一、概述

農(nóng)業(yè)大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)通過實時采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)空氣溫度、濕度、光照、土壤溫度、土壤水分等環(huán)境參數(shù)，根據(jù)農(nóng)作物生長需要進行實時智能決策，并自動開啟或者關(guān)閉指定的環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備。通過該系統(tǒng)的部署實施，可以為農(nóng)業(yè)生態(tài)信息自動監(jiān)測、對設(shè)施進行自動控制和智能化管理提供科學依據(jù)和有效手段。

大棚監(jiān)控及智能控制解決方案是通過可在大棚內(nèi)靈活部署的各類無線傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，對農(nóng)作物溫室內(nèi)的溫度，濕度、光照、土壤溫度、土壤含水量、CO2濃度等與農(nóng)作物生長密切相關(guān)環(huán)境參數(shù)進行實時采集，在數(shù)據(jù)服務(wù)器上對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行存儲和智能分析與決策，并自動開啟或者關(guān)閉指定設(shè)備（如遠程控制澆灌、開關(guān)卷簾等）。

二、項目需求

在每個智能農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部署無線空氣溫濕度傳感器、無線土壤溫度傳感器、無線土壤含水量傳感器、無線光照度傳感器、無線CO2傳感器等，分別用來監(jiān)測大棚內(nèi)空氣溫濕度、土壤溫度、土壤水分、光照度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)。為了方便部署和調(diào)整位置，所有傳感器均應(yīng)采用電池供電、無線數(shù)據(jù)傳輸。大棚內(nèi)僅需在少量固定位置提供交流220V市電（如：風機、水泵、加熱器、電動卷簾）。

每個農(nóng)業(yè)大棚園區(qū)部署1套采集傳輸設(shè)備（包含路由節(jié)點、長距離無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點、Wi-Fi無線網(wǎng)關(guān)等），用來覆蓋整個園區(qū)的所有農(nóng)業(yè)大棚，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（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），用來接受控制指令、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)分為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、智能數(shù)據(jù)處理平臺和遠程控制四部分。

（2）系統(tǒng)有兩種典型配置結(jié)構(gòu)

■兩層網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)由兩類點構(gòu)成：

無線傳感器節(jié)點，包括無線空氣溫濕度傳感器、無線土壤溫度傳感器、無線土壤含水量傳感器、無線光照度傳感器、無線CO2傳感器等；

無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點，包括Wi-Fi無線網(wǎng)關(guān)或GPRS無線網(wǎng)關(guān)。

該結(jié)構(gòu)適用于園區(qū)已經(jīng)有Wi-Fi局域網(wǎng)覆蓋，或是可以采用GPRS直接上傳數(shù)據(jù)的場景。在此結(jié)構(gòu)中，只需要在合適的區(qū)域部署無線網(wǎng)關(guān)，即可實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集和上傳。

■三層網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)由三類點構(gòu)成：

無線傳感器節(jié)點，包括無線空氣溫濕度傳感器、無線土壤溫度傳感器、無線土壤含水量傳感器、無線光照度傳感器、無線CO2傳感器等；

無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點；

數(shù)據(jù)路由器。

該結(jié)構(gòu)適用于園區(qū)沒有Wi-Fi局域網(wǎng)覆蓋，也不準備采用GPRS直接上傳數(shù)據(jù)的場景。在此結(jié)構(gòu)中，需要部署數(shù)據(jù)路由節(jié)點和無線網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)路由節(jié)點之間以長距離無線通信方式進行數(shù)據(jù)的交換，在區(qū)域較大，節(jié)點間通信距離不足時，無線網(wǎng)關(guān)還可以相互之間進行自動數(shù)據(jù)中繼，擴大監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

（3）傳感信息采集

在監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，無線空氣溫濕度傳感器、無線土壤溫度傳感器、無線土壤含水量傳感器、無線光照度傳感器、無線CO2傳感器等傳感器均支持低功耗運行，可使用廉價的干電池供電長期工作。同時，所有的無線傳感器節(jié)點均運行SleepTree低功耗多跳自組網(wǎng)協(xié)議，可為其它節(jié)點提供數(shù)據(jù)的自動中繼轉(zhuǎn)發(fā)，以擴大監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，增加部署靈活性。

SleepTree低功耗多跳自組網(wǎng)協(xié)議是在IEEE802.15.4協(xié)議的基礎(chǔ)上建立的，無線通信的頻率選擇可以是2.4GHz或780MHz。

傳感器數(shù)據(jù)通過SleepTree協(xié)議傳送到無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點上，無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點再經(jīng)過數(shù)據(jù)路由節(jié)點或直接將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)平臺的服務(wù)器上。用戶可以通過有線網(wǎng)絡(luò)/無線網(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)據(jù)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。

四、大棚現(xiàn)場布點

大棚現(xiàn)場主要負責大棚內(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、CO2濃度等參數(shù)。

傳感器的數(shù)據(jù)上傳采用低功耗無線傳輸模式，傳感器數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送模塊，采用SleepTree協(xié)議將數(shù)據(jù)無線傳送到無線網(wǎng)關(guān)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無線發(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。低功耗無線傳輸模式使得大棚現(xiàn)場內(nèi)各傳感器部署靈活、擴展方便。

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Wi-Fi、GPRS、長距離無線傳輸?shù)榷喾N數(shù)據(jù)傳輸方式，在傳輸協(xié)議上支持IPv4聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。

業(yè)務(wù)平臺負責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、平臺軟件

系統(tǒng)平臺軟件共由以下4個部分組成：

（1）數(shù)據(jù)收集、存儲服務(wù)軟件

完成傳感器數(shù)據(jù)的獲取、解析、分類，最后按預設(shè)的格式存入數(shù)據(jù)庫。

（2）展示、決策軟件

圖形化界面，從數(shù)據(jù)庫中讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，以表格和曲線的方式將傳感器數(shù)據(jù)顯示出來，支持多種查詢顯示方式。可自定義決策系統(tǒng)控制對象及決策算法，與對象控制軟件互聯(lián)實現(xiàn)自動化控制。

（3）遠程控制軟件

完成現(xiàn)場控制對象的操作，圖形化操作界面，支持重定義遠端開關(guān)名稱等信息，可與決策軟件進行對接，實現(xiàn)自動化控制。

（4）SDK二次開發(fā)包

通過SDK開發(fā)包，用戶可以完全用自己熟悉的開發(fā)平臺開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)據(jù)展示和決策平臺。

通過SDK開發(fā)包，使用戶無需了解本系統(tǒng)的硬件等底層信息的前提下，完成一套環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。

我們的SDK提供了：

①數(shù)據(jù)收集、存儲服務(wù)軟件的詳細編程接口及說明

②對象控制軟件的編程接口及說明

③曲線顯示界面例程

④數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)檢索例程

⑤設(shè)備對象控制例程

上述4個組成軟件中，數(shù)據(jù)收集、存儲服務(wù)軟件和對象控制軟件是與底層硬件直接聯(lián)系的，用戶無需對該部分軟件進行任何的編程開發(fā)，只需要通過SDK開發(fā)自己的展示、決策軟件，與我們的數(shù)據(jù)收集、存儲服務(wù)軟件和對象控制軟件進行數(shù)據(jù)交互即可。