工業4G路由器物聯網智能農業大棚方案

1.綜述

物聯網智能農業大棚解決方案。本系統旨在通過物聯網技術實現農業大棚內的環境實時感知、數據自動統計、設備遠程控制、設備自動控制、自動報警、視頻監控等功能，幫助大棚種植實現數字化和自動化，實現無人值守、高產量和可復制。

系統采用光照、土壤PH（酸堿度）、空氣溫濕度、土壤溫濕度等傳感器對大棚種植環境進行實時感知，通過無線信息傳輸節點將數字信號傳輸到系統后臺，經過服務器處理后形成圖形化顯示輸出。系統提供各種統計功能并支持數據導出，能夠針對指標超標等情況自動報警，當環境指標超標時能夠自動開啟和關閉風機、電磁閥、遮陽板等設備以實現智能化。

2.系統優勢

2.1精確掌握環境指標，取代“憑感覺”

傳統農業依靠的是人工對環境信息的感知，對作物生長的環境無法量化，因而難以將作物生長的最優條件總結出來，更加難以復制；此外，人工無法實現24小時的現場管理，難以實時地掌握作物生長條件。智能大棚種植通過傳感器將環境信息轉化成標準的數字信號并定期采樣存儲在數據庫中，能夠實現環境信號的實時采集和統計輸出，能夠“精確”、“全面”地掌握環境信息，實現精準的農業管理。

2.2隨時隨地掌握現場信息，隨時隨地控制現場設備

系統支持手機遠程登錄，用戶可以在任何時間、任何地點（只要手機能上網）了解大棚內部的環境信息、視頻影像，并且可以手動指揮現場設備，如噴淋設備、風機、遮陽板、燈光等等。同時，一人可以同時管理多個大棚，為客戶節省了大量的人力。

2.3自動調節各項指標，為作物提供最“舒適”、最穩定的生長環境

智能大棚系統得到環境數據后，自動與設定的指標閾值進行比對，當超出正常范圍時，自動啟動相關設備進行現場操作，例如，當大棚內溫度過高時，自動啟動風機設備對大棚進行降溫，當土壤濕度過低時自動開啟灌溉設備對作物進行灌溉。自動化控制可以為作物提供最“舒適”和最穩定的生長環境，幫農場提高產量、減少人力、形成標準流程，方便總結和傳播生產經驗。

2.4形成標準化種植經驗，方便大規模復制

傳統大棚的管理依賴管理人員豐富的經驗，且與所處的氣候環境等因素相關，不利于大規模地復制，而智能大棚通過自動控制等手段降低了對人員的依賴，使工作變得簡單、標準，方便迅速擴大規模。

優勢對比：

3.系統功能

系統的主要功能包括：環境指標的遠程監測、歷史數據的統計輸出、超過閾值的自動報警、現場設備的遠程控制、現場設備的自動控制等。

3.1環境指標的遠程監測

安插在大棚內的各種傳感器設備不間斷地采集周圍的環境信息并通過數據傳輸節點上傳給服務器，這些傳感器包括：空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器、土壤PH值傳感器等。用戶還可以根據需要選擇其他各種傳感器。當客戶通過瀏覽器訪問服務器時，軟件系統以圖形化的界面顯示當前指標，系統每隔一段時間刷新一次，刷新時間可以用戶自定義，當間隔時間足夠短時，即實現了實時監測。

圖形化遠程監測界面（以空氣濕度為例）

數值式遠程監測界面（以空氣濕度為例）

3.2歷史數據的統計輸出

用戶可以自行定義各種指標的存儲時間間隔，例如每隔一個小時存儲一次數據，則過去一天的歷史數據將由24個點組成，同理，用戶也可以選擇每隔10分鐘甚至1分鐘存儲一次數據。

當客戶需要查詢歷史數據時，在系統輸入查詢條件，即可看到該范圍內的指標變化情況，以曲線的形式輸出。

自動繪制變化曲線

此外系統還支持歷史數據的excel、text、pdf等格式的數據導出。

導出前，選定導出范圍

顯示成數據列表

導出文件的另存界面

3.3超過閾值的自動報警

用戶可以針對每個指標設定上限值和下限值，當檢測到的數據超過范圍時，可通過三種方式進行報警。

※監測界面的紅色提示。當某項指標超標時，界面上將出現紅色“上限異常”、“下限異常”等字樣，提醒管理人員。

監測界面報警

※短信報警。系統初始化時，留有被報警人的手機號碼，當環境信息出現異常時，將自動發送報警短信至該號碼，提醒狀態異常。

短信報警

※統計報表中的狀態提示。系統在統計報表中對異常值進行狀態說明，提醒管理人員該指標的歷史異常情況。

統計報表中的提示

3.4現場設備的遠程控制

常用的現場設備包括風機、遮陽板、電磁閥（水閥）、燈光等，這些設備均可以通過信號線進行控制，服務器發送的指令被轉化成控制信號后即可實現遠程啟動/關閉現場設備的運轉。

用戶通過點擊界面上的按鈕即可完成啟動/關閉現場設備的指令發送。

遠程控制界面

3.5現場設備的自動控制

除了手工進行指令的發送之外，系統還能夠根據檢測到的環境指標進行自動控制現場設備的啟動/關閉。用戶可以自定義溫濕度、光照、CO2濃度等指標的上限值、下限值，并定義當指標超過上限或者下限時，現場設備如何響應（啟動/關閉）；此外，用戶可以設置觸發后的設備工作時間。

優勢：

※自動控制和手動控制間自由切換

※可自定義設備開/關邏輯

※可控制設備自動工作時間

自動控制邏輯設置

自動控制上下限設置

3.6視頻監控

此外，系統還集成了視頻監控設備實現對周圍環境和大棚內情況的監控。通過硬盤錄像機可以實現視頻信息的長期存儲和方便調用。

視頻監控界面

4.技術原理

4.1環境的感知

傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。一般說來，可以把傳感器看作由敏感元件（有時又稱為預變換器）和變換元件（有時又稱為變換器）兩部分組成；敏感元件是能完成預變換的器件，變換器是能將感受到的非電量變換為電量的器件。本系統采用的主要是數字傳感器，將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號。

4.2信息的傳輸

Zigbee是一種短距離、低功耗的無線通信技術名稱。這一名稱來源與蜜蜂的八字舞。其特點是近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。Zigbee技術有以下優點： 

①低功耗。在低耗電待機模式下,2節5號干電池可支持1個節點工作6～24個月，甚至更長。這是Zigbee的突出優勢。相比較，藍牙能工作數周、WiFi可工作數小時。

②低成本。通過大幅簡化協議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節點需要32KB代碼，子功能節點少至4KB代碼，而且Zigbee免協議費。每塊芯片的價格大約為2美元。

③低速率。Zigbee工作在20～250kbps的較低速率，分別提供250kbps(2.4GHz)、250kbps(780MHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始數據吞吐率，滿足低速率傳輸數據的應用需求。

④近距離。傳輸范圍：2.4GHz頻段一般介于10～300m之間；780MHz頻段一般介于100～700m之間，通信距離在增加RF發射功率后，亦可增加到1～3km。這指的是相鄰節點間的距離。如果通過路由和節點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。

⑤短時延。Zigbee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節點連接進入網絡只需30ms，進一步節省了電能。相比較，藍牙需要3～10s、WiFi需要3s。

⑥高容量。Zigbee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點；同時主節點還可由上一層網絡節點管理,最多可組成65000個節點的大網。

⑦高安全。Zigbee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES，128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。⑧免執照頻段。采用直接序列擴頻在工業科學醫療(ISM)頻段，2.4GHz(全球)、915MHz(美國)、868MHz(歐洲)和780MHz（中國）。

4.3瀏覽器/服務器架構

軟件系統采用的瀏覽器/服務器架構（B/S架構）是新一代的互聯網服務架構，無需安裝客戶端，采用瀏覽器直接訪問，能夠最大程度地減少客戶對訪問硬件的依賴，提高使用的便捷性。

B/S架構

該系統的開發環境采用Java2Platform，EnterpriseEdition(J2EE)，J2EE是一組協調規范與實踐，它們組合起來，能夠實現用于開發、部署和管理多層的以服務器為中心的應用程序的解決方案具有平臺獨立性、開發簡單、可移植性好、可被多用戶并發等優點。

5.經典案例

某市生態農業發展有限公司是從事蔬菜科研、蔬菜生產、凈菜加工、儲藏保鮮、運輸銷售、凈菜配送于一體的綜合性企業，現有110余畝有機蔬菜示范園。

農場遠景

5.1空氣溫濕度傳感器、光照傳感器、土壤PH值傳感器、土壤溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器等。

空氣溫濕度傳感器CO2濃度傳感器（已封裝）

光照傳感器

土壤PH值傳感器、土壤溫濕度傳感器

5.2傳輸設備

無線信號傳輸節點

5.3可遠程控制的現場設備。淋灌設備、風扇設備、遮陽板設備、視頻監控設備。

可遠程控制的噴淋設備

可遠程控制的風機設備

可遠程控制的遮陽板設備