平凉智能温室大棚管理系统.docx

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平凉智能温室大棚管理系统

智能温室大棚管理系统

甘肃伊爱电子信息技术有限公司

二〇一三年三月

1、系统背景

近年来，农业温室基础设施发展迅速，但是在自动监控方面仍存在着诸多问题。

温室监控区域较大，需要大量的传感器节点构成大型监控网络，通过各种传感器采集诸如温度、空气湿度、光照度、CO2、土壤湿度、EC值、pH值等信息，实现自动化监控。

传统温室监测及控制系统多采用有线连接，布线复杂，往往造成温室内线缆纵横交错、使用不便、安装维护困难、可靠性差等问题。

无线传感器技术被认为是满足温室应用需求且代替有线连接的最好方式；我公司结合最新的ZigBee无线技术，将传感器整合到无线传送网络中；通过在农业大棚内布置温度、湿度、光照、等传感器，对棚内环境进行检测，从而对棚内的温湿度，光照等进行自动化控制。

通过更加精细和动态监控的方式，来对农作物进行管理，更好的感知到农作物的环境，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平。

2、系统特点

2.1实现广范围的测量，需求传感器节点多

当前温室生产的首要特点就是监控区域很大，普通单个连栋温室都有几千平方米，而一个园区温室群的面积可能会在几百亩以上，因此需要大量的传感器节点构建传感器网络，在每个温室中采集诸如空气温度、空气湿度、光照强度、CO2、土壤湿度、营养液EC值、pH值以及室外天气参数等信息，除此以外，目前对农作物生理参数的检测也逐渐受到人们的重视，因此将会有更多的传感器节点被用于温室生产。

另外，用于驱动温室中执行机构的控制节点的数量也不能忽略。

由此可见，温室对其监测及控制系统的首要需求就是网络容量大。

2.2检测点位置灵活变动

温室中大量分散的传感器，但随着作物的生长而需要不断调整位置；或者当温室内生产的作物更替时，相应的电子检测装置和执行机构的位置也常常需要调整；另外，温室的利用结构也会经常根据用户需要而不断改变，这就要求系统中各个节点能根据需要随意变换位置而不影响系统工作。

2.3节点数目可随意增减

作物生长阶段不同，环境因子对作物的影响可能也不同，生长初期可能对温度比较敏感，而后期可能对光照比较敏感，这就要求系统可以随意改变节点的类型和数量。

除此以外，随着作物的生长，用户可能还需要对植物的生理参数进行监测而需要不断增加传感器节点。

在某些科研温室中，也经常需要改变传感器节点的类型和数量，以达到精确监测及控制。

上述这些情况都需要所用的监控系统的节点能随意增减。

2.4系统可靠性

系统故障而造成的经济损失不可估量。

如果系统出现问题而未能被及时发觉和修复，那么可能对作物造成致命的伤害，尤其在一些恶劣的天气，如高温和寒冷气候条件下，这将直接影响产量和收益。

另外，温室内湿度高、光照强、具有一定的酸性，都会导致线缆的腐蚀、老化，从而降低系统的可靠性和抗干扰性，这对于检查系统故障造成困难。

例如，当数据无法正常接收时，检查人员不知道是线路问题还是节点故障，这对及时发现和解决故障带来不便。

因此，温室测控系统必须要可靠。

3、系统介绍

3.1系统简介

温室大棚对环境的要求非常高，温度、湿度、光照、CO2、等一系列的参数均对其影响重大。

优秀的温室大棚管理，即对于以上环境变量的严格管理。

系统网络拓扑图如下：

    在本系统中，我们采用不同的传感器来实现对环境的监控，像无线温度传感器、无线湿度传感器、无线光照度传感器、无线CO2传感器等。

以无线温度传感器为例，该传感器采用三大模块组成：

1、温度传感器模块；2、单片机系统模块；3、无线发送模块。

温度传感器模块检测到现场的温度数据后，将数据交由单片机处理，单片机通过模拟转数字—数字转模拟的处理，最终驱动无线发送模块将数据无线发出。

    无线温度传感器将数据向外发送，安装在室内的或室外的路由器接受该数据，并将数据整理后，发送给ZigBee协调器，协调器会将数据整理并通过串口上传电脑，电脑即根据现场的数据，及温度标准值进行比较，如若超出标准值，电脑则控制温室内外的：

天窗、侧窗、内遮阳保温幕、外遮阳幕、风机、等开启。

同时，温室内的传感器时时检测现场数据，当现场温度达到标准值后，电脑即关闭控制。

3.2ZigBee技术介绍

ZigBee技术是IEEE（美国电子和电气工程师协会）研发的新一代无线通讯技术。

可应用在固定、便携或移动设备上的，低成本、低功耗的低速率无线连接技术；ZigBee属于微波段2.4GHZ频率，可实现远距离（0～1000米）传送给路由器；一般有3部分组成：

ZigBee传感器标签、ZigBee路由器、ZigBee协调器组成，需外接2.4～3.7V的电源，当标签检测到现场的数据后，通过电磁波的传导，远距离的无线传输给路由器，路由器在已同样的原理传输给协调器，协调器一方面可以将数据通过串口传送给电脑，以供系统分析控制，一方面可以通过内置的单片系统处理、分析、控制所接受的数据。

整个传输过程均通过无线传输，传送速率在250K/s,且在传送过程中对数据的加密保护，实现了快速、安全的现场数据采集。

ZigBee在无线传输的过程中，可以自动的实现自组网、多跳、就进识别的功能，当现场的单个路由出现问题时，其他路由会自动的寻找其他的线路，不会耽误系统的运行；

3.3系统硬件组成

系统硬件按照控制的流程分三大部分：

数据采集部分、数据传输部分、控制部分。

3.3.1数据采集部分（JZH-0系列无线传感）

3.3.1.1概述

采集、传输一体化设计，可集成多种传感器及变送器，智能管理、智能传输。

传输距离远，采用2.4GDSSS扩频技术，抗干扰能力更强。

16物理信道可选，65535个网络ID可设，组网能力更强。

适用于室内环境测量、农业大棚智能管理等。

图1JZH-0系列无线传感

3.3.1.2技术参数

供电：

DC12V（9V～28V）或电池供电（1#锂离子电池3.6V）

工作频段：

2.4GHz

网络：

ZigBeePRO协议

通信距离：

≥800m（空旷环境）

信道：

16个（0～F）

波特率：

38400bps

量程：

环境湿度：

0％RH～100％RH

环境温度：

-20℃～60℃

照度：

0Lux～50000Lux

土壤温度：

-20℃～60℃

土壤水分：

0％～100％

准确度：

环境湿度：

±3％RH（5％RH～95％RH，25℃）

环境温度:

±0.5℃（0℃～50℃）

照度：

±5%F•S

土壤温度：

±0.5℃（0℃～50℃）

土壤水分：

±3%（0％～50％）

长期稳定性：

环境湿度：

﹤1%RH/y

环境温度：

﹤0.1℃/y

照度：

﹤2%/y

土壤温度：

﹤0.1℃/y

土壤水分：

﹤3%/y

休眠时间：

设置范围1～65535s（默认10s）

数据传输格式：

主动上报

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≤160mA（发送瞬间），休眠≤4uA

响应时间：

﹤15s（1m/s风速）

电池寿命：

1年（1次/min，25℃±5℃，电量19Ah）

安装方式：

主体部分：

采用壁挂安装方式

探头部分：

温湿度：

一体式

照度：

分体式

土壤温度：

分体式

土壤水分：

分体式

外壳：

ABS白色147mm×112mm×46mm（不含探头）

产品重量：

≤800g

3.3.1.3主要功能

可以采集环境湿度、环境温度、照度、土壤温度、土壤水分等数据（根据用户单独配置）

3.3.2数据传输部分（KL-H1100物联网关及实用案例简易说明）

3.3.2.1概述

KL-H1100物联网关采用ARM芯片核心技术，将物联网ZIGBEE节点数据无缝对接到以太网、3G网、2G网中。

由于全部网关数据采用服务器模式，任一网关支持多软件客户端同时访问，支持分散点下的多网关服务器倍增扩展，增进系统稳定性、可靠性，适合大面积规模化组网应用。

该产品具有1个以太网口，1个USB口，内置2.4GZigBee路由模块，2G服务器缓存，400M工作主频，支持动态域名绑定。

适用于将批量应用的物联网ZIGBEE节点数据传输至各类以太网以及互联网等广域网中，并且支持远程网页配置、标准MODBUSTCP协议访问等功能，具有优良的上位软件适用性和协议友好性。

　　实现物联网节点及互联网IP直接的无缝信息传递；采用分散服务器模式方案，支持物联网节点大规模群聚化应用；支持百千兆以太网、3G等各种互联网信息通道，轻松实现通过互联网IP对物联网内节点数据的直接访问；支持无线热点快速布置，任意组网；具备完全自主知识产权，核心品质可控；及KL-R系列行业应用软件直接配合使用，支持标准MODBUSTCP协议。

图2KL-H1100物联网关

3.3.2.2技术参数

供电：

DC12V～30V

平均功耗：

1.7W

通讯方式：

以太网、3G、2G、

工作模式：

服务器、客户端

协议类型：

ModbusTCP

通讯接口：

10/100M以太网端口、USB2.0端口

ZigBee频点：

0x00～0x0F

ZigBee网络ID：

0x0000～0xFFFE

ZigBee通讯距离：

≥800m（空旷环境）

工作环境温度：

-20℃～60℃

工作环境湿度：

5%RH～95%RH

外形尺寸：

175mm×123mm×33mm

产品重量：

约227g

3.3.2.3实用案列说明

3.3.2.3.1方案一网关通过内网路由器接入互联网，网关做服务器（如下图）

网关通过路由获得的是浮动公网IP，因此需要给网关绑定一个动态域名；网关做服务器，PC机客户端可以以任意方式接入互联网；这种模式是调试阶段的首选模式，资源应用方便。

具体操作步骤如下：

（1）设置路由器的DMZ转发或者端口映射，使网关工作于服务器模式设置DMZ转发或者设置端口映射，开放网关的服务端口。

端口映射所需服务端口：

网关modbusTc服务使用端口为502，web服务使用端口为80；

（2）配置网关系统参数及Zigbee网络；

（3）动态域名绑定：

因为网关在该情况下获取的是公网浮动IP，因此用户需给网关绑定动态域名，相应的也要求上位机客户端能够具有域名访问能力。

用户可以配置网关网页上的动态域名绑定配置项，可以也可以利用路由器上的动态域名绑定服务给网关绑定一个域名；

（4）上位机客户端：

用KL-H1100演示软件或支持域名访问的组态软件（组态王）直接通过访问上一步绑定的动态域名及网关通讯。

对于高级行业应用者，提供数据库开发支持。

KL-H1100演示软件操作指南如下：

运行KL-H1100文件记录版软件，按照标准的ModbusTcp协议通讯

上位机软件客户端使用指南

①点击设置按钮，弹出网关设置对话框

②运行模式选择为客户端

③填写上位机软件需要连接的网关服务器设置，将网关的IP或域名和端口号添加到配置信息表里，可以设置同时连接多个网关。

④配置其他的选项，可按默认

⑤点击保存

⑥启动程序

⑦在数据显示区将显示网关下挂传感器节点的数据信息，还有相关的历史记录

向zigbee传感器节点下发控制指令

①选择要下发控制命令的节点所在行，双击弹出命令下发操作窗口

②填写起始地址和写入个数

③双击填写通道值

④点击发送按钮

⑤在命令下发状态去查看下发状态

组态王软件操作指南如下：

①新建设备

②双击新建的设备，弹出设备配置向导

③驱动选择：

莫迪康的ModbusTcp驱动

利用数据库进行二次开发操作指南

用SQLServer创建数据库gateway_db，并按照本公司开放的数据库表格式建立两张表HISTORYLOG和write_table。

运行KL-H1100数据库记录版演示软件

①单击设置按钮，弹出网关设置对话框

②配置运行模式选为客户端

③配置数据库接口，填入数据库服务器的IP地址、数据库名称gateway_db、用户名和密码

④参数配置，配置其他运行参数

⑤保存设置

⑥启动软件

④设备地址：

填写网关域名或者IP

软件运行起来之后，将节点的实时数据信息存储到数据库中，用户根据开放的数据库接口，可以读取终端节点的实时数据也可以向终端节点发送控制指令。

3.3.2.3.2方案二网关通过电信3G网卡接入互联网，网关做服务器（如下图）

网关通过电信3G上网获得的是浮动公网IP，需要做动态域名绑定；这种模式是功能演示的首选，组网简单、便携性强、移动方便、性能稳定。

具体操作步骤如下：

（1）配置网关系统参数及Zigbee网络；

（2）将3G上网卡插入到网关的USB接口，网关自动为其加载相应驱动，自动进行拨号上网；

（3）动态域名绑定：

用户在网关上进行动态域名绑定；

（4）上位机客户端：

用KL-H1100演示软件或支持域名访问的组态软件（组态王）直接通过访问上一步绑定的动态域名及网关通讯。

对于高级行业应用者，提供数据库开发支持。

3.3.2.3.3方案三网关接入局域网（或企业级专网或公网专线），网关做服务器（如下图）

网关可获的用户分配的局域网静态IP或静态公网真实IP；这种方式应用最直接最简单，性能最好，是通用最终定型应用方案的首选。

具体操作步骤如下：

（1）配置网关系统参数及Zigbee网络

（2）上位机客户端

用KL-H1100演示软件或组态软件直接通过访问网关的静态局域网IP及网关通讯。

对于高级行业应用者，提供数据库开发支持。

KL-1100演示软件的使用和数据库二次开发指南见方案一

组态软件除了可以用组态王外，还可以用MCGS及MCSG屏；驱动选择莫迪康的ModbusTcp驱动。

3.3.2.3.4方案四网关通过移动/联通3G上网卡接入互联网，网关做客户端，上位机软件端做服务器（如下图）

用户提供一台过内网路由器通过ADSL宽带接入互联网的服务器运行上位机软件；网关获取的是具有公网访问能力的虚拟浮动IP，网关只能工作于客户端模式，因此需要上位机软件具有提供服务器的能力，上位机软件端做服务器，并且服务器必须具备公网可用IP资源；这种模式是客户在最终应用中只能使用移动或者联通网络时的方案，此种模式下网关通讯性能的好环和当地的移动/联通网络环境有很大关系。

此方案也都经过批量测试和验证。

具体操作步骤如下：

（1）设置上位机服务器端网络环境配置

设置路由器的DMZ转发或者端口映射，使上位机软件端工作于服务器模式

设置DMZ转发或者设置端口映射，开放网关的服务端口，端口映射所需服务端口：

上位机软件modbusTcp服务使用端口为502。

动态域名绑定

客户可使用3322客户端软件或者花生壳客户端软件，对服务器绑定一个动态域名；

（2）配置网关系统参数及Zigbee网络

（3）配置网关连接的服务器信息，在配置页面中填写第1.2步中配置的服务器域名和端口号

（4）将移动/联通的3G上网卡插到网关的USB接口，网关自动加载其对应的驱动并进行拨号上网。

（5）上位机软件服务端

上位服务端软件建议使用KL-H1100演示软件或用户基于配套的数据库软件进行应用开发。

不建议采用组态软件，因为组态软件都是工作在客户端模式的。

KL-H1100演示软件操作指南

运行KL-H1100文件记录版软件，按照标准的ModbusTcp协议通讯

上位机软件客户端使用指南

①点击设置按钮，弹出网关设置对话框

②运行模式选择为服务器

③配置其他的选项，可按默认

④点击保存

⑤启动程序，连接成功后便可查看网关下挂节点数据

向传感器节点下发控制命令操作同方案一。

利用数据库进行二次开发操作指南操作同方案一，只是KL-H1100软件的运行模式改为服务器。

3.3.3控制部分（JZH-2系列无线控制模块）

3.3.3.1概述

控制、传输一体化设计，智能管理、智能传输。

传输距离远，采用无线2.4GZigBee协议，抗干扰能力更强。

16物理信道可选，65535个网络ID可设，组网能力更强。

适用于室内环境、农业大棚等智能控制。

图3JZH-2系列无线控制模块

3.3.3.2特点

✓数据通讯采用主从方式；

✓多路高低电平控制输出；

✓符合2.4GHzZigBee协议；

✓性能稳定，产品寿命长；

✓传输距离远，抗干扰能力强。

3.3.3.3技术参数

供电：

DC24V（15V～28V）

工作频段：

2.4GHz

网络：

ZigBeePRO协议

通信距离：

≥800m（空旷环境）

信道：

16个（0～F）

网络ID：

0x0000～0xFFFE

配置端口：

RS～232

波特率：

38400bps

数据格式：

8数据位、无校验、1停止位

数据传输格式：

主从方式

控制信号：

12V高低电平（可选5V电平）

控制信号数量：

默认4路，最大8路

负载能力：

≥3kΩ

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≤80mA（DC24V供电时）

安装方式：

导轨安装

外壳：

ABS蓝色71mm×26mm×103mm（不含天线部分）

产品重量：

≤150g

3.3.3.4主要功能

驱动控制：

电机、气缸、电磁阀、内遮阳，外遮阳，顶开窗，侧开窗，湿帘外开窗，湿帘水泵，湿帘风机，风机，内循环风机，补光灯，喷雾，微喷等设备。

（根据用户单独配置）

3.3.4大棚视频监控部分（TD摄像头HB-T8813B）

3.3.4.1产品概述

TD摄像头HB-T8813B,基于TD-SCDMA无线通信技术、物联网技术、无线低码率视频编码传输技术及家电远程控制技术，集移动远程视频监控、传感器环境检测、短彩信安防告警、远程家电控制等多功能于一体的智能信息化产品，用户可在2G/3G/WIFI等多种网络环境下随时随地通过手机等移动终端设备及时了解监控点实际情况。

3.3.4.3功能介绍

（1）六大功能

①家庭现场实时视频:

用户通过安装客户端的手机、PC即可随时随地查看监控点的实时情况；

②手机遥控云台转动:

用户通过安装客户端的手机、PC可控制摄像头转动，左右270度，上下60度，全方位监控；

③运动侦测短信提醒:

摄像头在有效范围内发现图像变化给用户发送短信报警，用户随时随地都能在案情发生的第一时间收到报警；

④运动侦测触发录像:

摄像头在有效范围内发现图像变化开始录像，记录现场的过程，提供证据作参考；

⑤手机控制视频录像:

用户通过安装客户端的手机、PC可远程控制摄像头录像，并通过手机、PC客户端回放录像；

⑥传感器检测:

配置433M无线门磁、烟感、红外等传感器，可自动触发图片抓拍、视频录像及短彩信告警，使用户可及时收到异常告警信息并查看图片或视频，了解实际情况并迅速采取有效应对措施。

（2）三大特点：

①视频清晰流量少：

TD摄像头采用先进的流媒体视频压缩技术，在中国移动2G/3G无线网络上实现了清晰流畅的视频播放，同时将用户观看视频的流量费用节省到最低，给用户带来全新的视觉享受。

②使用简单免安装：

TD摄像头使用方便，无需布线，插电即可使用。

③传输安全点到点：

TD摄像头采用点到点的视频传输技术，用户的视频数据没有通过平台存储，保护了用户的隐私。

3.3.4.3产品参数

类别

功能名称

描述

物理参数

尺寸

110×108×135mm（L×W×H）

重量

1Kg（±0.2Kg）

平均功耗

8W

使用环境

工作环境

温度：

0℃～40℃

湿度：

20～80％

运输环境

温度：

－20～85℃

湿度：

5～95％

安装方式

∙台式安装

∙吊顶安装

物理接口

音频接口

∙内置MIC（选择MICIN）

外部接口：

2.54mm音频接口（选用LINEIN），电平：

－20～－3Dbv，阻抗：

1Kohm

∙内置喇叭

网络接口

∙RJ45接口，带屏蔽，状态指示灯和数据指示灯:

10baseTEthernet／100baseTXFastEthernet

TD天线

∙TD-SCDMA

频率1：

2010～2025MHz

频率2：

1880～1920MHz

EGSM:

900/1800MHz

GSM:

850/1900MHz

∙电压驻波比（VSWR）：

小于2.5：

1

∙增益：

大于等于3dBi

∙输入阻抗：

50Ω

∙最大功率：

50W

∙极化形式：

垂直极化

电源

∙电源适配器需通过3C认证

RESET按键

∙侧立按键，恢复设备出厂参数

存储卡接口

∙自弹式TFLASH卡卡座，支持SDHC协议，最大支持容量≥32GB

GPIO

∙输入：

光电隔离输入（I、G），0～5VDC

∙输出：

继电器输出（A、B），0.5Aat125VAC；1Aat24VDC

摄像头

镜头

∙1/4英寸CMOS摄像头，4.5mm焦距

∙日夜型镜头

∙视频尺寸：

VGA（480×600）

∙帧率：

30帧；

∙性噪比：

50dB

红外灯

∙当照度低于5lum时，红外灯完全打开，红外夜视距离≥3m；

∙当照度高于15lum时，红外完全关闭。

正常情况下视频距离≥5m

可视角度

≥75°

云台

∙支持上、下、左、右、居中、水平扫描、垂直扫描云台操作，支持多档步进角度选择，重新开机后恢复到预设位置：

居中或关机前位置。

∙云台水平旋转角度270度，垂直旋转60度，多级转速设置。

∙云台水平旋转寿命≥10000圈。

∙云台垂直旋转寿命≥10000圈。

电路模块

芯片

硬件架构基于TI达芬奇系列SOC（ARM+DSP）芯片

通讯模块

内置TD-SCDMA模块，支持3G/GPRS/EDGE网络

视频编码

视频编码分辨率

240×180

视频编码模式

∙CBR:

恒定码率

视频编码码率

25kbps～100kbps;

每秒帧率大小

≥12fps

视频质量

≥33dB

无线广域网

TD-SCDMA（HSDPA）&EDGE双模

UMTS系统通讯系统工作频段（TD-SCDMA和GSM/EDGE）

∙TD-SCDMA:

2010-2025MHz；1880-1900MHz

∙GSM:

GSM850，E-GSM，DCS1800，PCS1900

∙GSM:

E-GSM900频段（上行880MHz-915MHz，下行925MHz-960MHz）

∙DCS1800频段（上行1710MHz-1785MHz，下行（1805MHz-1880MHz）

TD传输速率

∙PS域下行最高2.8Mbps/上行最高64kbps业务

∙PS域下行最高384kbps/上行最高384kbps业务

∙CS域及PS域下行最高2.2Mbps/上行最高128kbps业务并发

∙CS域及PS域下行最高384kbps/上行最高128kbps业务并发

EDGE

MCS1~MCS0

SMS

∙支持点对点收发

∙支持CS和PS短信

∙支持TEXT和PDU模式

有线网络

1个RJ45

10BaseT/100BaseTXwithAuto-MDIXIEEE802.3/802.3u

网络协议

协议

TCP/IP,DHCP、ICMP、DDNS、HTTP1.1、VCSPOP

DHCP

支持手动配置（默认）或自动获取IP地址

用户界面

操作界面

内嵌WEB服务器页面或客户端软件，支持对设备的配置和维护

指示灯

∙1个黄色系统指示灯

∙1个红色告