ZigBee无线农业大棚监控系统方案

一、项目背景

    近年来，温室大棚种植为提高人们的生活水平带来极大的便利，得到了迅速的推广和应用。种植环境中的温度、湿度、光照度、CO₂浓度等环境因子对作物的生产有很大的影响。传统的人工控制方式难以达到科学合理种植的要求，目前国内可以实现上述环境因子自动监控的系统还不多见，而引进国外具有多功能的大型连栋温室控制系统价格昂贵，不适合国情。   针对目前大棚发展的趋势，提出了一种大棚智能监控系统的设计。根据大棚智能监控的特殊性，需要传输大棚现场参数给管理者，并把管理者的命令下发到现场执行设备，同时又要使上级部门可随时通过互连网或者手机信息了解区域大棚的实时状况。基于GPRS的智能大棚监控系统使这些成为可能

二、项目分析

2.1  系统组成

2.1.1大棚现场采集控制终端

大棚现场采集控制终端负责24小时采集温室内温度、湿度、光照、土壤温度、土壤湿度、CO2浓度、叶面湿度、露点温度等环境参数。

2.1.2无线传输设备

前端采用四信F8914 ZigBee模块，通过232/485（端子接口）和采集器相连接，Zigbee作为一种无线连接,可工作在2. 14 GHz(全球流行) 、868 MHz (欧洲流行)和915 MHz (美国流行) 3个频段上,分别具有最高至250 kbit/ s、20 kbit/ s、40 kbit/ s的传输速率。该型号设备一般为终端节点，完成信息的发送和接收。实物如图1

ZigBee中心节点采用四信F8114 ZigBee GPRS模块，中心节点收到的数据可以通过串口直接是输出到服务器上（前端与服务器的距离较近）；还可有通过GPRS把其收到的数据发送的远端的服务器上，GPRS部分采用国际标准TCP/IP通信协议，且两种方式都是实现数据透明传输功能。省去了每个终端的GPRS模块，只需要中心节点一个，节约了成本。实物如图2

 2.1.3数据管理中心

数据中心对现场实时采集的温室内温度、湿度、光照、土壤温度、土壤湿度、CO2浓度、叶面湿度、露点温度等环境参数进行分析处理，不仅进行完成的统计做出相应的统计报表，并做出趋势分析，且以直观的图表和曲线的方式显示给用户，并根据种植作物的需求提供各种声光报警信息。当温湿度超过设定值的时候，自动开启或者关闭指定设备。 2.2 系统总架构 2.2.1   F8914 －－- F8914组网

F8914（前端）通过标准的232/485与路灯监控一级终端里的PLC连接通信，获取的数据直接通过2.4G频率发送到F8914(中心节点)。F8914(中心节点)通过串口与服务器连接，把数据送到后台，后台管理软件对数据进行分析。如图3所示

2.2.2    F8914－－－－F8114组网

2.2.2.1 原理框架

    F8114首先进行GPRS拨号上网，然后自动向数据管理中心发起TCP连接，握手成功后开始数据透明传输。路灯监控终端把数据集中采集通过PLC把数据传给F8914，F8914接到数据后即时的将数据通过ZigBee网络传送到F8114。F8114通过GPRS数据管理中心将上传的数据进行分析处理，得出直观的结果和相应的指令通过GPRS网络发送给F8114，再通过ZigBee网络传送到F8914即时通过232/485传送给采集端，采集端根据指令对相应的控制处理。如图4所示

2.2.3系统实现功能

   1：可在线实时24小时连续的采集和记录监测点位的温度、湿度、风速、二氧化碳、光照、空气洁净度、供电电压电流等各项参数情况，以数字、图形和图像等多种方式进行实时显示和记录存储监测信息，监测点位可扩充多达上千个点。

   2：可设定各监控点位的温湿度报警限值，当出现被监控点位数据异常时可自动发出报警信号，报警方式包括：现场多媒体声光报警、网络客户端报警、电话语音报警、手机短信息报警等。上传报警信息并进行本地及远程监测，系统可在不同的时刻通知不同的值班人员；

   4：数据集中器端提供具有信号输出协议的端口，可接通信设备（GPRS IP MODEM等）进行无线传输。

   5：温湿度监控软件采用标准windows 98/2000/XP全中文图形界面，实时显示、记录各监测点的温湿度值和曲线变化，统计温湿度数据的历史数据、最大值、最小值及平均值，累积数据，报警画面。

   6：监控主机端利用监控软件可随时打印每时刻的温湿度数据及运行报告。

   7：强大的数据处理与通讯能力，采用计算机网络通讯技术，局域网内的任何一台电脑都可以访问监控电脑，在线查看监控点位的温湿度变化情况，实现远程监测。系统不但能够在值班室监测，领导在自己办公室可以非常方便地观看和监控。

   8：系统可扩充多种记录数据分析处理软件，能进行绘制棒图、饼图，进行曲线拟合等处理，可按TEXT格式输出，也能进入EXCEL电子表格等office的软件进行数据处理。

   9：控制软件的编制采用软件工程管理，开放性与可扩充性极强，由于采用硬件功能的软件化的系统设计思想及系统硬件的模块化、通讯网络化设计，系统可根据需要升级软件功能与扩展硬件种类。

   10：系统设计时预留有接口，可随时增加减硬软件设备，系统只要做少量的改动即可，可以在很短的时间内完成。可根据政策和法规的改变随时增加新的内容。

2.2.4 数据中心网络接入方式分析

1.专线接入

中心采用APN专线， 所有点都采用内网固定IP客户中心通过一条2M APN专线接入移动公司GPRS网络，双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接，在GGSN与移动公司互联路由器之间采用GRE隧道。为客户分配专用的APN，普通用户不得申请该APN。用于GPRS专网的SIM卡才能进入专网APN，防止其他非法用户的进入。

用户在内部建立RADIUS服务器，作为内部用户接入的远程认证服务器（或在APN路由器内，启用路由器本地认证功能）。只有通过认证的用户才允许接入，用以保证用户内部安全。

用户在内部建立DHCP服务器（或在APN路由器内，启用DHCP功能），为通过认证的用户分配用户内部地址。移动终端和服务器平台之间采用端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。双方采用防火墙进行隔离，并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。此种方案无论实时性，安全性和稳定性较前一种方案都有大大提高，适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境。在资金允许的情况下之最佳组网方式。

2. ADSL拨号连接（动态公网IP地址）

中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网动态IP DNS解析服务的。客户先与DNS服务商联系开通动态域名，IP MODEM先采用域名寻址方式连接DNS服务器，再由DNS服务器找到中心公网动态IP，建立连接。此种方式可以大大节约公网固定IP的费用，但稳定性受制于DNS服务器的稳定，所以要寻找可靠的DNS服务商。此种方案适合小规模应用。

3. 通过固定公网IP连接

中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网固定IP服务的。此种方案先向INTERNET运营商申请ADSL等宽带业务，中心有公网固定IP的。IP MODEM直接向中心发起连接。运行可靠稳定，推荐此种方案.

   下图为后台中心管理软件：

四、方案特点

  1 、传输模块采用无线接入GPRS网络，目前GPRS网络在国内已经运营了十几年，网络稳定，技术成熟，覆盖率广。

  2、传输模块采用工业级ZigBee模块，标准频段IEEE802.15.4  ISM2.4GHz,通信距离90m,户外通信距离800m,发射功率22dBm，接受灵敏度-104dBm；低功耗设计，支持多级休眠和唤醒模式，最大限度降低功耗，内置实时时钟（RTC），支持定时开关机功能，定时关机状态下功耗小于1mA。外接电源DC 12V/500mA（标准）；通信电流：50mA-80mA@12VDC、115-150mA@5VDC;待机状态：20mA@12VDC、35mA@5VDC；休眠状：8mA@12VDC、18mA@5VDC

工作环境温度 -25~ 65�C;储存温度 -40~ 85�C;相对湿度 95%(无凝结);多重软硬件看门狗设计。适用于户外工作环境。   3、传输模块具有可靠的网络连接、智能防掉线、支持在线检测、在线维护、掉掉线自动重拔，确保设备永远在线，确保通信通道正常，为数据中心提供数据。   4、终端传输模块支持多种激活方式，如语音电话、短信、数据等；终端设备故障或异常时，自动发短信报警信息给维护人员。   5、传输模块采用主备份中心与中心自动恢复功能，并同时支持多中心并发功能（最多五个）。   6、及时响应，实时的远程监控，可以对故障做出及时的响应，从而大大降低故障带来的经济和其他方面的损失。   7、规范集中管理，及时跟踪每个大棚信息情况。   8、四信可为客户提供二次开发包和多语言版本数据中心服务器软件以便客户的需要进行二次开发；同时针对客户的需求，提供多种技术支持，包括产品网络组网方案设计、技术人员技术培训、软件开发全程技术配合、设备现场调试技术支持等服务

五、小结

大棚种植应用越来越广泛，实现了高效率的农业生产，借助无线远程监控系统很好的解决了大棚种植维护难的现象。无线远程监控的应用在大棚种植领域得到了充分的体现，相信无线监控的应用在其他领域也会得到更多的应用，物联网的价值在不断的体现。