智能農業大棚環境遠程監控系統

一、概述

　　近年來，溫室大棚種植為提高人們的生活水平帶來極大的便利，得到了迅速的推廣和應用。種植環境中的溫度、濕度、光照度、CO2濃度等環境因子對作物的生產有很大的影響。傳統的人工控制方式難以達到科學合理種植的要求，目前國內可以實現上述環境因子自動監控的系統還不多見，而引進國外具有多功能的大型連棟溫室控制系統價格昂貴，不適合國情。

　　針對目前大棚發展的趨勢，提出了一種大棚智能監控系統的設計。根據大棚智能監控的特殊性，需要傳輸大棚現場參數給管理者，并把管理者的命令下發到現場執行設備，同時又要使上級部門可隨時通過互連網或者手機信息了解區域大棚的實時狀況。

二、系統組成

1、大棚現場采集控制終端

　　大棚現場采集控制終端負責24小時采集溫室內溫度、濕度、光照、土壤溫度、土壤濕度、CO2濃度、葉面濕度、露點溫度等環境參數。

2、無線傳輸設備

　　四信IP MODEM F2103采用標準的232/485通信接口，只要內置一張GPRS數據卡就能和互聯網進行通信，和大棚現場采集終端通過232/485連接后，將采集終端送上來的數據原封不動的通過網絡傳輸到數據管理中心。F2103的通用性強，即插即用，體積小巧安裝使用簡單便捷，無需太多專業技能，而且針對不同的工程情況可選擇不同的網絡IP MODEM，型號規格為F2X03。

3、數據管理中心

　　數據中心對現場實時采集的溫室內溫度、濕度、光照、土壤溫度、土壤濕度、CO2濃度、葉面濕度、露點溫度等環境參數進行分析處理，不僅進行完成的統計做出相應的統計報表，并做出趨勢分析，且以直觀的圖表和曲線的方式顯示給用戶，并根據種植作物的需求提供各種聲光報警信息。當溫濕度超過設定值的時候，自動開啟或者關閉設備。

三、系統總架構

　　首先用232/485先將大棚數據采集終端和F2103連接起來，將SIM卡插進F2103中，給F2103上電即可，此時F2103會自動連接到數據中心。數據中心服務器一般通過固定IP、ADSL、APN的形式接入網絡。無線傳輸設備F2103通過GPRS網絡連接到遠程數據中心服務器主機，與中心建立TCP/IP連接后開啟透明數據通道。當采集終端需要上報數據的時候將數據直接送往串口，此時F2103就會把收到的數據原封不動地發送到數據中心服務器主機。當數據中心下發的命令或數據通過通道傳輸到F2103后，F2103通過串口送到采集終端，從而實現了數據雙向透明傳輸。

四、系統實現功能

　　1、可在線實時24小時連續的采集和記錄監測點位的溫度、濕度、風速、二氧化碳、光照、空氣潔凈度、供電電壓電流等各項參數情況，以數字、圖形和圖像等多種方式進行實時顯示和記錄存儲監測信息，監測點位可擴充多達上千個點。

　　2、可設定各監控點位的溫濕度報警限值，當出現被監控點位數據異常時可自動發出報警信號，報警方式包括：現場多媒體聲光報警、網絡客戶端報警、語音報警、手機短信息報警等。上傳報警信息并進行本地及遠程監測，系統可在不同的時刻通知不同的值班人員;

　　3、數據集中器提供USB接口，在沒有配監控電腦或監控電腦損壞、癱瘓，可隨時用U盤導出將數據轉至其它電腦。

　　4、數據集中器端提供具有信號輸出協議的端口，可接通信設備(GPRS IP MODEM等)進行無線傳輸。

　　5、溫濕度監控軟件采用標準windows 98/2000/XP全中文圖形界面，實時顯示、記錄各監測點的溫濕度值和曲線變化，統計溫濕度數據的歷史數據、大值、小值及平均值，累積數據，報警畫面。

　　6、監控主機端利用監控軟件可隨時打印每時刻的溫濕度數據及運行報告。

　　7、強大的數據處理與通訊能力，采用計算機網絡通訊技術，局域網內的任何一臺電腦都可以訪問監控電腦，在線查看監控點位的溫濕度變化情況，實現遠程監測。系統不但能夠在值班室監測，領導在自己辦公室可以非常方便地觀看和監控。

　　8、系統可擴充多種記錄數據分析處理軟件，能進行繪制棒圖、餅圖，進行曲線擬合等處理，可按TEXT格式輸出，也能進入EXCEL電子表格等office的軟件進行數據處理。

　　9、控制軟件的編制采用軟件工程管理，開放性與可擴充性*，由于采用硬件功能的軟件化的系統設計思想及系統硬件的模塊化、通訊網絡化設計，系統可根據需要升級軟件功能與擴展硬件種類。

　　10、系統設計時預留有接口，可隨時增加減硬軟件設備，系統只要做少量的改動即可，可以在很短的時間內完成。可根據政策和法規的改變隨時增加新的內容。

　　11、設備改進、檢修過程中及檢修完成后，均不需要停止或重新啟動機房監控系統。

　　12、系統都均做可靠行接地，以防靜電。

五、項目架構實施

1、F2103與大棚現場數據采集終端的連接

　　一個大棚里面會有多個傳感器采集點，通過485將采集數據統一匯聚到集成采設備，工業集采設備采用232/485通信方式與無線通信模塊F2103進行連接，對傳感器數據進行集中輪詢后將數據通過串口送往F2103。

2、數據中心網絡接入方式分析

　　1）專線接入

　　中心采用APN專線， 所有點都采用內網固定IP客戶中心通過一條2M APN專線接入移動公司GPRS網絡，雙方互聯路由器之間采用私有固定IP地址進行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯路由器之間采用GRE隧道。為客戶分配的APN，普通用戶不得申請該APN。用于GPRS專網的SIM卡才能進入專網APN，防止其他非法用戶的進入。

　　用戶在內部建立RADIUS服務器，作為內部用戶接入的遠程認證服務器(或在APN路由器內，啟用路由器本地認證功能)。只有通過認證的用戶才允許接入，用以保證用戶內部安全。

　　用戶在內部建立DHCP服務器(或在APN路由器內，啟用DHCP功能)，為通過認證的用戶分配用戶內部地址。移動終端和服務器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進行隔離，并在防火墻上進行IP地址和端口過濾。此種方案無論實時性，安全性和穩定性較前一種方案都有大大提高，適合于安全性要求較高、數據點比較多、實時性要求較高的應用環境。在資金允許的情況下之優組網方式。

　　2）ADSL撥號連接(動態公網IP地址)

　　中心采用ADSL等INNET公網連接，采用公網動態IP+DNS解析服務的。客戶先與DNS服務商開通動態域名，IP MODEM先采用域名尋址方式連接DNS服務器，再由DNS服務器找到中心公網動態IP，建立連接。此種方式可以大大節約公網固定IP的費用，但穩定性受制于DNS服務器的穩定，所以要尋找可靠的DNS服務商。此種方案適合小規模應用。

　　3）通過固定公網IP連接

　　中心采用ADSL等INNET公網連接，采用公網固定IP服務的。此種方案先向INT ERNET運營商申請ADSL等寬帶業務，中心有公網固定IP的。IP MODEM直接向中心發起連接。運行可靠穩定，推薦此種方案。

3、數據中心軟件平臺構建

　　中心端軟件的構建有多種方式，對于傳入數據的方式的不同，我們提供不同的軟件來幫助客戶快速地實現中心端的數據接收和現場設備的管理。

　　目前四信提供三種方式的中心接口：

　　1）首先是對于組態軟件，目前很多組態軟件廠家已經集成了我們的驅動了，可以直接配置使用;

　　2）對于后臺中心軟件只讀串口數據的情況，提供一個虛擬串口軟(TCP2COM)，利用虛擬串口軟件可以將以太網數據轉化為串口數據，從而實現利用無線公網傳輸數據且又對現有系統不做修改的結合。

　　3）在客戶想要開發自己的數據中心是，此時我公司會提供一個動態鏈接庫，利用動態鏈接庫客戶可以很輕松的與傳輸通道進行對接，同時會提供一個的數據中心DEMO軟件，不僅開放源碼還全程協助客戶進行自己數據中心軟件和功能的開發。客戶可能通過動態鏈接庫快速開發一個靈活的，穩定的，功能齊全的終端管理和數據交互的中心軟件。

后臺中心管理軟件

六、方案特點

　　1、大棚基地基本位于偏遠地區，因此采用覆蓋廣泛的GPRS網絡，而且F2103的高信號捕捉，必要是采用高增益天線，可確保網絡的正常運行。

　　2、一般大棚種植者卻是專業的網絡管理員，如果監控網絡出現問題則會帶來許多不便，四信IP MODEM采用高性能工業級處理器以及看門狗等安全機制設計，保證IP MODEM 萬一通信中斷也會自行檢測然后自動斷電重啟，保證IP MODEM 永遠在線，通信鏈路永遠正常。

　　3、IP MODEM 采用標準的工業串口通信，即插即用，且高規格的模具設計，體積小巧方便維護，工程人員無需太多專業知識，在短時間內即可是系統運行。

　　4、在國家大力推行三農政策的環境下，市場對大棚種植的需求迅猛增長，且規模也在不斷的擴大，采用F2103GPRS或者APN組網可靈活解決項目點不斷增加的需求，可隨時對現有的系統新增監控點而且對現有系統部產生任何影響。

　　5、多中心設計，可同時設置5個中心監控采集現場，避免因某個中心網絡不穩定或者關閉導致無法對礦井現場進行監控而產生安全隱患。

　　6、如果大棚監測參數需要臨時修改的話，如果每次都要去現場那是一件非常費時費力的事情，在此F2103進行人性化工程設計，可是工程人員無需到現場就可以遠程直接對網絡參數進行相應的配置，達到時間和人力的合理利用。

　　7、四信F2103采用高規格材料選配，可在 -25~+65oC、 相對濕度 95%(無凝結)環境下正常工作。

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