基于ZigBee与GPRS的温室番茄远程智能灌溉系统研究与实现（可编辑）

基于ZigBee与GPRS的温室番茄远程智能灌溉系统研究与实现（可编辑） 浙江大学 硕士学位论文 基于ZigBee与GPRS的温室番茄远程智能灌溉系统的研究与实现 姓名:陈辉 申请学位级别:硕士 专业:农业电气化与自动化 指导教师:杨祥龙 2013-03-08摘要 浙江大学硕士学位论文 摘要 我国虽然淡水资源丰富,但人均占有率低,是全球人均淡水资源最为贫乏 的国家之一。农业用水占总供水的%左右,而且目前农业灌溉用水的利用率 非常低。因此,发展节水灌溉技术具有非常重要的现实意义。发展自动化与智 能化的节水灌溉系统,对农业灌溉进行科学合理的管理,不但能节省人力物力, 提高劳动生产率,而且也是应对水资源短缺和推进农业现代化的必然选择。无 线传感网络的出现为大规模的信息采集提供了全新的路径,是无 线传感 网络中应用最广泛的 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 ,具有低成本、低功耗和高可靠性等特点。另一方面, 技术具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流 量计费等优点,使无线的长距离远程监控的实现也简单可靠。技术与 技术的结合在远程监控方面具有巨大的应用价值。本研究针对传统农业 监控系统中的各种缺点,采用和技术研制一个温室远程智能灌溉 系统,实现了无人值守的远程监控,并 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了模糊控制策略对温室番茄进行适 时适量的灌溉。本文主要研究内容如下: 分析国内外和技术的应用与发展概况,介绍了智能灌溉 技术的研究现状,在此基础上,对基于和技术的温室番茄远程智 能灌溉系统的研究内容作了阐述。 分析和技术的优势以及对本系统的适用性,提出了三层 网络架构的系统总体架构。 简要介绍了现场监控系统的组成,针对系统功能的要求,设计了变频 控制模块的硬件并进行了调试。 远程监控中心的软件设计与实现,包括现场网关节点传送数据的 处理、 数据分析和远程控制等,实现系统智能灌溉远程监控中心包括两部分软件:采 用椭写的程序和基于技术的展示网站。对该远程监控系 统进行了调试,测得监控现场的与远程监控中心建立连接大约需要分 钟,远程监控中心对监控现场的控制过程平均的延时在左右,能满足实际使 用的需要。 研究并实现了一个基于模糊推理的番茄智能灌溉模块。该模块位于远程 监控中心中,以土壤湿度和土壤湿度变化率为输入,以灌溉时间为输出,能根 ?摘要 浙江大学硕士学位论文 据番茄各生长时期适宜的土壤湿度进行适时适量的灌溉。通过仿真与相应的模 拟实验表明了本智能灌溉模块能根据土壤湿度进行适时适量的灌溉。 关键词:,,远程监控,模糊推理,智能灌溉,番茄灌溉 浙江大学硕士学位论文 , 舶 % . , .,. , , , .. ,,. , , . , , .:, . 撕 .?, ,浙江大学硕士学位论文 . ,. , .: ?. , ,,.,. , :,, , , 致谢 浙江大学硕士学位论文 ?、‘? 致谢 本论文是在导师杨祥龙教授的悉心教授指导下完成。从最初的选 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的最终的定稿, 杨老师都给予了充分的指导,并充分考虑了我个人的兴趣。杨老师治学严谨,和蔼可 亲,对我的研究生学习提出了非常多的指导和建议,在此向杨老师表示衷心的感谢。 同时也祝愿杨老师在以后的工作生活中一切顺利,身体健康。 感谢曹泓师兄对本研究的帮助。本系统的现场控制器中模块上的程序是由 曹泓师兄编写的。系统中模块与远程监控中心通信的实现在曹泓师兄的协助下 得以顺利完成。曹泓师兄对本研究提了一些很有益的建议,使我的研究工作进展得更 ’ 加顺利,和曹泓师兄的合作也使我获益良多。 感谢实验室其他几位师兄师姐和师弟,他们是王华、李琦、鲁琛、贾生尧和王春 龙。与你们的相处中,我度过了快乐的研究生生活。 感谢我的室友:陈苗荣、刘小龙、蒋科学和梅寒剑。在这两年多的相处和交流中, 我开阔了眼界,同时也感受到了友情的美好。 感谢我的两个好朋友:范武和王洋。谢谢你们这两年多的以来对我的帮助和鼓励。 陈辉 年月于浙大紫金港浙江大学硕士学位论文 绪论 第一章绪论 .课题研究的目的及意义 我国的淡水资源丰富,总量达到了亿,名列世界第。但人均水 资源占有量约 ,只占世界人均水平/,是全球人均淡水资源最为缺乏 的国家之一。另外,在雨水充足经济发达的我国南方地区,由于水资源污染严 重,合格水资源也面临短缺。而我国是传统的农业大国,农业用水量巨大,占 全国用水量的%左右,其中又以农业灌溉为主。我国农业灌溉水的有效利用 率仅为%%。而先进国家可达%..%/。近几年旱灾造成的农业损失 越来越严重,平均每年因旱成灾粮食面积达到亿多亩,因旱灾损失粮食超过 亿斤。当前,水资源危机有愈演愈烈之势,已成为世界各国关注的重点, 各国尤其是发达国家都把节约农业用水作为农业发展的首要任务。因此,必须 大力发展节水灌溉技术,以应对日益凸显的水资源危机。节水灌 溉是在保证作 物正常生长的前提下对其进行适时适量的灌溉,以最少的水量获得最大的收益。 精细农业的发展就要求转变“灌溉是浇地”的传统观念,树立“灌溉是浇作物 而不是浇地”的新理念,对作物进行精量灌溉【。采用自动化与智能化的节水 灌溉系统,能对农业灌溉进行科学合理的管理,同时节省人力物力,提高劳动 生产率。推广使用智能化的节水灌溉系统,提升农业灌溉的自动化和智能化水 平,是应对水资源短缺和推进农业现代化的必然选择。 温室是现代设施农业的主要部分,它能调控农业生产环境,使农业生产方 式更加高产与高效。经过多年的发展,我国温室生产面积已居世界第一。但是, 与发达国家相比,我国温室的发展水平仍然相对落后,尤其在自动化的温室监 控系统方面更是有明显的差距。由于国外引进的温室自动化监控系统价格昂贵, 操作复杂,难以大规模推广,一般多见于科研单位中。而国内自主生产的温室 监控系统非常少,而且可靠性等方面问题突出,能在广大农户中推广应用的鲜 有报导。目前我国的温室灌溉很多仍然采用传统的人工灌溉方式,费时费力, 而且浪费水资源。因此发展适合国情的自动化温室灌溉技术,具有重要意义。 温室智能灌溉系统中,一般需要对灌溉现场的空气温湿度、土壤湿度、光绪论 浙江大学硕士学位论文 照等参数进行采集,同时要对现场的电磁阀进行控制。传统的温室监控系统中 采用有线连接方式组成的上位机和下位机的二级系统【?】。但此类系统布线复杂, 不易移动。特别是在监测范围较大、传感器及控制节点较多的情况下,安装布 线和搬动都会面临很大的困难,而且大范围的布线也是一项不菲的投资。若信 息的传输方式采用无线通信的方式,省去了复杂的布线,而且节点布置简单灵 活,有极大地便利性。 现代农业要求对农业信息进行精准管理,农业现场信息的及时获取是进行 现代化精准管理的重要基础,如何快速、有效地获取农业现场各类数据成为目 前信息农业研究的重要领域。近年来,融合了传感器技术与多种信息技术的无 线传感器网络得到了巨大的发展。协议是无线传感网络中应用最广泛的 协议,它是一种基于 ..协议标准的新兴短距离、低功耗无线通信技 术【?。技术的出现为传感设备的无线信息传输提供了新的解决 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 ,它 应用于信息采集具有明显的优势。通用分组无线业务是以全球移动通讯系 统为基础的数据传输技术。它不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、 通信质量高、永远在线和按流量计费等优点,而且其本身就是一个分组型数据 网】。同时,支持/协议,可直接与互通。技术与 技术的结合延伸了原有无线网络传输的距离,能够进行远程无线监控。 随着我国经济的快速发展,农业生产必将采用各种先进的技术,以提高产 量,节约资源。本研究针对传统温室监控系统中的各种缺点,采用 和 技术来设计一个温室远程智能灌溉系统。通过技术和无线传感器 网络技术的结合,实现了无人值守的远程监控效果,并通过模糊控制方式实现 对温室番茄进行适时适量的灌溉。由于系统从现场的数据采集到远程的数据传 输都采用了无线的传输方式,使温室内的布线变得非常简单,提高了系统运行 时的可靠性,降低了成本。另一方面,利用智能的模糊控制方式对温室番茄进 行灌溉,简单可靠,易于实现,同时也能节水增产。因此,本系统的研究与实 现具有重要的现实意义。绪论 浙江大学硕士学位论文 .国内外研究现状 ..无线传感网络与技术研究现状 无线传感网络与技术都有很好的应用前景,已被广泛应用于军事、 工业控制、环境监测、智能家居等领域。技术给现场监测带来了极大的 便利,而技术具有广阔的覆盖范围,便于远程传输,并且能直接与 相连。随着研究的深入,两者结合的优势越来越明显。 无线传感网络最先在美国国防部的军事项目中得到了研究,此后由于其巨 大的应用价值扩展到了其他领域。由于无线传感网络节点部署简单等特点,因 此特别适用于农业与环境监控中的信息采集。在农业与环境监控方面的应用都 依靠网络来采集信息,并把信息汇聚到一个控制节点进行相应的处理和 对环境中的设备进行相应的控制。 无线传感网络在环境监测中的成功应用首先出现在年,美国加州大学 伯克利分校实验室和大西洋学院联合开展了一个传感器网络项目,在位于 缅因州巨鸭岛上部署了多层次的无线传感网络,以无入侵和无破坏的方式对野 生动物及栖息地进行实时的监测【】。 在各种自动化的监控系统中,信息采集是自动化控制的基础,而无线传感 网络的兴起使信息采集有了更加方便的传输方式,让相对廉价的大规模信息采 集成为现实。在现代化的精准农业中,农业环境信息的采集尤为关键。通常的 精准农业中,需要采集天气、温度、湿度等大量的环境信息。由于环境的多样 性,而且不同的作物对环境又有不同的要求,这就特别适合采用无线传感网络 来构建相应的监控系统【“ 。在国外,由于农业自动化和现代化水平较高,因 此无线传感网络在农业环境中的应用从它诞生时就备受重视。 华盛顿州立大学的.等人在年将无线传感网络应用于 葡萄园、果园和田野。并对各种环境下的网络性能做了大量的分析研究。 ..规范的无线传 等在一个种植甜瓜和白菜的温室里部署符合 感器网络。该传感器网络包含个传感器节点,个控制执行节点和个路由节 点,作者利用该网络对该温室的环境进行了有效的监控【”】。浙江大学硕士学位论文 绪论 .等于年开发出一种监控温室无线传感器网络系统,集成了 各种传感器,可以实时测量作物的水,温度,电导率,每天光合辐射和叶片湿 润。该系统显著地改善植物生长,更高效的利用水和化肥,减少由过度浇水引 发的相关疾病【】。 等在年开发了一套基于无线传感网络的特定地点的灌溉系统。该 系统把监控现场分为六块,分别采集土壤温湿度和空气温湿度信息,通过无线 蓝牙方式传送数据乖进行定位,所有数据传送到到远程的基站后再由基站 上的灌溉管理系统根据相应的灌溉策略进行差异性的灌溉【。 等人于年研究了基于无线传感网络的温室红辣椒生长管理系 统。该系统利用相应的传感器和闭路电视录像系统对红辣椒的温室进行监控。 各传感器信息通过协议进行传输,闭路电视录像系统监控温室现场的情 况【】。 年,韩国的研究了一套基于无线传感网络的温室环境监控系统, 用来防止温室中的叶面结霜。温室内叶面结露会使作物产生真菌相关的疾病, 影响作物的正常生长。该系统采用无线传感器网络的传感器节点采集空气温湿 度、雨量以及叶表温度,并通过网关节点把采集的数据存储到服务器,由服务 器对根据环境信息对温室中的锅炉、风扇等进行控制,以防止作物的叶面结 霜【】。 由于技术的特点,其特别适用于对实时性要求不高和小数据流量的监 控领域,因此利用其进行远程监控的研究非常多。在农业方面,由于其低成本 和无需布线的特点受到了研究者的关注。如等设计了一个基于技术 的养鸡场环境监控管理系统,在温度超过警戒线和空调不工作时以短信 息服务的形式发送到管理员的手机上【。等应用与技术设 计了农业远程监测系统,并把它应用于意大利和法国的多处葡萄园内的环境参 数的远程监测,对防止葡萄树的疾病起到了很好的效果【?。 国内对无线传感网络与技术的研究也非常多,很多高校和研究单位 纷纷加入其中,取得了不少的研究成果。在农业方面,无线传感网络与 技术的应用也已经有了不小的进步。 王益祥等研制了一套基于无线传感器网络的微灌监控系统。该灌溉监控网 绪论 浙江大学硕士学位论文 络系统由嵌入式测控终端和中央监控计算机组成,采用和技术进 行 通信,实现了在办公室就可以对灌溉现场进行精确控制【。 何龙等在杭州萧山区美人紫葡萄培养基地安装了基于无线传感网络的监控系统, 实现了对土壤水分、养分、温度、湿度和光照等信息的实时动态测试与显示, 并能根据葡萄优质高产生长的需要进行自动控制灌溉,取得了较好的效果【。 高峰等利用无线传感网络技术对作物水分监测系统进行了研究。该系统实 现了信息采集节点的自动部署、数据自组织传输,能远程精确实时地对作物需 水信息进行监测。作者在温室中对该系统进行了初步的试验,监测效果令人满 音【】 ?碌 韩华峰等针对温室环境数据信息监控特点,进行了基于协议的传感 器节点技术的开发,并在此基础上组成现场监控无线传感器网络,通过网络汇 聚节点与无线移动网络/和的无缝连接,实现数据远程 传输至指定数据库服务器【】。 未来的农业监控系统的自动化与智能化的要求会越来越高,技术与 基于的远程监控技术的应用也更加深入。 ..灌溉控制相关技术的研究现状 智能灌溉是在保证作物正常生长的前提下采用智能的灌溉策略对其进行适 时适量的灌溉。农业灌溉用水管理是一项复杂的任务,传统的灌溉决策主要是 通过研究土壤一植物一大气连续体的复杂关系,通过农田水量平衡原理 预测作物需水量来进行灌溉决策。作物灌溉不仅受生长发育时期的影响,还受 温度、湿度、降水、蒸腾等多种环境条件的影响,很难建立精确的数学模型【。 传统的灌溉策略通常是采用.公式预测作物的的腾发量,然后通 过农田水量平衡方程对其进行灌溉决策【。但.公式需要监测 的参量较多,需要大量的气象数据,计算较复杂,而且也不适合气候突变的情 况,不是很适合采用自动化的控制方式。近年来,随着智能学科的发展,国内 外学者研究了采用智能算法来对作物腾发量建模和控制自动灌溉系统,取得了 不错的效果。 西班牙的等人研究了采用人工神经网络对瓦伦西亚地区的参考蒸腾 绪论 浙江大学硕士学位论文 量进行了拟合。该模型以当地的最高、最低温度和空气湿度为输入,结果 表明拟合的效果很好【。 等利用有限的天气预报数据通过模糊神经网络对参考蒸腾量进 行建模,并通过实验验证了该模型的精度与传统的彭曼公式相比同样具有较高 的精度【】。 目前对智能灌溉系统常采用两种参量的控制方式:基于作物蒸腾量和基于 土壤湿度的控制方式。等对基于作物蒸腾量的智能灌溉的节水效率进行 了研究【。等对两种智能灌溉技术:基于作物蒸腾量的智能控制器和 基于土壤湿度传感器的智能控制器进行了研究,并比较了他们的节水潜力。 等设计了一个用于灌溉决策系统的智能无线传感器阵列。该传感器阵列 采集土壤湿度和土壤温度,并能实时显示这些参量的变化,为灌溉决策提供依 据【】 国外已经出现了不少智能灌溉的商业产品。美国雨鸟公司是世界上著名的 灌溉设备生产商,该公司生产的节水灌溉喷灌系统有基于时间控制的功能, 可以按设定时间自动开关电磁阀或者按一定的顺序轮流灌溉【。其新生产的 中央控制系统可用于面积较大的场所的集中式灌溉管理,通过卫星 站与解码器的结合使用实现单一地点的控制和监测。该系统除了能够定时控制, 还具有智能气象站和自动值的灌溉管理方式瞰】。类似地,美国托罗、科雨和 亨特公司都有不少智能灌溉的产品。 国内的智能灌溉技术也有了不小的进展,近年来国内的研究者更多地关注 采用智能算法应用于灌溉中。张兵等应用.优化算法的神经网络,通过 多维气象数据太阳辐射、空气温度、湿度与作物需水量的相关分析,建立 作物需水量的人工神经网络模型。并用美国田纳西州大学高原实验室所测的 天的气象数据对该模型进行了验证,表明该模型具有较高的精度【。彭世 彰等人以最高温度、最低温度、日平均温度、天气阴晴指数和风力等级为输入 因子。建立基于支持向量回归机的参考作物腾发量实时预报模型【。蔡甲冰等 利用日常的天气预报数据,采用自适应的模糊神经网络 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 建立了作物参考腾 发量的预测模型【】。崔天时等针对农业灌溉系统难以建立精确模型的特点,开 发了基于平台的温室节水灌溉模糊控制系统。试验结果表明,该系统浙江大学硕士学位论文 绪论 能够根据土壤水分适时、适量的灌溉。裘正军等也采用模糊控制的方式建立 了一个节水灌溉系统【】。 目前基于智能算法的灌溉控制系统大多仍处于理论研究方面,用于实际系 统的相对较少。 .论文主要的研究内容 随着现代通信技术的发展,远程监控技术在农业监控中的应用已 经非常广 泛。同时,采用先进的监控技术与灌溉方式,提高节水灌溉系统的自动化与智 能化水平,已成为节水灌溉系统发展的趋势。本研究针对传统温室监控系统中 存在的各种缺点,结合和技术,设计了一个远程智能灌溉系统, 并以我国广泛种植的温室番茄为例,设计了基于模糊推理的温室番茄智能灌溉 模块。现场监控系统采用技术,具有无需布线、布置灵活和可靠性高的 特点。远程传输基于技术,信息传输可靠,延迟较短。同时利用模糊控 制方式对温室番茄进行灌溉,简单可靠,易于实现,节约了水资源,提高了番 茄的产量。论文研究内容及各章安排如下: 第一章:介绍本课题的背景和智能灌溉技术的研究现状,分析国内外 和技术的应用与发展概况,在此基础上,对基于和 技术的温室番茄远程智能灌溉系统的研究内容作了阐述。 第二章:针对温室番茄远程智能灌溉系统需求,分析和技术 的优势以及对本系统的适用性,提出了整个系统的总体方案设计。 第三章:简要介绍了现场监控系统的组成,针对系统功能的要求,设计了 变频控制模块的硬件并进行了调试。 第四章:远程监控中心的软件设计与实现,包括现场网关节点传送数据的 处理、数据分析和远程控制等功能,实现系统智能灌溉远程监控中心包括两部 分软件:采用编写的程序和基于技术的展示网站。 第五章:针对传统的基于农田水量平衡原理的灌溉决策方法及其实际应用 中的缺点,提出了采用模糊推理方法来控制灌溉系统的优势及设计方案。以土 壤湿度和土壤湿度变化率为输入,以灌溉时间为输出,能根据番茄各生长时期 的适宜的土壤湿度迸行适时适量的灌溉。并通过仿真与相应的模拟实验验证设 绪论 浙江大学硕士学位论文 计的正确性与可靠性。 第六章:总结本系统的特点,并对其中的不足做进一步的展望。浙江大学硕士学位论文 系统总体设计 第二章系统总体设计 .总体方案的确立 随着我国对农业信息化和现代化的重视和扶持,智能化的灌溉方式正越来 越受研究者的重视。利用蓬勃发展的信息技术,对灌溉进行智能化的控制,正 成为解决不断涌现的干旱问题的关键技术。本系统针对温室中滴灌的场景进行 设计,集信息采集、滴灌控制、远程数据传输与智能灌溉控制一体化的灌溉控 制系统。 温室中分布多个的传感器节点、现场电磁阀控制器节点和一个变频器控制 节点。温室环境参数由传感器节点进行采集,滴灌管道的开关由电磁阀来控制。 在温室现场试验时.发现通常的温室滴灌供水系统中存在以下的问题:供水量 不足时,灌溉管道压力过小,滴灌非常缓慢;供水量过大时,灌溉管道压力过 高,严重时会引起滴灌带爆裂。为提高温室滴灌供水系统的稳定性和可靠性, 系统中供水部分采用变频恒压控制技术,因此设置了一个变频控制节点。传感 器节点、现场电磁阀控制器节点和变频器控制节点采集的信息通过网络 汇聚到现场控制器节点。现场控制器节点同时充当网关节点的功能,该节点把 封装后的数据通过网络发送到远程监控中心,远程监控中心接收网关 节点传送过来的信息,可对监控现场进行实时的监控。监控系统的结构组成为: 无线传感器节点,无线阀门控制器节点,无线变频器控制节点,现场控制器节 点,远程监控中心。 . 技术 .. 技术简介 无线网络传感器 ,的研究在世纪年 代末兴起,它融合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通 信技术.是当前国际上涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领 域。协议是无线传感网络中应用最广泛的协议,它是由英、浙江大学硕士学位论文 系统总体设计 日本三菱电气、美国摩托罗拉以及荷兰飞利浦等公司在年月共同 提出 并设计研究开发的无线通信技术,目前联盟的成员已发展到有多 家公司【, 飞思卡尔、德州仪器等国际著名的半导体厂商也是其中的成员。 它的底层采用 ..标准规范的媒体存取层与实体层。口作在.全球、 欧洲和 美国个频段上,分别具有最高、 和的传输速率,具有如下特点: 低功耗: 由于的传输速率低,发射功率仅为几;当进入 休眠模式,功耗更是在级。因此设备非常省电,仅靠两节号电池 就可以使用个月到年左右。 低成本: 协议专为低成本而设计,而且协议是免专利费的。 时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,时延在? 内。 网络容量大:一个星型结构的网络最多可以容纳个 设备。 还可以通过树形网络和网络结构扩展网络的容量。 可靠性高:采取了碰撞避免策略,避开了发送数据的竞争和冲突。 安全性强: 提供了基于循环冗余校验的数据包完整性检 查功能,并且采用了.的加密算法,以保证数据传输的安全。 .. 节点与网络拓扑 网络只能有三种节点: .协调器、路由和 髅端【】。各类型节点功能如下: .协调器:不管是哪种网络的拓扑方式,网络中都必须 要有一个并且只能有一个.节点。协调器节点的主要作用是初始 化 网络和管理整个网络。 路由:路由节点的主要作用就是在节点之间转发信息。 终端:终端节点的主要作用是发送和接收信息。 网络可以实现三种网络拓扑形式:星形、树形、网形。 星形拓扑 星形拓扑最为简单,包括一个协调器.节点和多个终端 】浙江大学硕士学位论文 系统总体设计 节点。每一个终端节点只能和协调器节点直接通信,终端节点之 间的通 信就必须通过协调器节点来中转。因此星型拓扑适用于网络容量 不大和可靠性 要求不太高的场合。星型拓扑结构如图.所示。 :: ? 图?星型拓扑结构 树形拓扑 树形拓扑由一个协调器和多个路节点和终端节点组成。协调器节 点连接多个路由器节点和终端节点,而它的子路由器节点也可以继续连接其他 的多个路由器节点和终端节点,如此重复多层。具体结构如图.所示。 图 树形拓扑结构 网状拓扑拓扑 拓扑又一个协调器和多个路由器和终端设备组成。在网状网络拓扑中, 信息的路由规则非常灵活,路由节点间可直接通信,这样就使信息传输路径有 浙江大学硕士学位论文 系统总体设计 了更多的选择,更加的有效和可靠。如果一个路由路径突然失效,节点可选择 其他有效的路由路径继续传输信息。网状拓扑结构如图所示。 图 网状拓扑结构 . 技术与远程监控 .. 技术简介是通用无线分组业务 的简称,是一种 基于系统的无线分组交换技术,在协议构架的基础上增加了支持 分组 交换的协议,而实现基于分组的无线通信服务。相对于原有的网 络, 的传输速率有了很大的提升【删。具有以下的特点: 可充分利用全国范围的网络,有广阔的覆盖范围; 较高的传输速率,理论上可达到的传输速率; 较短的登录接入等待时间,连接的一般平均耗时为; 提供实时在线功能,用户一直处于在线状态,不必频繁建立连接; 收费合理,只按流量收费; 的核心网络层采用技术,底层还可使用多种传输技术,与高 速发展的网无缝连接也变得简单。 可见,技术能满足各种小流量的远程数据传输要求,对偶尔的大 流 量数据传输也能胜任。浙江大学硕士学位论文 系统总体设计 .. 网络结构 系统在原有的中加入了对数据分组交换的支持,使之能提供无 线系统上的数据业务。系统本身采用网络结构,而用户拥有自己 独立的 地址,从而实现了移动用户的端到端的数据应用【。网络单元的结构如 图.所示。 图网络单元 系统中与之间为接口,采用帧中继协议;通过直连或者帧 中继网络实现与和之间的/协议的规程,称为 接口;与外部网络也采用/连接方式,称为接口;不同 之间连接时使用接口。 网络引入了分组交换和分组传输的概念,大大加强了底层的网 络对数据业务的支持。网络叠加在现有的网络之上,在原有的 网络的基础上增加了服务支持节点、网关支持节 点等功能实体。它支持通过实现和的互联,接口协议可以是. 或者是.,同时还支持和网络的直接互联【。由网络的结构可知,基 技术的 于协议,网络可以与直接互联,这也就就更扩大 应用价值。浙江大学硕士学位论文 系统总体设计 ..远程监控技术 远程监控是指本地计算机通过网络系统对远端的监控对象进行检测和控制, 必要时能对其进行远程控制。通过远程监控,管理人员不必亲临 现场就可以对 现场的工作情况进行监视,完成生产现场的各项生产任务等【。远程监控可以 显著提高劳动生产率,大大节省人力物力,提高监控的自动化水平,因此,近 年来远程监控系统已经广泛应用到各个领域,如配电网监控、气体监测、水质 监测、环境监测等方面】,并取得了不错的效果,具有很大的推广价值。 在自动化的温室灌溉系统中,通常需要对灌溉现场的温度、湿度、光照和 土壤含水率等信息进行采集,为作物灌溉提供参考,以在保证作物生长的同时 节约用水。传统的农业远程监控系统多采用总线式的有线连接方式。但是在很 多场合中。比如监测点数量众多、分布范围广、地理位置偏远等,布线就非常 困难,而且投资也不菲。另外,农业上的监控对象大多具有参数众多、分布地 域广、测点分散、远离都市的特点,通信和电力等基础设施也较为落后。若采 用有线的通信方式,投入将会很大。而且相对于我国的农业发展 滞后的局面, 高成本高投入的有线方式显然不适合。移动无线通讯技术的发展,为农业信息 的远程监控提供了有效的途径。目前在各种长距离的无线通讯技术中, 技术最受青睐,通过网络系统,设备可采用技术标准与远程连 网的服务器交换数据,实现了与国际互连网的连接。采用进行远程监控, 具有明显的成本优势。 .系统总体架构 在短距离、低速率、低功耗的传感器网络应用中具有明显的优势, 而且得到众多厂商的支持,产品也越来越成熟。另外,技术非常适用于 各种小流量的远程无线数据传输场合,同时对间或的大流量数据传输也能胜任。 针对农业监控对象的特点,基于技术的远程监控在农业远程监控领域也 是优势明显。因此,本系统结合两种技术设计了温室灌溉的远程监控系统,即 充分利用了无线传感器网络节点灵活、部署方便的特点,又利用了技术 扩展了无线传感器网络数据的传输范围。系统有三层结构,如图 所示。 浙江大学硕士学位论文 系统总体设计 监控中心 机及监 控软件 图系统的总体结构 系统各部分的具体组成如下: 温室监控现场的网络包括传感器节点、阀门控制器节点和变频 器控制节点。拓扑结构采用星型网络,传感器节点采集温室中的环境信息,具 体包括:空气温度、空气湿度、光照和土壤湿度。 现场控制器节点。网络的汇聚节点即协调器节点作为系统的 网关节点,此节点由单片机、模块和模块共同构成。其中, 模块作为主控模块,单片机与模块通过串口与进行通 信。此节点集中管理现场各节点信息,并将各节点采集的数据封装成/ 格式的数据包。再通过网络和网络传送到与网络相连的 监控中心。 一台机作为监控中心。监控中心集中处理网关节点传送过来的数据, 并把数据存入数据库。监控中心根据监测信息对监控现场进行分 析,对现场各 个电磁阀进行控制,以控制现场灌溉。监控中心可采用手动控制与自动控制多 种方式,同时还设计了一个基于模糊推理的温室番茄灌溉模块。远程监控中心 包括两部分的软件:采用编写的程序和.的展示网站。 .本章小结 本章介绍了技术、技术与远程监控等技术,分析了它们的特 点与优势,并根据这些技术提出了本系统的总体设计方案。本系统的总体架构 是一个三层的网络结构,现场监控网络采用协议进行通信,并由现场控 系统总体设计 浙江大学硕士学位论文 一????????????????????????????????????????????????一 制器节点把现场采集的信息通过网络和发送到远程的监控中心, 远程监控中心对接收到的现场信息进行统一处理。远程监控中心有手动控制和 自动控制的方式,并设计了一个基于模糊推理的温室番茄智能灌溉系统。浙江大学硕士学位论文 现场监控系统设计与实现 第三章现场监控系统设计与实现 现场监控系统中包括的节点类型有:传感器节点、阀门控制器节 点、变频 器控制节点和现场控制器节点。本系统的现场监控系统是在实验室已有的现场 无线智能灌溉系统的基础上的进一步设计,因此只需在原有的温室现场监控增 加需要的节点,并对相关的软件进行升级即可,无需重新设计。实验室原有的 现场无线智能灌溉系统包括了传感器节点、电磁阀控制器节点和现场控制器节 点,现只需增加变频控制器节点。各节点的硬件中都包含兼用协议的微 处理器 芯片。 是公司的一款兼容协议的微处理 器,集微处理器、无线收发于一体,功耗低、灵敏度高,在业界已经得到了 广泛的应用。其中,实验室原有的传感器节点、电磁阀控制器节点和现场控制 器节点本章只作简略介绍,具体的内容可查看文献【李琦,。 .传感器节点 传感器节点主要采集温室环境的相关信息,并把它们发送到现场控制器节 点。其中,空气温湿度传感器选择 ,光照传感器选择,土壤湿 度传感器选择锦州阳光科技发展有限公司生产的型土壤湿度传 感器。本 节点结构如图.所示。 图传感器节点的结构 传感器是由个温度敏感元件、个电容性的聚合体湿度敏感元件、 个位的/模数转换器和个串行电路共同集成在芯片上。 : 相对湿度传感器的主要参数女 钡量范围:?%;浙江大学硕士学位论文 现场监控系统设计与实现 响应时间:?秒; 精度:?.%?%。 ? 温度传感器的主要参数如下: 测量范围:.一?; 响应时间:?秒; 精度:???。 是由公司生产的数字光照传感器。它采用线制 串行接口,拥有个发光二极管和一个位精度的/模数转换器【。 型土壤湿度传感器是采用先进的时域反射原理,可以快速在线测 量土壤的体积含水率。该传感器盼陛能指标如下】: 测量参数:土壤容积含水量; 量程:%/; 精度:.%量范围:士%; 测量区域:%的影响在围绕中央探针的直径、长为的圆柱体 内;通电后约秒为稳定时间; 秒内进入响应稳态过程; 作电压:/ ; 作电流:~,典型值为; 输出信号:.。 型土壤湿度传感器的特点:高稳定性,操作简单。支撑材料为环氧 树脂,保证了强度和寿命。密封性好,能长期埋在土壤中,不易腐蚀。 本节点可采用太阳能电池与电网供电两种方式。节点的具体硬件和软件设 计见文献。 .阀门控制器节点 阀门控制器节点主要是接收并执行现场控制器节点发送过来的控制命令, 然后对相应的阀门进行开关控制:把现场阀门的开关信息定时上传到现场控制 器节点。浙江大学硕士学位论文 现场监控系统设计与实现 图.阀门控制器节点 。 节点的具体硬件和软件设计见文献 .变频器控制节点 变频器控制节点主要控制温室灌溉中的变频器输出可变频率的三相电以控 制水泵,使灌溉管道的水压恒定在一个合理的范围内。控制方式采用闭环控制 方式。该节点接收现场控制器的命令,输出相应的模拟电压经过线性隔离和放 大后,输出到变频器的模拟输入端,再由变频器控制水泵。管道上安装~个压 力传感器测量水压并反馈到 的输入端。该节点定时把灌溉管道的 压力上传到现场控制器中,恒压的控制方式采用经典的控制算法。系统的 。 结构如图.所示。下面主要介绍本节点的硬件设计,具体软件设计见文献 图变频器控制节点结构图 其中,变频器选用博士力士乐西安电子传动与控制有限公司的通用变 频器.....,功率为.。变频器拥有两个模拟输入控 制端,一个接收的是~的电压控制信号,另一个接收的是~的电 流控制信号。变频器能够根据输入控制信号的大小输出相应频率 的三相电。 本系统采用一的模拟电压输入端作为控制信号。 浙江大学硕士学位论文 现场监控系统设计与实现 因此,本系统的变频器所接收的控制信号的电气特性: 控制信号电压:.; 该模拟电压接收端的输入阻抗:左右。 管道水压传感器的测量采用上海奥博自动化设备有限公司生产的压力变送 器,型号为.。该压力变送器采用了扩散硅敏感元件,测量精确,稳定 性好;采用了抗干扰设计,适合恶劣使用环境;结构紧凑坚固,安装使用方便。 该变送器的实物图如图所示,主要技术指标如下【: 钡量范围:~.; 测量精度:?.%、?.%; 供电电源:~典型; 过载压力:?%; 长期稳定性:?.%/年; 补偿温度:?; 介质温度:一~; 环境温度:.; 温度漂移:?.%/?; 环境湿度:?%; 外壳材质:不锈钢结构; 测量介质:对不锈钢无腐蚀的气体、液体。 图压力变送器实物图 现场监控系统设计与实现 浙江大学硕士学位论文 ..输出控制模块的设计 输入到变频器的电压模拟信号为.,有个位的数 模转换器输出引脚,本系统利用输出所需的.模拟电压。因为 控制器属于弱电系统,若它的输出直接与大功率的变频器输入端相连, 当变频器系统产生干扰时,就有可能给弱电系统部分的硬件造成直接的损坏, 有时虽然没有对硬件带来损坏,但经常使微处理器的系统程序产生意想不到的 结果,控制指令也无法正常执行,还可能会引起事故。因此,在本系统中必须 有相应的隔离措施来提高系统的抗干扰能力,以保证可靠性。本系统采用线性 光耦隔离来提高抗干扰能力和可靠性。线性光耦选用。 是一款高精度线性光耦,它的线性度、稳定度都比较高,而且 设计灵活,与不同的外围元件相连接,就能实现多种光电隔离转 换电路【】。 由个光电元件组成,其内部结构如图.所示。 一? 多一 阳 .帕’ . 多。『『 图 内部结构 由上图可得:? / ?浙江大学硕士学位论文 现场监控系统设计与实现 式中、分别为输入、输出光电二极管的电流传输比,其典型值均 为 .%左右.%..%。为传输增益,每个制造出来后它就是一 个恒定值,值约?.。 如图.所示.的输出经与中的两个运 放组成的隔离放大模块后,再经运放中的一个运放组成的跟随器 和 稳压管输出.的模拟电压。该电路中,的输出范围为 ..,设为,经隔离放大后的输出为。由如图所示电路可得: 卟磋一 ?,由,,孺的范围为:一.。再经 的稳压管即可保证变频器的模拟输入的电压范围为.。 图输出控制原理图浙江大学硕士学位论文 现场监控系统设计与实现 ..管道压力采集模块的设计 由选用的压力变送器可知,压力采集模块输入为电流的电流信号。 芯片具有个位模数转换器输入端,对本系统而言精度已 能满足要求。为了保证信号采集的正确性,防止管道振动等不确定因素带来的 干扰,压力变送器的输出到的输入端之间同样采用了构 成的隔离电路。的输入端的的采集范围是:.,该电路同时把 压力变送器采集的电流变换到的电压值。具体原理图如图.所 示。该电路中,为采样电阻,将输入的电流转换为.的电压, 中的两个运放和构成隔离电路,隔离后的电压再通过 构成的跟随器电话传送到的中,由对采集的信 号进行处理。 图?压力信号采集原理图浙江大学硕士学位论文 现场监控系统设计与实现 .现场控制器节点 现场控制器节点功能较为复杂,因此主控芯片采用高性能的内核的 嵌入式处理器。为减低系统的复杂性,选用友善之臂计算机科技有限 公司生产的模块。该模块已经集成了最小系统以及相应的 、 、、接口等常用模块。模块选用华为 / 的。该模块支持 双频,内嵌/协议, 支持多链接,提供应答和大容量缓存删。模块与现场监控系统中的 模块同过串口通信。模块把命令通过串口发送给模块, 即可让模块实现相应的功能。 通过转串口接口与和模块相连。现 场控制器节点是监控现场的传感器网络的汇聚节点,负责管理和维持现场的 网络。同时,它还作为监控现场的一个主控单元,配有相应的液晶触摸 屏,可实时展示温室中的相关信息以及对现场的电磁阀进行控制。现场控制器 节点的结构如图.所示,节点的具体软件设计见文献。 瞄. 矧喇 :审口 横块一 乍翘固 爿四 图现场控制器节点结构 .本章小结 本章主要介绍现场监控系统的各类型节点的设计,对实验室中已有的传感 器节点、阀门控制器节点和现场控制器节点做了简单的介绍,详细介绍了新增 的变频器控制节点的硬件设计。 浙江大学硕士学位论文 远程监控中心的设计与实现 第四章远程监控中心设计与实现 远程监控中心由一台普通的和相应的监控软件组成,它是通过 网络与温室现场监控系统中的模块建立连接进行通信。远程监控中心把现 场采集的信息存入数据库中,以便以后分析处理。同时,它还能根据需要可对 温室现场中的电磁阀进行控制,具有多种灌溉控制方式。监控中心软件采用?? 语言编写。撑是微软为. 量身订做的程序语言,拥 有/的强大功能以及 简易使用的特性,是完全面向对象的编程 。监控中心的软件包括两部分: 语言【】。数据库选用 监控程序和基于.的展示网站。 .数据传输协议的选择 ,用户数据报协 当前用户在网络上可对 议与 ,传输控制协议传输协议进行选择,两 种方式各有优缺点,需根据实际情况进行选择。下面对两种协议作简单比较。 .. 协议 传输控制协议 是基于连接的协议,即 是在正式通信前必须要与对方建立起连接。协议向上层应用提供的服务时 面向字节流的,它通过协议来传输数据,而协议的传输单位是数据报。 由于用户提交的字节流数据可能很大,而一个数据报只能包含有限的数据, 因此协议必须把大的字节流数据分割成多个数据报来传输,目标主机的 协议在收到这些数据包时将这些分割的数据再组织成数据流。协议数 据报有自己的头部和数据报,一个数据报成为段。源端口和目标 端口用于 指定发送和接收方的端口号【稍】。报文格式如图.所示。浙江大学硕士学位论文 远程监控中心的设计与实现 源端口字节 目的靖口字节 序号神 确认号字节 敷据偏移 控镌位 保留位 窗口事前 位】 位 校验和字节 紧急指针字节 选项 填充字节 数据 图报汶格式 连接建立需要进行三次连接信息的发送/接收,即“三次握手”的过程。 通常,发起连接的称为客户机,接收连接的称为服务器。首先,客户机向服务 器发送一个特殊的数据段,该段不包含数据区,并将报文段中位 置,随机选择一个起始序列号填充在该报文段的序列号字段。服务器接收到 这个特殊数据报后,向客户机发送一个允许连接的报文段段。该报文段的 啦被置为,同时位置并在序列号字段设置自己的初始序列号。客 户机收到服务器的报文段之后会发送一个赠服务器,服务器收到该数 据段后连接的建立就完成了【。完成以上三步后,客户机和服务器就可以互相 传输数据了.如图.所示。 图协议三次握手浙江大学硕士学位论文 远程监控中心的设计与实现 .. 协议 用户数据报协议 是一种面向无连接的传输层协 议,即在正式通信前不必与对方先建立连接。提供面向事务的简单、不可 靠信息传送服务;它基本上是协议与上层协议的接口;它的适用端口分别 运行在同一台设备上的多个应用程序。适用于一次只传送少量数据、对可 靠性要求不高的应用环境。相对于协议而言,协议简单得多,因此 传输效率高。 数据报中包括了源端口和目标端口号,它们都是位的。其中源端口 字段是可选的,如果指定了该字段的值,就表示相应的数据包应 发往的端口号, 也可不适用将其设为。长度字段表示整个数据报的位字数,包含 头部和数据部分【螂】。数据报格式如图.所示。 目的端口 游端口 长度 校验和 数据 ?? ? ??? ? ??? 图. 数据报格式 ..两种协议的比较与选择 和协议是/协议簇中主要的两个传输层协议。其中 提供环境下的数据可靠传输,提供的服务包括数据流传送可靠性、流量控制 和拥塞控制。而则不为提供可靠性、流控或差错恢复功能。通常 应用于实时性不高、可靠性要求高的场合,而对应的则是实时性高、可靠 性要求低、传输经济的应用。 在基于的远程监控系统中,需要仔细分析应用的特点和需求,根据 实际情况选择或协议。协议的应用场景通常是小数据量、高实 时性和监控点数量较多的场合。若传输的数据量较大、可靠性要求高、监测点 浙江大学硕士学位论文 远程监控中心的设计与实现 也不多,会更有优势。本系统中,温室都位于远离城市的农村或市郊, 信号可能会较弱,传输的丢包率较大的情况会经常发生;由于本系统需要对温 室中的阀门进行较为可靠的控制,远程监控中心与的通信要相对可靠: 由于温室中的环境变化不会太剧烈,系统对实时性的要求也不高。若选用 协议,通常需要在上层应用中增加对数据可靠性的验证,这也同时加大了编程 的复杂性。综合上述分析,本系统选用传输协议。 . 通信技术 是提供的网络应用编程接口,它采用客户/服务器的通信机 制,使网络客户方和服务器方通过实现网络之间的连接和数据交换。 实际上是指一个通信端点的一种抽象,它提供了一种发送和接收数据的 机制。是微软公司提出的,提供给编程者在系列操作系统环境 中实现网络异步通信的接口,它是对网络通信机制的功能扩充,提供了 可以运 一种可为指定传输协议打开、计算和关闭会话的能力。 行在许多网络协议之上,包括/、、/等【‘“。 定义了应用程序设计接口 可以方便的利用下层的 网络协议如/进行网络通信。网络通信应用程序的开发是不能直接与 /核心接触.而是采用微软提供的 即可完成所有的功 能。 则可直接与/核心进行通信。在/网络应用中, 通信的两个进程相互作用的主要模式是客户机/服务器模式,具体就是客户端向 服务器发出请求,服务器接收到请求后提供服务。 编程可分为两种模型:流式和数据包式。 流式套接字的工作过程 流式是一种面向连接的,对应于面向连接的协议的应 用。在该模型中,服务器首先调用函数创建一个流式套接字,并调用 函数将其绑定到一个地址和端口,然后调用函数侦听端口以等 待客户端的连接请求。客户端同样调用函数创建一个流式套接字,然后 调用函数连接到服务器。服务器端的函数将一直阻塞并等待客 户端连接,当函数接收连接请求后返回一个与客户端通信的套接字,然 浙江大学硕士学位论文 远程监控中心的设计与实现 后两端就可以调用和函数进行数据传输。最后,当关闭连接时,服务 器和客户端调用相应的函数。该编程模型如图.所示。 数据包式套接字的工作过程 数据包式是一种无连接的,对应于无连接的服务应用。 该模型相对较简单,客户端和服务器没有明确的界限,服务器和客户端是对等 的关系。客户端之间首先创建一个数据包式套接字,并将其绑定到对应的地址 和端口上。然后客户端之间就可以通过和函数进行数据传输。 最后,都需要调用函数关闭套接字。该编程模型如图.所示。浙江大学硕士学位论文 远程监控中心的设计与实现 謇户墙 图数据包式套接字编程模型 本系统中监控中心是采用协议与模块进行连接,因此应采用面 向连接的编程模型。 .数据库设计 为了便于日后的数据分析与整理,监控现场采集的信息都存储到监控中心 的数据库中。数据库可以高效地存储信息,选用的数据库软件是公司 。系统中需要存储的信息有传感器数据、阀门状态信息和供 的 水管道压力数据。实验的温室中安装有一个传感器节点,此节点包括空气温度、 空气湿度、光照和土壤水分传感器信息;两个阀门节点,每个节点由两个通道, 即每个节点能控制两个阀门:一个压力传感器节点。每个节点在数据库中都有 相应的表与之对应。这些表都是一对一的关系,因此设计也较为简单。各个表 的设计如下: 传感器表,主键为属性。浙江大学硕士学位论文 远程监控中心的设计与实现 列名 数据类型 允许空气温度 】 空气湿度 光照 土壤湿度误码率 上传时间 表传感器表 目前系统拥有节点、,两个表的属性完全一样,主键为属性。 列名 数据类型 允许通道号 】 通道状态误码率 上传时间 表.阀门节点表 压力数据表,主键为属性。 允许 列名 数据类型 】 压力值 误码率上传时间 表.压力数据表浙江大学硕士学位论文 远程监控中心的设计与 实现 .远程监控中心软件设计 ..远程监控中心总体设计 监控中心的程序