智慧大棚物联网应用.docx

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智慧大棚物联网应用

河北农业大学信息学院

本科毕业论文

题目：

智慧大棚-物联网应用

摘要

物联网的概念是在1999年提出的，物联网的英文名：

InternetofThings（IOT），也称为WebofThings。

被视为互联网的应用扩展，应用创新是物联网的发展的核心，以用户体验为核心的创新是物联网发展的灵魂。

物联网博欣将物联网定义为通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外线感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。

其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。

从技术架构上来看，物联网可分为三层：

感知层、网络层和应用层。

感知层由各种传感器以及传感器网关构技术架构图示成，包括二氧化碳浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。

感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网识别物体、采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。

网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。

应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。

物联网的行业特性主要体现在其应用领域内，绿色农业、工业监控、公共安全、城市管理、远程医疗、智能家居、智能交通和环境监测等各个行业均有物联网应用的尝试，某些行业已经积累一些成功的案例。

物联拥有业界最完整的专业物联产品系列，覆盖从传感器、控制器到云计算的各种应用。

产品服务智能家居、交通物流、环境保护、公共安全、智能消防、工业监测、个人健康等各种领域。

构建了“质量好、技术优、专业性强，成本低，满足客户需求”的综合优势，持续为客户提供有竞争力的产品和服务。

物联网产业是当今世界经济和科技发展的战略制高点之一，据了解，全国物联网产业规模预计2015年将超过5000亿元。

关键字：

物联网，传感器，RFID，无线通信，绿色农业

Abstract

Theconceptofthingsisputforwardin1999,theInternetofthingsEnglishName:

InternetofThings（IOT）,alsoknownasWebofThings.RegardedastheextensionofInternetapplication,applicationofinnovationisthecoreofthedevelopmentoftheInternetofthings,totheuserexperienceasthecoreofinnovationisthesoulofthedevelopmentoftheInternetofthings.TheInternetofthingswillbedefinedasthecompanyofInternetofthingsthroughvariousinformationsensingequipment,suchassensors,radiofrequencyidentification（RFID）technology,globalpositioningsystem,infraredsensors,laserscanner,gassensorsandotherequipmentandtechnology,real-timeacquisitionofanymonitoring,eventheobjectorprocessconnection,interaction,collectingtheirsound,light,heatelectrical,mechanical,chemical,biological,locationandotherinformation,allkindsofneeds,combinedwithahugenetworkformationandtheinternet.Theaimistoachievetheobjectsandobjects,objectsandpeople,allthegoodsandnetworkconnection,easytoidentify,manageandcontrol.

Fromthetechnicalarchitecturepointofview,theInternetofthingscanbedividedintothreelayers:

theperceptionlayer,networklayerandapplicationlayer.Theperceptuallayercomposedofvarioussensorsandsensorgatewayconfigurationtechnologyarchitecturediagrams,includingcarbondioxideconcentrationsensor,temperaturesensor,humiditysensor,atwo-dimensioncodetag,RFIDtagandreader,camera,GPSsensingterminal.Theperceptuallayerisequivalenttotheroleofhumaneyeandskinnerveendings,itisasourceofinformationgatheringnetwork,objectrecognition,anditsmainfunctionistoidentifyobjects,informationcollection.Thenetworklayeriscomposedofvariousprivatenetwork,Internet,cableandwirelesscommunicationnetworks,networkmanagementsystemsandcloudcomputingplatform,thenervecenterandequivalenttothehumanbrain,isresponsibleforthetransmissionandprocessingofinformationperceptionlayer.Theapplicationlayeristhenetworkandtheuser（includingpeople,organizationsandothersystem）interface,itcombineswiththeindustryneeds,realizetheintelligentapplicationoftheInternetofthings.TheindustrycharacteristicsoftheInternetofthingsismainlyembodiedintheapplicationareas,trygreenagriculture,industrialmonitoring,publicsecurity,citymanagement,remotemedicaltreatment,intelligentHomeFurnishing,intelligenttrafficandenvironmentalmonitoringandotherindustriesareapplicationsoftheInternetofthings,someindustrieshaveaccumulatedsomesuccessfulcases.

Complexhastheindustry'smostcompleteprofessionalcomplexseriesofproducts,coveringavarietyofapplicationsfromthesensor,thecontrollertocloudcomputing.ProductsandservicesofintelligentHomeFurnishing,transportation,environmentalprotection,publicsecurity,intelligentfire,industrialmonitoring,personalhealthandotherfields.Constructionofthe"goodquality,technicalquality,professionalandstrong,lowcost,thecomprehensiveadvantagestomeetcustomerdemand",continuetoprovidecompetitiveproductsandservicestocustomers.TheInternetofthingsindustryisoneofthestrategichighground,theworldeconomyandthedevelopmentofscienceandtechnologyitisunderstood,theIOTindustryscaleisexpectedin2015willbemorethan500000000000yuan.

Keywords:

network,sensor,RFID,wirelesscommunication,greenagriculture

1.绪论

1.1课题背景

目前我国温室大棚生产的特点是把个体生产和规模化生产相结合，在单个温室大棚生产实现智能自动化的基础上，实现连栋温室大棚的规模化生产，既能满足个体农民生产的需要，又便于企业规模生产。

如果仅靠人工控制既耗人力，又容易发生差错。

为此，在现代化的大棚管理中需要有一套完整的大棚自动控制系统，以控制大棚各项参数，适应生产需要。

物联网技术的出现为满足这种需求提供了一种可能。

物联网已成为2010年后最热门的话题之一，被认为是继计算机、互联网之后的第三次信息时代大革命。

物联网在政府、企业和群众的热情期盼中，终于敲定于2011年开始招收新生。

物联网作为一门专业课程正式进入高校培训人才的教学课程里面，不但是国家和政府大力发展物联网产业的巨大体现，也是国家在人才培养模式上作出及时反映的重大举措。

由于专业的发展，高校对物联网实验设备的需求也日趋高涨，2010年7月20日，教育部向社会公布了2012年全国各高校140个本科新专业详细名单，其中“物联网工程”专业占据30个高居榜首。

随着物联网产业化的慢慢实施，高校对物联网实验设备的需求也在提高，另外嵌入式的高速发展，也将继续推动物联网产业的发展，把物联网技术置入嵌入式中，是今后发展的一个重点。

物联网作为新兴产业之一，已经成为各国的发展战略。

包括Google在内的互联网厂商、IBM、思科在内的设备制造商和方案解决商以及AT&T、Verizon、中国移动、中国电信等在内的电信运营企业纷纷加速了物联网的战略布局，以期在未来的物联网领域取得先发优势。

但是，由于核心技术还不成熟，标准体系尚待建立等问题，物联网的发展仍处于研究阶段，而物联网的应用也更多的是处于初级阶段。

物联网产业的发展仍需要国家政策的大力支持和各运营商以及整个产业界的共同努力。

1.2立题的目的和意义

物联网是指物体通过装入射频识别设备、红外感应器、GPS或其他方式进行连接，然后通过移动通信网络或其他方式接入到互联网，最终形成智能网络，通过电脑或手机实现对物体的智能化管理和信息采集分析。

结合Internet发展物联网技术，构建基于物联网技术的智能蔬菜大棚，可以在有限资金投入的基础上，实现蔬菜大棚的科学化管理，提高农业增收。

这种蔬菜大棚采用传感器来替代人工管理，使用基于Internet的物联网来实现精确而专业的蔬菜管理，放宽了菜农的蔬菜种植水平，使得不具备专业知识的人员都可实现大棚蔬菜的种植，从而拓宽致富道路，实现农业创收。

物联网在农业领域中有着广泛的应用。

从农产品生产不同的阶段来看，无论是从种植的培育阶段、收获阶段，还是贮存、销售阶段，都可以用物联网的技术来提高其工作的效率和精细管理。

（1）在种植准备的阶段，可以在温室里面布置很多的传感器，分析实时的土壤信息，来选择合适的农作物。

（2）在种植和培育阶段，可以用物联网的技术手段采集温度、湿度的信息，进行高效的管理，从而应对环境的变化。

（3）在农产品的收获阶段，也同样可以利用物联网的信息，对其传输阶段、使用阶段的各种性能进行采集，反馈到前端，从而在种植收获阶段进行更精准的测算。

（4）提高效率，节省人工，如果是大面积的农场，要对各大棚进行浇水施肥，手工加温，手工卷帘，那要用大量的时间和人员来操作。

如果应用了物联网技术，手动控制也只需点击鼠标的微小的动作，前后不过几秒，完全替代了人工操作的繁琐。

1.3植被栽培技术

植被“设施栽培”，即“保护地栽培”。

它是指在某种类型的保护设施内（如阳畦、温室、大棚等），人为地创造适宜植被生长发育的最佳环境条件，在不同季节内，尤其是不利于植被生长的季节内进行植被栽培的一种措施。

设施栽培是人类利用自然、改造自然的一种创造。

由于设施内的条件是可以人为控制的，使得植被的周年生产得以实现。

玻璃温室和塑料薄膜温室出现后，植被生产出现了划时代的变化。

现在人们可以根据自己的意愿，随时生产出所需要的各种植被。

可以说，这是“设施栽培”的功劳。

在不利于植被生长的自然环境中，温室能够创造适宜植被生长发育的条件。

温室环境的调节主要包括日光、温度、湿度三个方面。

温度：

根据植被生长的适宜温度进行温室温度调节，若低于下限温度则采取升温措施，通常采取电热增温和火力增温等，火力增温比较方便。

若高于上限温度则采取降温措施，通常通过水管降温和风扇降温，风扇降温比较方便。

日光：

遮荫是调节日照强度最好的办法，其具体做法是加盖遮阳网或草席，这种方法兼有降低温度的效果。

湿度：

为满足温室植被对湿度的要求，可以在地上、台阶、盆壁洒水，还可以在空中悬挂湿布，以增加水分的蒸发，最好的办法是设置自动喷雾装置，自动调节湿度。

如果湿度过大，容易导致植被病害，可以采用通风的办法来降低湿度，而且最好在室温与气温相差不大的时候进行。

本系统注重温度湿度和光照的调节。

1.4本系统主要研究内容

基于物联网的智能温室控制系统采用当前热门的物联网技术、嵌入式技术和传感器技术相结合的方法，精心挑选各种传感器（温度传感器、湿度传感器、光照度传感器），不仅能对温室大棚生产过程中的参数在线高精度测量，而且能实现温室内温度调节、湿度调节、光照调节等智能控制，自动实现保温、保湿、在线监控和历史数据的记录。

智能温室控制实训系统还具有远程访问与控制功能。

用户使用PC机不仅可以远程访问温室内的相关数据，实时观察植物的长势，还可以远程控制温室内部的执行器件（风扇、电磁阀、LED灯）来改变温室内部环境；使用手机同样可以远程访问温室内部环境的各项数据指标，远程控制温室内部的执行器件。

智能温室控制系统是学生学习高新技术，提高动手能力的最佳实训平台。

它以温室大棚这个现实模型为依托，囊括了物联网技术、嵌入式技术、传感器技术、网络技术、单片机技术以及自动控制理论。

2.系统总体分析

2.1总体方案：

智慧大棚工作原理

图2.1物联网智能温室控制系统原理图

2.2WIFI模块

HLK-RM04是海凌科电子新推出的低成本嵌入式UART-ETH-WIFI（串口-以太网-无线网）模块。

本产品是基于通用串行接口的符合网络标准的嵌入式模块，内置TCP/IP协议栈，能够实现用户串口、以太网、无线网（WIFI）3个接口之间的转换。

通过HLK-RM04模块，传统的串口设备在不需要更改任何配置的情况下，即可通过Internet网络传输自己的数据。

为用户的串口设备通过网络传输数据提供完整快速的解决方案。

图2.2wifi功能结构

配置网络参数：

PC设置为静态IP模式通过以太网或者WIFI的方式连接上模块。

IP地址设置为192.168.16.100/255.255.255.0，网关为192.168.16.254。

浏览器打开http:

//192.168.16.254/ser2net.asp，进入web配置页面，默认用户名密码为admin/admin。

通过web修改相应的网络参数。

此时模块ip地址为192.168.16.254。

配置串口转网络参数：

浏览器打开http:

//192.168.16.254/ser2net.asp，进入串口转网络web配置页面。

根据需要，通过web页面配置串口转网络参数。

模块功能可以分为4大模式：

默认模式、串口转以太网、串口转WIFICLIENT及串口转WIFIAP。

本系统应用默认模式

图2.3wifi默认模式功能图

该模式下，WIFI使能，工作在AP模式下，ETH1、ETH2功能使能,ETH1作为WAN,ETH2作为LAN。

通过适当的设置，COM1的数据与网路数据相互转换。

WIFI安全方面支持目前所有的加密方式。

此模式下，WIFI设备能连接到模块，成为WIFI局域网下的设备。

WAN端默认动态IP地址方式。

LAN、WIFI为同一局域网，默认开启DHCP服务器。

串口工作状态转换：

模块将串口的工作状态定义为2种模式：

透传模式、AT指令模式。

图2.4wifi透传模式结构图

正常上电后，模块会检查当前的网络串口配置是否正常，如果网络连接正常，则模块自动进入透传模式，否则模块进入AT指令模式。

透传模式进入AT指令模式有以下2种方法：

ES/RST引脚，在任意状态下，保持ES/RST脚低电平的时间大于Tes且小于Trst，将立即进入AT指令模式。

图2.5wifi透传模式传输结构图

特定的串口数据，串口退出透传功能开启后，可以通过发送特定的串口数据让模块退出透传。

串口退出透传过程如下：

图2.6wifi透传模式结构图

Tpt：

串口组帧时间。

间隔时间大于组帧时间连续发送3个“+”，然后等待约500ms（400ms<>600ms），间隔时间大于组帧时间连续发送3个0x1B。

模块即可退出透传模式。

串口-网络数据转换：

模块的串口-网络数据转换分为4种模式：

TCPServer、TCPClinet、UDPServer、UDPClient。

本系统应用TCPClinet。

图2.7wifiTCPclient模式结构图

该模式下，模块连接指定的域名/IP、端口。

所有从TCPServer端发送来的数据直接发送到串口端，串口端的数据发送到TCPServer端。

异常的网络断开会导致模块主动重连。

TCP主动重连功能使能情况下，TCPServer主动断开连接，模块会立即主动重连，否则模块不会重连。

WEB页面配置：

图2.8wifi模块设置图

2.3单片机传感器数据传输详解

DHT11温湿度传感器：

通过数字信号传输方式，传送数据给单片机。

DATA 用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。

BH1750光强传感器：

采用IIC传输方式，传送给单片机。

BH1750环境光传感器内置16位的模数转换器，它能够直接输出一个数字信号，不需要再做复杂的计算。

这是一种更精良的和容易使用简易电阻器的版本，通过计算电压,来获得有效的数据。

这款环境光传感器能够直接通过光度计来测量。

光强度的单位是“lx”。

当物体在均匀的光照下它能够在每平方米获得1lx的光通量，它们的光强度是1lx。

有时为了充分利用光源，你可以增加一个光源的反射装置。

那样在某些方向就能获得更多的光通量，以增加被照表面的亮度。

2.4智慧大棚功能详述

物联网智能温室控制系统采用当前比较热门的WIFI技术、51单片机技术和传感器技术相结合的方式，精准采集温室内部环境的各项指标，驱动相应执行器件（风扇、LED灯、电磁阀）平稳控制温室内部环境的变化。

实现了如下功能。

（1）温湿度监测功能

温湿度采集节点配有温湿度传感器DHT11，实时监测温室内部空气的温度和湿度。

测湿精度可达±4.5%RH，测温精度可达±0.5℃（在25℃）。

（2）光照度监测功能

光照度采集节点配有温度传感器BH1750，实现对温室内部光照情况的检测，它能够直接输出一个数字信号，不需要再进行复杂计算。

（3）局域网远程访问与控制功能

物联网通过WIFI加入局域网。

这样用户便可以使用PC机访问物联网数据，通过操作界面远程控制温室内的执行器件，维护系统稳定。

（4）控制参数设定及浏览

对所要实现自动控制的参数（温度、湿度）进行调控，以满足自动控制的要求。

用户既可以直接操作网关界面上的按钮来完成系统平衡参数的调控，又可以通过PC机或手机远程访的方式完成参数的调控。

（5）控制风扇降低温度

温室内温度高于设定值时，系统便打开风扇降温，直到温度达到设定值为止。

（6）控制电磁阀给土壤加湿功能

如果温室内土壤湿度小于设定值，系统会开启电磁阀给土壤浇水，达到设定值后便关闭电磁阀停止浇水。

控制LED灯给植物进行光合作用

植物光合作用需要光照。

当光照度低于系统设定值时，系统会自动打开LED灯为植物提供充足的光照。

（8）显示实时数据曲线

实时趋势数据曲线可将系统采集到的温室内的数据以实时变化曲线的形式显示出来，便于观察系统某时间段内整体的检测状况。

（9）显示历史数据曲线

可显示出温室内各测量参数的日、月、年参数变化曲线，根据该曲线可合理的设置参数，可分析环境的变化对植物生长的影响。

3.智慧大棚规格

3.1STC12C5A60S28051单片机

图3.1STC12C5A60S2系列单片机的内部