智能农业大棚V3.2.

智能农业大棚V3.2. 基于物联网的温室大棚监控系统 设 计 报 告 2014年6月27日 摘要 物联网作为信息产业的第三次浪潮，在农业中的应用将会解决一系列科学技术问题，例如分布在广域空间的信息获取，高效可靠的信息传输以及面向不同应用的智能决策等，将是实现传统农业向现代农业转变的助推器和加速器。 实现智能农业，建立一个实用、可靠、可长期监测的农业环境监测系统是非常必要的。随着通信、计算机、传感网等技术的迅猛发展，将物联网应用到农业监测系统中己经是目前的发展趋势，它将采集到的温度、湿度、光照强度、土壤水分、土壤温度、植物生长状况等农业信息进行加工、传输和利用，为农业生产在各个时期的精准管理和预测预警提供信息支持，追求以最少的资源消耗获得最大的优质产出，使农业增长由主要依赖自然条件和自然资源向主要依赖信息资源转变，使不可控的产业得以有效控制。 因此，本文利用大赛提供的硬件平台尝试将物联网的概念加入到传统的农业生产当中，并针对当下发展比较快的温室大棚尝试设计了基于B/S架构的物联网智能温室大棚监控系统。该系统通过温湿度、光照传感器和USB摄像头能够准确实时的获取大棚的温湿度、光照和画面。农户可以对这些信息通过手机或电脑登陆Web服务器进行远程的监控。该系统还通过继电器对风扇和电灯开关的控制和电动机驱动模块的控制模拟了对农业设施的控制，可以通过对大棚温湿度、光照强度的设定来实现温室大棚的智能化精细化管理。通过专家指导可以随时获取对农作物的最佳管理方法，对病虫害有一个提前的预防，同时还可以获取天气、农产品的物流等重要农业信息。 目录 目录 第一章 绪论 .................................................... 1 1.1 课题背景 ..................................................................................................................................... 1 1.2 农业物联网简介........................................................................................................................ 2 1.3 相关知识 ..................................................................................................................................... 4 1.3.1 Simplicity 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 简介 .................................................................................................................. 4 1.3.2传感器简介................................................................................................................................ 5 1.3.3 Qt介绍........................................................................................................................................ 6 第二章 系统 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ................................................ 8 2.1 系统架构分析 .............................................................................................................................. 8 2.2系统拓扑分析.............................................................................................................................. 9 2.3方案简介 .................................................................................................................................... 10 第三章 系统设计 ............................................... 11 3.1 方案的总体设计与分析 ........................................................................................................ 11 3.1系统功能设计 .................................................................................................................. 11 3.1(2系统工作流程 ........................................................................................................... 11 3.2感知层的设计............................................................................................................................. 12 3.3 QT开发...................................................................................................................................... 15 3.4 上位机设计............................................................................................................................... 17 3.4.3编码规范 ................................................................................................................................ 23 第四章 总结与展望 ............................................ 25 第一章 绪论 1.1 课题背景 温室大棚多用于在不适宜植物生长的季节，能提供生育期和增加产量，多用于低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。因此对种植作物生长环境的要求要精确的多。大多数农户给温室加温、浇水、通风等，全凭感觉。人感觉冷了就加温，感觉干了就浇水，感觉闷了就通风，如果仅靠人工控制既耗人力，又容易发生差错。温室大棚的温度控制成为一个难题。农业进入信息化时代后，现在，随着农业产业规模的提高，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。因此，将物联网技术引入温室大棚中来。在温室环境里，单个温室即可成为无线传感器网络一个测量控制区，针对温室可调控因素多、经济附加值高、自动化信息化水平低的现状，可以利用物联网技术采用不同的传感器节点和具有简单执行设备的节点(风机、低压电机、阀门等工作电流偏低的执行机构)构成无线网络来测量土壤湿度、土壤成分、pH 值、降水量、温度、空气湿度和气压、光照强度、CO2浓度等来获得作物生长的最佳条件，通过模型分析、自动调控温室环境、控制灌溉和施肥作业，同时发布预警信息，实现对温室的集约化，网络远程管理。应用物联网技术，可达到增加作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。 物联网在农业领域中有着广泛的应用。从农产品生产不同的阶段来看，无论是从种植的培育阶段和收获阶段，都可以用物联网的技术来提高它工作的效率和精细管理。 (1)在种植准备的阶段，可以在温室里面布置很多的传感器，分析实时的土壤信息，来选择合适的农作物。 1 绪论 (2)在种植和培育阶段，用物联网的技术手段采集温度、湿度的信息，进行高效的管理，从而应对环境的变化。通过采集设备，比如说降温了，可以在温室里加热。 (3)在农产品的收获阶段，同样可以利用物联网的信息，把它传输阶段、使用阶段的各种性能进行采集，反馈到前端，从而在种植收获阶段进行更精准的测算。 (4)提高效率，节省人工，如果是几千亩的农场，要对各大棚进行浇水施肥，手工加温，手工卷帘，那要用大量的时间和人员来操作。如果应用了物联网技术，手动控制也只需点击鼠标的微小的动作，前后不过几秒，完全替代了人工操作的繁琐。 1.2 农业物联网简介 农业物联网指的是将各种传感器节点自动组织起来构成传感器网络，将传感器实时采集的信息及时反馈给农户，是农户足不出户便可对作物信息有一个详细的了解。农户可以通过手机或电脑远程控制设备，自动控制系统减少了灌溉、作物管理的用工人数，提高了生产效率。农业物联网综合了农业生产装备技术与计算机自动控制技术，使用自动化、智能化、远程控制的生产设备、将传统农业中仅仅依赖人力和简单的机械设备的生产模式转为以信息技术和软件为中心的生产模式。 信息应用层 温室控制 环境监控 精准农业 务支撑平台 云计算平台 服 2G 3G 以太网 信息网络层 物联网网关 传感器组网技术 传感器中间件技术 Simpliciti协议 usb摄像头 传感器 信息感知层 视频监控 图 1.1 农业物联网 如图1.1所示，与物联网感知层、网络层、应用层体系架构对应，农业物联网也分为三层:信息感知层、信息网络层、信息应用层。 ? 信息感知层主要负责采集数据和数据的短距离传输，通过各种传感器、摄像头等设备采集环境及作物信息，然后将信息传至网关。 ? 信息传输层类似人的中枢神经和大脑。主要负责信息处理和传递感知层采集的数据信息。它将现有的网络进行融合扩展，以实现更加高效、更加可靠、更加广泛、更加安全的互联功能，比较适合远距离传输。 ? 信息应用层类似人的社会分工。他实现了跨系统、跨行业、跨应用之间的信息互通与共享，主用功能是对感知层和传输层传来的数据信息进行融合、分析、处理、并通过各种设备和终端与人交互，实现农业的自动 3 绪论 化和智能化。 1.3 相关知识 基于物联网的温室大棚使用的基于simpliciti协议的CC1110片上系统采用433MHZ的无线通信频率，使用单总线的DHT11温湿度传感器，和IIC总线的光照传感器通过继电器来控制风扇和灯的开关。 1.3.1 Simplicity协议简介 ? SimpliciTI协议为非IEEE标准网络协议，有很强的灵活性，源代码完全公开，易于开发，可以工作在多个频段上，可灵活设置，传输速率相对较高，硬件节点体积小，成本低而且功耗低，很适合应用在小型无线采集和监测网络中。smpliciTI网络协议包括硬件逻辑层(LiteHardware Abstraction Layer)、 网络层(Network Layer)和用层(ApplicationLayer) 共三层。 ? 设备地址。在SimpliciTI网络中网络的设备地址由硬件平台地址和应用程序地址组成。硬件平台地址是独一无二的编程之前设定好。0x00或OxFF不能作为地址的首字节，因为他们是两个射频芯片工作时广播帧的第一个字节。应用程序地址即端口，是在设备加入网络和网络连接的过程中由AP分配，不能由用户设置。用户可以指定端口号和硬件平台地址与指定节点通信。 图 1.2 Simplicity协议层 ? 组网。Simpliciti协议规定三种逻辑设备:接入点(Access Point，AP)、范围扩展设备(Rang extender，RE)、终端设备(End device，ED)。Simpliciti网络拓扑结构一般分为点对点与星型网络结构。通过设置link token和jion token可以防止非本网络节点加入本网络。 EE ED D D A EEP D D EE 图1.3星型拓扑 D D 1.3.2传感器简介 ? DTH11不会主动进行数据采集，主机发送开始信号DHT11转到高速模式，等待结束信号后，DHT11发送响应信号，发送40bit数据，并触发一次信号采集，用户可以选择读取部分数据。如下图1.2 图 1.4 DHT11时序 5 绪论 主机把总线拉低至少18毫秒，DHT是11收到后发送80us的低电平信号。主机发送开始信号结束后延时等待20-40us后读取DHT11的相应信号，主机发送开始信号后，可以切到输入模式，或者输出高电平，总线拉高 图1.5 DHT11时序 ? bh1750光照传感器采用IIC总线与主机通信。IIC 总线是由一根数据线和一根时钟线构成。IIC 总线通用的设定有起始信号和结束信号。起始信号:SCL (时钟线)为高电平，SDA (数据线)由高电平拉低时是起始信号。SCL (时钟线)为高电平，SDA(数据线)由低电平拉高时是起始信号时序如图 图 1.6 bh1750 时序 1.3.3 Qt介绍 首先对于Qt要有一个完善的了解，Qt 是一个著名的 C++ 应用程序框架。你并不能说它只是一个 GUI 库，因为 Qt 十分庞大，并不仅仅是 GUI 组件。使用 Qt， “一站式”的解决方案:不再需要研究 STL，不再需要 C++ 的，不再需要到处去找解析 XML、连接数据库、访问网络的各种 第三方库，因为 Qt 自己内置了这些技术。Qt 和 wxWidgets 一样，也是一个标准的 C++ 库。但是它的语法类似于 Java 的 Swing，十分清晰，而且使用信号槽(signal/slot)机制，让程序看起来很明白——这也是很多人优先选择 Qt 的一个很重要的原因。不过，所谓“成也萧何，败也萧何”。这种机制虽然很清楚，但是它所带来的后果是你需要使用 Qt 的 qmake 对程序进行预处理，才能够再使用 make 或者 nmake 进行正常的编译。Qt 的界面也不是原生风格的，尽管 Qt 使用 style 机制十分巧妙地模拟了原生界面。另外最值得一提的是，Qt 不仅仅能够运行在桌面环境中，还可以运行在嵌入式平台以及手机平台。 Qt界面设计流程如图所示: 开始 Qt Creator设计 Qt/E重编译 Qt程序组件编 移植到开发板 写 不成功 成功 编译运行 不成功 调试 结束 图 1.7？,开发 7 方案设计 第二章 系统方案 2.1 系统架构分析 本方案基于大赛提供的硬件平台 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 如下。通过温湿度传感器和光照传感器对大棚的环境的温度、湿度、光照进行实时采集将数据进行量化，通过摄像头对大棚进行实时画面监控，用户在客户端通过浏览器可以随时查看采集的信息和画面，不需要进入到大棚就可以对大棚的环境有一个全 传感器模块 Usb摄像头 控制模块 控制节点 A8网关 基于物联网的服务平台 网关接口 温湿度、光照的风扇，电灯的控导 视频监控 专家指采集 制 核心模块(客户管理 角色管理 日志 服务调配 服务组合等) 终端接口 应用终端(手机、电脑，) 图2.1 系统架构 面的了解，可以远程控制风扇和电灯，电机的开关来调节温湿度和光照。也可以感觉外界环境对温湿度和光照进行设置，由监控系统自动处理从实现对温室大棚的智能化管理。 第一层是应用终端接入层，包括智能手机、PC、 PDA。便携电脑等各种终端设备，可以远程通过网络接入系统，随时随地的操作。第二层是农业物联网系统平台，其中平台应用系统将为应用终端和网关提供接口、同时提供基于物联网的智能农业系统核心服务。第三层是网关，负责对数据进行整理、上传，并实现对控制指令下发。第四层是前端感知层和控制应用层，负责信息的采集和对相关设备的控制。 2.2系统拓扑分析 以太网 用户 网 关 无线节点 图2.2 系统拓扑 图2.2可以看到,系统拓扑结构分为:应用部分(PC机),网关部分,和前端应用设备(包括传感器、无线控制节点)以及传输网络(以太网)。 9 方案设计 2.3方案简介 方案的功能设计考虑到实际应用的便捷性，提供数据采集、数据分析与查询、农业设施(灯、风扇)智能控制、视屏监控、专家指导功能。 ?数据采集:在温布置无线传感器模块、射频接受端、A8网关，建立无线传感网络，对环境温度、湿度、光照进行采集当传感器上报的采集数据超过预定的阀值时，数据将会变化颜色显示。 ?数据分析与查询:通过pc等终端，可随时随地的查询和分析各种数据，数据可以以表格等形式显示给用户，可以查看大棚的实时数据和历史数据。 ?农业设施控制:通过客户端可以随时随地高效、精准的控制相应的农业设施，入风扇、照明等。 视频监控:可以随时随地的实时进行远程视频监控，查看现场农作? 物的长势，得到农作物的第一手 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 ;同时，也可起到安防的作用。 ?专家指导:建立专家库，定期或者不定期的录入农作物种植方法及技巧相关的文章或期刊，指导农户种植农作物。 第三章 系统设计 3.1 方案的总体设计与分析 3.1系统功能设计 PC 端应用查询功能 传感器数据 设备状态 视频画面查询 曲线分析 历史数据查询 控制功能 应用层 设备智能监控 专家指导 设备参数设置 系统功能 用户管理用户注册删除 权限设置 网关应用 查询功能 控制功能 查询传感器数据 设备状态对农业设备进行现场网关 查询 控制 协议转换 联接传感器网络和以太网 数据采集 农业设备控制 视频监控 传感层 温湿度 光照 风扇、灯、电Usb摄像头 采集 动机驱动 图3.1系统功能 3.1(2系统工作流程 ? 上位机采集数据和下发命令流程。 11 系统设计 打开进入服务平台，管理员(用户)登陆成功后进入系统后，点击获取数据:命令通过web服务器下发给网关，网关通过协调器下发给传感器，数据从传感器经simpliciti网络发送到网关上的协调器，协调器经串口把数据发送到(linux)网关，把数据处理后经以太网发送到上位机显示给用户。 ? 网关上数据的采集与现实 网关通过qt编程可以实时显示数据和下发控制命令，命令通过串口传给AP，AP经simpliciti网路广播给ED。 3.2感知层的设计 3.2.1感知层总体流程 感知层传感器设计流程如下图所示 初始化设备 N 申请入网 AP Y N N 建立网络 监听 有申请 入网成功 Y Y 本网络节点 发送数据 Y 批准入网 N 有数据 休眠 Y 发给网关 图3.2 传感器网络流程 3.2.2 各模块的设计 感知层包括无线传感器节点，控制节点和视频监控模块。传感器有温湿度，光照传感器;控制节点主要是通过接受网关下发的命令对风扇，电灯的开关进行控制，通过对控制电动机驱动模块控制电动机的状态。视频监控模块使用usb摄像头+boa(apache)服务器通过V4L2编程对温室大棚进 13 系统设计 行远程网络视频监控。下面对无线传感器节点、控制节点和网络监控做一下介绍。 ? 无线传感器节点设计流程如图3.3所示传感器流程 开始 休眠 启动申请入网 Y N N 成功? 成功? Y 数据打包建立连接 发送 图3.3传感器流程 无线传感器启动后主动个加入AP建立的网络，AP通过JION TOKEN 判读要加入的ED是否是本网路的节点，加入成功后传感器主动向AP发送数据，数据发送成功后ED休眠一定时间后继续发送数据。 ?无线控制节点设计流程如下图 接受并执行 开始 Y 启动申请入网 N 有无线数 成功? 据 N Y 休眠 建立连接 图 3.4控制节点 控制节点只负责接受网关下发的命令，并将命令解析出来执行相应的控制执行完后进入休眠状态。在没有命令下达时控制节点将处于休眠状态等待唤醒。 网络视屏监控模块:usb摄像头与A8网关链接通过V4L2进行linux? 下的视频采集采集编程，将采集的画面 通过boa(apache)服务器传到上位机的监控系统。 3.3 QT开发 对于Qt在智能农业大棚中的应用，是通过实时显示和智能控制来实现的。主要模块分为以下几点:实时数据、历史数据、智能控制和应用设置。 实时数据的显示:对大棚内采集的各种数据进行实时显示，包括空气温湿度、光照强度，显示温室环境报警记录并显示是否处于智能控制的状态。显示界面类似下图: 15 系统设计 图3.5qt界面 ? 历史数据的查询:对近期采集的数据进行查询，支持列表和图表两种不同方式查看，用户可以更直观的看到历史数据。 ? 智能控制:可以选择打开或者关闭智能控制，来对用户需要控制的如光亮、通风等进行自动控制，比如当光照强度比较低(低于用户设定的值)就会打开led灯来增加光照，并会发出报警信息，即我们自定义规则让温室的环境随设备设定好的参数变化而变化。 ? 应用设置:对于用户的权限以及应用的一些基础设置，来方便用户获得更好的用户体验，在不登陆管理员时使用来宾账号查看数据，但仅仅是显示实时数据，其他操作都无法执行，只有管理员可以完全操作，但管理员的登录需要密码以加强安全性。 对于智能温室大棚我们的本意是让大棚的拥有者可以更省心，因此我们要确保软件系统的稳定可靠性，而且还有很关键的一点是人机交互性，在qt中更要确保这一点，因此我们的温室大棚监控系统在qt一方面的优势就在于以下几点:首先是基于Cotx-A8的物联网通用平台，系统运行稳定可靠，性能优异;用户无需架设专门的网络系统，节省投资和维护简便。 专门为农业用户定制的界面，界面友好，操作便捷。 Qt开发界面如下图所示: 图3.6 Qt开发界面 3.4 上位机设计 上位机系统是智能农业大棚的核心部分,采用Microsoft Visual Studio 2010环境用C#编写，数据库用Microsoft SQL Server 2008以及贵公司提供的SDK包。软件总体操作简单,界面清晰,管理员登录之后可以随时对系统环境参数进行查看,设备运行情况查询,某些参数的设置.管理员对数据查询和数据管理.设计如下: 17 系统设计 3.4.1系统功能结构介绍 图3.7上位机架构 3.4.2前台界面设计 前台界面是管理员与系统传递和交换信息的媒介.通过界面设计不仅可以使管理员知道具体功能,迅速进行功能控制,信息查询和数据输入.根据需要具体分为登录窗体,主窗体和作用窗体.下面给出重要窗体介绍。 (1) 登录界面 在智能大棚管理时,数据十分重要,只有管理员才能登录和管理使用。 实现如图3.7 图3.8管理员登录界面 操作流程图如3.9 图3.9操作流程图 19 系统设计 (2)主界面 在大棚管理里，大棚主页面统一管理数据和导航功能，如图3.10所示。 图3.10主界面 (3)状态显示界面 在大棚管理时，管理员在PC机端可以随时查看大棚的温度,湿度,光照等状态的实时显示,风扇与大棚内灯的状态也可实时显示,以便于管理员根据需要而做出对应操作。 图3.11状态显示 (4)系统设置界面 在大棚的管理过程难免出现一系列非正常情况,例如温度高于一定数值,开启风扇或者水泵喷水,把能够更改的参数供管理员管理,以便于系统智 能化运行。. 21 系统设计 图3.12系统设置 (5)监控界面 在智能大棚中,添加了视频模块,对大棚的状况用视频方式告知管理员,实 现录像,拍照,回放等功能. 图3.13监控界面 (6)专家库界面 在对大棚的日常管理中，难免会遇到植物病害等状况，管理员可以属于害虫的名以及疾病名，可以列出解决方案。 图3.14专家指导 3.4.3编码规范 (1)数据库命名规范 ? 数据库 数据库命名以字母“db”开头(小写)，后面加数据库的名字，如下表 3.1所示。 23 系统设计 数据库名称 描述 db_agriculture 大棚管理数据库 ? 数据表 数据表以“tb”开头，小写，后面加上数据表英文单词或者缩写。如表3.2所示。 数据表名称 描述 tb_user 管理员 信息表 校服规格信息表下载新员工入职基本信息表购买客户信息表红字发票信息表撤销说明客户档案信息表模板 (2)窗体命名规范 在创建窗体时，首先要对窗体ID进行命名，其编码规范则为“Form+窗体名称”，便于开发者使用。如Form_control。 第四章 总结与展望 (1)物联网关与采集、控制节点之间通过无线射频通信，目前使用的是433MHZ频段，此频段易受干扰，容易造成丢包现象，为了使传输数据更加可靠，在前段采集中引入Zigbee技术，传感器数据通过Zigbee发送模块传送到Zigbee中心节点上，控制器传送的控制指令也通过Zigbee发送模块传送到中心节点上，中心节点再通过网关将传感器数据、控制指令封装并发送到系统服务器。Zigbee模式具有部署灵活、扩展方便、成本低、时延短、可靠性高等优点。 (2)本文采集的数据有限，只涉及到温湿度、光照度。为了从多方面分析数据，更加方便决策分析，增加二氧化碳浓度采集、土壤酸碱度采集、土壤氮磷钾含量采集，室外气象台的建设等，使农户可以通过土壤的PH值、氮磷钾含量进行合理的施肥、灌溉。 (3)物联网在农业中的价值不仅仅体现于农业大棚温室监控方面，应进一歩推广到大规模的农业园区、设施农业和野外农业，以后我们会利用全球定位系统(GPS)、遥感技术(RS)、地理信息系统(GIS)、专家系统(ES)和决策支持系统(DSS)这"5S"技术，并综合气象与病虫害监测预警系统、环境监测系统等，对农作物的整个生产过程进行调控和管理，促进农业智能化，提高农业管理的效率和成功率。 25 书中横卧着整个过去的灵魂——卡莱尔 人的影响短暂而微弱，书的影响则广泛而深远——普希金 人离开了书，如同离开空气一样不能生活——科洛廖夫 书不仅是生活，而且是现在、过去和未来文化生活的源泉 ——库法耶夫 书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者———史美尔斯 书籍便是这种改造灵魂的工具。人类所需要的，是富有启发性的养料。而阅读，则正是这种养料———雨果