基于Zigbee的農(nóng)業(yè)大棚物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

張 虎，郭海霞，許曉燕

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，太谷 030800；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，太谷 030800；3.山西晉西集團(tuán)國營利民機(jī)械廠，太谷 030800）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為當(dāng)代信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，是基于互聯(lián)網(wǎng)，借助于各種智能型傳感器，將信息采集、交換和處理，直接面對(duì)客戶，讓客戶參與、體驗(yàn)過程的一項(xiàng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，在智能農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的今天，隨著各種智能傳感器的開發(fā)利用，在農(nóng)作物智能培育環(huán)節(jié)、農(nóng)作物精準(zhǔn)施肥環(huán)節(jié)、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程監(jiān)管環(huán)節(jié)、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管與追溯環(huán)節(jié)、農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測流通環(huán)節(jié)等，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)都發(fā)揮了重要的作用。本文基于農(nóng)業(yè)大棚中農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)節(jié)，借助于物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識(shí)，體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重要作用。

1 我國農(nóng)業(yè)大棚的發(fā)展

自上世紀(jì)90年代我國山東地區(qū)興起農(nóng)業(yè)大棚以來，農(nóng)業(yè)大棚在全國范圍內(nèi)逐步推廣，由原始的簡單溫控大棚逐步發(fā)展到現(xiàn)在的多因素控制大棚，控制方式逐漸增多，且越來越機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化，科技含量也逐步提升。大棚的主要種類有土墻日光溫室、薄膜連棟溫室、陽光板智能溫室大棚、玻璃智能溫室大棚等。大棚的建設(shè)使用，不僅能夠解決我國部分地區(qū)冬季吃菜困難的問題，而且隨著物流業(yè)的發(fā)展，使我國餐桌文化有了徹底的改變。除此之外，大棚也在花卉養(yǎng)殖、種子培育等經(jīng)濟(jì)作物環(huán)節(jié)起到了非常大的作用。以山東壽光為例，大棚的建設(shè)發(fā)展帶動(dòng)了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展，壽光已經(jīng)發(fā)展成為當(dāng)?shù)刂匾氖卟朔N植基地和批發(fā)交易的集散地。

2 物聯(lián)網(wǎng)簡介

物聯(lián)網(wǎng)就是通過各種感知元件，將所有物品的意識(shí)形態(tài)，以信息的形式進(jìn)行采集和傳輸，通過與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，將信息進(jìn)行交換和處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理。其中，感知元件和互聯(lián)網(wǎng)起到了關(guān)鍵的作用，感知元件具有自主“說話”的功能，能夠及時(shí)將物品的狀態(tài)上傳至互聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)將信息進(jìn)行交匯和傳遞，最終交予客戶端，讓客戶端做出應(yīng)對(duì)的決策。其中，將感知元件定義為感知層，互聯(lián)網(wǎng)定義為網(wǎng)絡(luò)層，客戶端定義為應(yīng)用層。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是將互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用進(jìn)行了延伸，是互聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)革新應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，客戶的客觀體驗(yàn)和客觀需求，即創(chuàng)新2.0是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心和靈魂?？蛻舻娜轿粎⑴c和基礎(chǔ)設(shè)施的投入使用，也與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相輔相成。在本文中，大棚數(shù)據(jù)的收集和相應(yīng)處理，都是基于客戶對(duì)大棚種植產(chǎn)物的客觀需求以及大棚設(shè)施建設(shè)的條件。

3 農(nóng)業(yè)大棚物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)方案

隨著規(guī)模農(nóng)業(yè)大棚的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)以及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用得到了推廣。本系統(tǒng)由各種型號(hào)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)和有線本地控制系統(tǒng)組成。在本方案設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，感知層選用的是具有通訊功能的無線傳感器，在實(shí)際應(yīng)用中，一般以環(huán)境溫濕度、土壤溫度和水分、大棚內(nèi)部光照度為檢測對(duì)象；傳感器信號(hào)進(jìn)入信號(hào)采集裝置和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，即遠(yuǎn)程監(jiān)測裝置，選用的是基于 ZigBee 無線檢測網(wǎng)絡(luò)研發(fā)而成，集模擬量/開關(guān)量采集、繼電器控制，集 4G 無線網(wǎng)、以太網(wǎng)通訊于一體的綜合性監(jiān)測裝置；網(wǎng)關(guān)接收到信息后，將信息上傳至網(wǎng)絡(luò)層，即云中心；客戶端即應(yīng)用層，通過終端設(shè)備讀取相應(yīng)的信息，并根據(jù)信息做出相應(yīng)的決策，通過控制端實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 農(nóng)業(yè)大棚物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架示意圖

在農(nóng)業(yè)大棚物聯(lián)網(wǎng)整體測控環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)控制箱來實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)功能。該物聯(lián)網(wǎng)控制箱配置了上述物聯(lián)網(wǎng)檢測裝置，該檢測裝置可用于對(duì)接Zigbee 無線傳感器 MESH 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，或采集 8 路標(biāo)準(zhǔn) 4～20 mA 電流信號(hào)或 0～5 V 電壓信號(hào)或電平信號(hào)的采集端，輸出端是通過輸出開關(guān)量轉(zhuǎn)換成不同功率繼電器或接觸器來控制現(xiàn)場的設(shè)備。配置監(jiān)控觸摸屏單元，該單元具有顯示、報(bào)警提示、歷史記錄及本地控制的功能；為遠(yuǎn)端傳輸提供了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口、4G/WIFI無線接口等多種互聯(lián)網(wǎng)信息通道，支持 Modbus TCP 協(xié)議，可以將本地的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)了本地和遠(yuǎn)端雙重監(jiān)控，方便用戶對(duì)本地和遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)的查看并控制。具體配置功能如圖2所示。

圖2 農(nóng)業(yè)大棚物聯(lián)網(wǎng)控制箱功能框架示意圖

4 農(nóng)業(yè)大棚物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)實(shí)施效果

選取一塊試驗(yàn)基地作為測試對(duì)象，傳感器的選取和硬件搭建如圖3所示，在現(xiàn)場觸摸屏及遠(yuǎn)程電腦上，我們能夠便捷地了解實(shí)時(shí)環(huán)境信息及作物生長環(huán)境條件，具體如圖4—6所示。

圖3 硬件組成圖

圖4 客戶管理端

圖5 數(shù)據(jù)通道顯示

圖6 單數(shù)據(jù)曲線顯示

5 方案實(shí)施結(jié)論

在大棚物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用中，選用傳感技術(shù)替代人的體感，選用現(xiàn)代控制手段替代人的現(xiàn)場管理，將日常人為的動(dòng)作轉(zhuǎn)換成不同的軟件功能，并使用各種功能模塊和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化、智能化管理。該方案在實(shí)施中，體現(xiàn)出以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

1）本地和遠(yuǎn)程雙系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)測web 頁面、觸摸屏、云平臺(tái)等，精細(xì)管理；網(wǎng)關(guān)支持多服務(wù)器同時(shí)在線訪問，為應(yīng)用層數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)挖掘提供友好接口。

2）觸屏操作便捷，簡單方便，設(shè)備操作都是一觸即可。

3）報(bào)警上下限數(shù)值可任意設(shè)置，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)報(bào)警顯示，歷史數(shù)據(jù)可方便查詢，存儲(chǔ)容量大。

4）內(nèi)部對(duì)接 Zigbee 無線傳感器 MESH 網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)大面積、多數(shù)據(jù)量采集和傳輸，降低了傳輸成本，并帶有多路控制輸出，現(xiàn)場接線簡單、方便；并且具有無線網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)、多級(jí)路由的特點(diǎn)，利用網(wǎng)絡(luò)配置器實(shí)現(xiàn)一鍵參數(shù)設(shè)置，組網(wǎng)簡便快捷，維護(hù)成本低。

5）實(shí)用化的傳感器設(shè)計(jì)，低功耗、低成本、可靠性高。

農(nóng)業(yè)大棚遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)用最新微功率無線通信技術(shù)、數(shù)字化溫度和濕度傳感技術(shù)，可實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測大棚里的關(guān)鍵點(diǎn)，大幅度降低人工巡查的工作量，并對(duì)不安全狀況提前進(jìn)行預(yù)警，并通過后臺(tái)計(jì)算機(jī)輕松實(shí)現(xiàn)無人值守和遠(yuǎn)程監(jiān)測。

6 展望

在本方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，遠(yuǎn)程監(jiān)測裝置是基于ZigBee無線檢測網(wǎng)絡(luò)研發(fā)而成的，測量精確可靠，通過狀態(tài)指示燈顏色的變換可以輕松獲得裝置所處的工作狀態(tài)，操作調(diào)試十分簡便，適合于農(nóng)業(yè)大棚相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備控制?；谖锫?lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)大棚的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，對(duì)于反季節(jié)果蔬的培育提供有價(jià)值的環(huán)境監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，減少外界環(huán)境對(duì)科技研究的影響，進(jìn)而進(jìn)行植物病蟲害的研究；目前我國現(xiàn)有的蔬菜大棚可以結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)控制軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化控制大棚的遮陽、通風(fēng)、降溫、加溫、灌溉施肥系統(tǒng)。真正做到用手機(jī)電腦可以實(shí)時(shí)監(jiān)測、控制溫室大棚，在減少勞動(dòng)力的同時(shí)更能夠節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)電、減少能耗。