方式进行传输的可靠性。
本系统通过在对果园及相关区域内灵活部署的各类无线传感器（空气温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤含水量传感器、光照度传感器、PH值传感器去、CO2传感器）和网络传输设备，实时采集示范园中的作物的温度，湿度、光照、土壤温度、土壤含水量、PH值、CO2浓度等与农作物生长密切相关环境参数，以便数据服务器存储实时监测数据，作为示范园智能分析与控制决策的依据，并自动开启或者关闭指定设备（如自动控制滴灌等）。
为了方便部署和调整位置，所有传感器均采用电池供电、无线数据传输，免去电源线和数据线的安装问题，也方便日后更换传感器的监测位置。
仅需在少量固定位置提供交流220V市电（如：
风机、水泵等）。
由于前期示范投入不大，传感器种类在本系统中不可能全部都选择。
但我们在考虑无线传感器数据采集器的选用上，为后继的传感器的外接装有预留端子，以后可根据需要外接CO2浓度等多种传感器。
系统将对示范区35亩果园进行空气和土壤温湿度监测，数据采集间隔为30分钟。
大概每50x50米见方建立一个采集点，因此总共需要20个采集点。
由于共有两个果园，每个果园分别使用一个无线智能网关，因此共采用2个支持ZigBee技术的无线智能网关。
无线网关在系统中处于核心地位，所有传感器采集点的数据都要汇集到网关中，由网关通过局域网将所有采集数据传到控制中心相应的数据服务器上。
每个采集点由一个玻璃钢百叶箱（可防雨、防日晒等恶劣环境，并具有防雷针防雷击，具有电磁防护罩防止电磁干扰）和若干含ZigBee无线传输功能的传感器构成，采集点的大体布点如图3-2所示。
图3-2采集系统布点图
如图3-2所示，每个果园分别由若干采集点和一个无线网关构成，无线网关通过双绞线与控制中心的交换机相连。
由于无线网关支持800米无中继数据传输，确保两个果园最远处的采集信息也可以方便的传输到网关处。
如果实际布点中发现个别采集点位置距离较远，我们考虑了增加网关结点，转发较远终端的数据，保证网络工作稳定。
图3-3采集系统示意图
图3-3为各个采集器收集各类传感器采集的数据布点，通过无线智能网关发往控制中心的示意图。
传感器数据上传采用低功耗无线传输模式，传感器数据通过无线发送模块，采用Zigbee技术将数据无线传送到百叶箱采集点，然后再上传到无线智能网关节点上，由无线智能网关节点将传感器采集的数据封装后发送到控制中心业务平台存储和处理。
图34ZigbeePro无线网关模块
系统Zigbee无线网关采用标准的ZigBeePRO协议，通讯距离大于800米，如图3-4。
网络无线传感器采集器（图3-5）由采集器和各种传感器构成，采用支持多类型传感器多接口外置，支持WSN无线路由实现大规模自组织拓扑网络。
考虑到数据采集点皆处于野外，系统采用的各种传感器及采集器统一安装在玻璃钢百叶箱中，且安装采集点的百叶箱必须防雨防晒，安装稳定防止风吹，还需要安装避雷针进行防雷处理，确保各个采集点的无线传感器在各种条件下正常工作。
图3-5无线传感采集器
第4部分系统实施方案
4.1项目管理计划
“芤山有机农业示范园”项目的建设要求参与人员目标明确、协调一致、分工合作来共同完成，提出以下项目组成员应共同遵循的工作原则。
●目标明确
项目组每个成员都要明确项目的最终目标，以及每个阶段的任务分解后形成的阶段目标，并围绕这些目标开展工作，按时保质达成目标。
●服从管理
团队开发属于多人参与，任何工作围绕工作目标开展，服从管理是在对项目的理解和认可之上分工协作形成合力的基础。
●工作计划和汇报
在功能原型开发阶段，项目组尝试进行了工作计划和汇报的方式，发现不仅有利于对项目整体进展情况跟踪和把握，同时有利于项目的总结和回溯，在正式开发阶段，我们将继续推进该方法。
●积极参与，分工协作
积极参与是对工作态度的基本要求，项目的进度、遇到困难，都要依靠积极的工作态度努力寻求解决途径，消极的等待别人的帮助或者没有积极的心态，不可能解决任何问题。
在积极参与的基础上，将根据每个人的特点和擅长的工作进行分工，形成分工协作的有效团队结构。
●统一规划设计
项目工作要突出规划设计，设计体现产品功能、定义开发边界，开发围绕设计进行，才能最大程度保证工作不偏离目标。
●标准化规范化
开发要遵照代码编写规范进行，开发过程参照CMMI相关流程和要求进行。
●项目过程模型
“芤山有机农业示范园”在整个项目开发过程中都将遵循微软解决方案框架模型（MSF）。
为了能够提高开发效率及降低开发风险，项目组内人员每天需提交工作日志，列出当前完成工作、遇到问题情况，尤其是需要讨论的问题。
每周末，项目组内召开会议。
总结项目一周的情况。
对于突发事件需要讨论的。
随时开会。
项目组成员需要根据项目计划及相关的任务分解完成当天安排的项目工作，并在每天下午5点向项目经理提交当天的工作日志，工作日志格式需严格按照模版来填写。
“芤山有机农业示范园”项目组成员会定期在每周五下午召开项目例会，总结本周项目组成员的工作情况，了解当前的项目进度，以及明确下周的工作安排，还会围绕在开发过程中出现的技术难题进行交流。
4.2开发管理计划
为了尽快完成项目的软件系统开发，从公司及合作单位共同组建高水平开发队伍，针对示范园项目的要求，尽快完成软件开发任务。
开发人员由1名项目开发负责人、1名架构设计师、10名开发工程师及2名测试人员构成。
首先对项目需求进行进一步分析，确定系统各部分关键技术。
然后进行总体设计，分析并设计系统框架，接着进行概要设计，确保各个模块接口科学，然后进行编码工作。
4.3测试管理计划
整个测试过程需要按照规定的测试流程进行：
（测试管理流程）
名称
功能描述
LoadRuner
软件测试及性能分析工具
TestDirector
Bug提交及管理工具
开发人员在正式提交测试前，应对自己所开发的模块进行内部测试，发现在开发过程中有可能出现的问题，并对代码的效率和可用性进行重点测试，修改测试开发过程中发现的所有问题，在确保所有功能可用的情况下才可提交测试申请，交由测试人员进行测试。
测试人员在收到配置管理人员提交的测试申请后，应立即根据测试功能点编写测试用例，并根据测试计划进行系统测试，测试过程中发现的所有bug都必须进入TDbug库进行管理，每天应根据前一天的测试情况给出测试报告及情况说明。
4.4用户体验计划
“芤山有机农业示范园”在经过开发和系统测试以后，应提交客户进行产品发布前的用户体验及试用，针对用户在试用过程中提出的问题及建议进行调整，最终提高系统的易用性和可用性。
第5部分硬件设备清单及参数
序号
设备名称
数量
技术参数及配置
1
传感器
20
采集、传输一体化设计，支持土壤温度、湿度；空气温度、湿度以及光照度、电池电压监控支持ZigBeePRO协议采用2.4GDSSS扩频技术支持电池供电，且正常工作情况下，电池更换周期在1年以上通信距离大于800米温湿度参数：
量程：
环境温度：
-20℃～60℃环境湿度：
0％RH～100％RH准确度：
环境温度:
±0.5℃（0℃～50℃）环境湿度：
±3％RH（5％RH～95％RH,25℃）长期稳定性：
环境温度：
≤0.5℃/y环境湿度：
≤1%RH/y分辨率：
0.1℃；0.1％RH工作时间：
≤1s启动时间：
≤1s休眠时间：
设置范围60s～65535s（默认60s）工作环境：
-20℃～60℃；5％RH～95％RH（非结露）存储条件：
-20℃～60℃；5％RH～95％RH（非结露）功耗：
最大≤25mA休眠≤4uA响应时间：
﹤30s（1m/s风速）电池寿命：
1年（1次/min，25℃±5℃，电量19Ah）安装方式：
一体式照度参数：
-------------------------------------------------------量程：
0Lux～50000Lux准确度：
±5%F•S分辨率：
1Lux长期稳定性：
≤2%/y工作时间：
≤1s启动时间：
≤1s休眠时间：
设置范围60s～65535s（默认60s）工作环境：
-20℃～60℃；5％RH～95％RH（非结露）存储条件：
-20℃～60℃；5％RH～95％RH（非结露）功耗：
最大≤25mA休眠≤4uA响应时间：
﹤30s电池寿命：
1年（1次/min，25℃±5℃，电量19Ah）土壤温度参数：
-------------------------------------------------------量程：
-20℃～60℃准确度：
±0.5℃（0℃～50℃）分辨率：
0.1℃长期稳定性：
≤0.1℃/y工作时间：
≤1s启动时间：
≤1s休眠时间：
设置范围60s～65535s（默认60s）工作环境：
-20℃～60℃；5％RH～95％RH（非结露）存储条件：
-20℃～60℃；5％RH～95％RH（非结露）功耗：
最大≤25mA休眠≤4uA响应时间：
﹤30s土壤水分参数：
-------------------------------------------------------量程：
0％～100％准确度：
±3%（0％～50％）分辨率：
0.1％RH长期稳定性：
≤3%/y工作时间：
≤1s启动时间：
≤1s休眠时间：
设置范围60s～65535s（默认60s）工作环境：
-20℃～60℃；5％RH～95％RH（非结露）存储条件：
-20℃～60℃；5％RH～95％RH（非结露）功耗：
最大≤25mA休眠≤4uA响应时间：
﹤30
2
无线网关
2
支持ZigBeePRO协议；通讯距离：
>=800m；支持百兆以太网；工作温度：
-20℃~60℃；工作湿度：
5~95％RH；支持200个无线传感（zigbee）节点；
3
百叶箱
20
玻璃钢百叶箱,放置无线传传感节点
4
电磁阀
10
采用工业耐用玻璃纤维尼龙材质，可以应用于极端工矿如化学介质，同时防止气蚀。
弹簧与螺栓、螺母采用不锈钢制造；关闭时无振动或水锤动作平缓，调节压力时稳定精确适用于低压工况无隔膜变形和腐蚀现象隔膜和弹簧完全满足阀门工作压力需要可选口径：
DN：
50，65，80，80L，100和150工作压力等级：
0.5~10公斤
5
增压水泵及控制柜
1
流量20方，扬程28米
6
施肥器
1
自动水动力比例施肥器
7
过滤器
2
能过滤水中的杂质，防止灌溉系统都市；3寸离心叠片过滤器，最大流量50m³/小时
8
PE管材
1
满足10亩的滴灌能承受0.8Mpa压力
9
滴灌管
1
满足10亩的滴灌，耐紫外线
10
变频控制系统
1
控制水泵，能保持水压平衡
11
滴灌系统实施费
1
12
全景视频监控摄像机
2
12倍变焦200万像素宽动态,低照度,日夜转换,数字降噪,隐私遮挡,自动跟踪视频输出：
1.0V[p-p]/75Ω,PAL或NTSC,BNC头通讯接口：
10M/100M网络数据帧频：
50HZ:
25帧（1920×1080）最低照度：
高灵敏度模式：
0.5Lux/F1.6（彩色）,0.08Lux/F1.6（黑白）水平范围360°连续旋转垂直范围-5°-90°（自动翻转）守望功能：
支持,预置点/花样扫描/巡航扫描/水平扫描/垂直扫描/随机扫描/帧扫描/全景扫描CMOS尺寸：
1/2.8"焦距：
4.7mm-94mm水品视角：
55.4-2.9度（广角-望远）工作温度与湿度：
-30℃~65℃（室外）/-10℃~50℃（室内）；湿度小于90%防护等级：
IP66（室外球）
13
范围视频监控摄像机
5
500线,10X变倍支持数据断电不丢失支持断电状态记忆功能，上电后自动回到断电前的云台和镜头状态支持内置温度感应器，可显示机内温度支持多种网络协议，TCP/IP、HTTP、DHCP、DNS、RTP/RTCP、PPPoE（FTP、SMTP、NTP、SNMP可添加）云台功能：
水平方向360°连续旋转，垂直方向-2°-90°，支持自动翻转，无监视盲区水平预置点速度最高可达400°/s，垂直预置点速度最高可达200°/s水平键控速度为0.3°~160°/220°/300°/s，垂直键控速度为0.3°~60°/75°/90°/s支持256个预置位，并具有预置点视频冻结功能支持8条巡航扫描，每条可添加32个预置点支持4条花样扫描，总记录时间大于10分钟支持比例变倍功能，旋转速度可以根据镜头变倍倍数自动调整支持守望功能，预置点/花样扫描/巡航扫描/自动扫描/随机扫描/帧扫描/全景扫描可在空闲状态停留指定时间后自动调用（包括上电后进入的空闲状态）
14
电子耳标
100
UHF频段,无源
15
RFID远距离读写器
1
支持RFID无线射频（UHF频段）；
支持Wi-Fi，通过无线网与局域网相连；
集成远距离激光条码扫描器；
手写输入，支持签名捕获功能；
读写距离<1.2m
16
有线无线一体化交换机
1
支持千兆以太网支持PoE+供电，每端口最大提供25W的功率，同时兼容802.11a/b/g/n协议。
工作环境温度：
0℃～45℃工作环境相对湿度：
10%～95%MTBF>40年（25℃）交换容量16G
17
无线AP
2
支持IEEE802.11b/g最大发射功率可达500mW，27dBm（可调）支持300米范围内稳定的无线连接工作温度：
-10ºC～65ºC工作湿度：
5%~95%（非冷凝）整机功耗：
<13WMTBF：
>250000HHealth：
FCCBulletinOET-65C，EN50371通过中国信息产业部无线设备型号核准
18
无线AP-client
7
19
中控服务器（滴灌\数据采集、存储等）
1
16G内存，CPU*2（IntelXeonProcessorE5-26034C1.8GHz10MB80WW/Fanx3650M4）；支持RAID01,54块硬盘
20
灌溉控制器
1
支持16站控制，每站支持4个电磁
升级会员 