基本信息
- 项目名称：
- 基于物联网技术的设施农业环境无线监控系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 作品在“感知中国”背景下，针对设施农业人工小气候管理需求，研制了基于物联网的通用无线监控系统，包括监控节点、嵌入式网关、通讯服务器、信息服务网站，制定了标准交互协议。作品可根据应用需求实现不同环境因子感知和控制，采用多种无线技术，支持单基地与多基地应用模式，具有图形化农业常用信息统计，积温、气温日较差等农情参数分析，灾害小气候实时短信报警功能。已应用于阎良甜瓜示范基地和杨凌苹果示范基地，效果良好。
- 详细介绍：
- 我国的设施农业面积居世界之首（约占世界90%），已成为推进农业产业结构调整，农业节本增效、可持续发展，农民增收的朝阳产业，根据规划，到2030年将发展到4500万亩。设施农业通过建造塑料大棚、日光温室、连栋温室等半封闭生产场地，人工改变作物生长的小气候环境，从而达到高产的目，属于资金、技术、劳动力密集型生产方式。每个设施内部的小气候独立监测和及时调控是影响设施农业单位面积产出的关键。然而我国目前设施农业主要依赖农民自身经验和现场人工操作，缺乏精准、灵活的环境信息获取和控制手段，致使生产技术落后、劳动力投入多、效益波动大，难以满足设施农业生产标准化、规模化、精准化需求，大大制约了我国设施农业的持续稳定发展。 现有的便携式检测设备、小型气象站、温室监控系统等，从不同方面提供了解决方案，但仍存在一些不足，集中体现在：（1）大部分设备难以实现多点、在线、实时监测和管理；（2）已有在线监测系统大都采用有线监控方式，系统部署和维护困难；（3）针对特定应用背景，结构固定，监测环境因子类型也固定，无法满足多变的需求；（4）将监测与控制分离，多采用专用的控制设备（如控制柜）实现总线方式的设备控制，成本高。 物联网技术作为近年来兴起的由多学科高度交叉的研究热点领域，其目标是将任何物品与互联网连接起来，进行信息交换，实现智能化监控和管理，分为感知层、网络层和应用层。本作品紧扣我国设施农业现状，提出了基于物联网技术体系的农业环境无线监控系统，以解决上述设施农业问题和现有同类产品的不足。本作品中，由多个无线传感器监测节点完成设施环境感知与控制，基于无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）、GPRS、GSM等实现无线传输，并为农业应用提供基于Internet的图形化环境信息统计、对比分析、设备控制决策，以及积温、气温日较差等农情参数分析。 【作品功能设计】 本作品由底层电子设备到上层农业领域应用，分为监控节点、网关、通讯服务器、信息服务网站等四种不同层次的设备或软件。 1. 监控节点 本作品完成了节点硬件原理设计、PCB制版、焊接、外盒制作、ZigBee协议移植与监控处理软件开发。设计中采用TI公司的CC2430芯片为核心，搭载ZigBee 2006协议栈，实现自组网和数据传输和设备控制，包括ZigBee无线收发模块、数据监测模块、强电控制模块、液晶显示模块等部分。 （1）ZigBee无线收发模块：CC2430是用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统，采用了增强型工业标准8051MCU，具有较高的性能，集成了2.4GHz IEEE802.15.4的RF收发器。 （2）数据监测模块：通过传感器对环境因子（如土壤温度、土壤湿度、空气CO2等）进行实时监测，将监测的数据通过ZigBee无线发送模块传送给网关，为网关对下层监控节点自动控制提供数据依据。 （3）强电控制模块：主要由光耦和电压隔离器件组成，监控节点收到控制信号后驱动光耦导通或关闭完成控制继电器的通断，进而实现对各类设备的控制。 （4）液晶显示模块：由ocm12864-9及其外围电路组成，液晶模块显示当前监测节点所采集的环境因子数据，方便用户现场观察。 监控节点采用了可插拔的航空接口实现各类传感器和设备接入，可方便更换传感器和设备。由于采用了统一接口设计，接入不同类型传感器时，只需修改软件，即可实现监测类型更改和监测节点复用。 2. 网关 网关完成各类信息中转，同时具有生产基地属性、控制设备、环境数据管理功能，因此需要设计友好的用户管理界面。与同类型系统中网关采用Linux操作系统不同，本作品采用类Windows界面的Wince作为操作系统，设计实现了用户交互性良好的各项功能。网关软硬件设计如下： （1）采用Samsung公司基于ARM920T内核的处理器S3C2410，其运行在203MHz，存储器系统包括2片Samsung公司生产的 K4S561632D-TC/L75（Samsung 2002）构成的SDRAM，以及NOR Flash存储器，满足本系统在存取速度和容量上的要求。硬件设计时，采用触摸屏方便基地管理员操作，集成Siemens MC39i GSM/GPRS通信模块，形成与上层应用的无线通讯通道，通过串口连接ZigBee根节点，完成与底层ZigBee网络的信息交互。 （2）作品采用Platform Builder定制的WinCE 5.0系统作为网关软件开发和应用平台，基于可视化集成开发环境EVC(Embedded Visual C++)编程开发，集成开源的Sqlite内存数据库，完成数据的存储与访问，采用TCP/IP编程完成与服务器的通信，利用MCi39提供的AT指令，发送 PDU模式的GSM短信实现预警功能。 （3）开发了多种基地管理功能，包括管理各种农业环境数据、节点属性数据、生产基地属性数据等，支持设备的实时控制、数据修正和实时超限短信报警。 3. 通讯服务器 通讯服务器运行在具有独立可访问IP的服务器上，是网关与上层信息服务网站实现数据流动的枢纽，负责将网关上传的环境因子数据、监控节点属性数据等存入海量数据库，并将网站生成的控制命令下传至网关节点。通讯服务器的设计如下： （1）采用JAVA语言，基于Socket网络通信模型、线程池技术，实现与多个网关的并发连接和信息交互。多线程的使用提高了系统并发性，并在特定网关连接异常时不会影响其它连接，提高了系统的稳定性。 （2）采用MS SQL SERVER 2000数据库作为存储中心，开发过程采用了JAVA的JDBC技术进行数据库交互，使用了数据库连接池等技术显著提高了数据库访问的执行效率。 （3）采用Apache的Log4j做为日志记录工具，将服务器的运行状态的信息及数据处理过程的信息记录在配置文件中，方便日后查看，同时也有助于在出现错误时，方便进行错误查找及纠正。 通讯服务器具有移植性强、执行效率高、小巧方便等特点。 4. 信息服务网站 网站提供用户Internet远程访问功能，用户可随时随地登陆网站，查看各个基地的实时与历史监测数据、汇总统计、图形数据分析等功能。网站同时提供远程设备控制功能，使基地管理员通过网站对设备进行远程控制。 （1）网站采用Microsoft ASP.NET技术开发，实现了B/S结构的服务系统。采用LINQ技术进行数据库相关操作，减少了代码编写过程中容易出现的各种错误。 （2）利用MVC设计模式降低系统的偶合性，按照模型、视图、控制器的模型开发系统，将各种文件资源合理的组全在一起，具有良好稳定性及可扩展性。 （3）开发了实时监测、历史数据统计、趋势对比分析、短信预警管理、设备控制等功能。 （4）采用树状层次化多基地信息管理模式，设计实现了基于角色的用户权限管理，以及基于用户权限的基地数据与设备安全管理。 【作品主要工作过程】 以下阐述作品四个部分的工作过程与交互关系，以及所遵循的标准交互协议。 1. 监控节点工作过程 在监测区域内部署若干监控节点，根据应用需求外接不同的环境因子传感器或者控制设备，基于ZigBee协议实现节点的自动组网和信息交互。监控节点启动后周期性采集各类环境数据，一方面通过液晶屏显示，以实现现场监测，另一方面通过ZigBee协议维护的无线网络路径实现与嵌入式网关设备的信息上行汇聚与控制指令下行分发。 2. 网关工作过程 网关采用Wince操作系统完成整个设施生产基地的可视化信息管理、传感器数据修正和短信预警。网关一方面通过串口与ZigBee根节点交互，接收各区域无线监控节点上传的环境数据，并下行设备控制命令，另一方面通过GPRS网络实现与通讯服务器的数据上传与指令下行。 3. 通讯服务器工作过程 通讯服务器可并发建立与多个网关的连接，实现双向信息交互，处理后的信息保存到数据库中长期存储。同时也可以响应网关的时钟同步、属性表上传等命令请求。 4. 信息服务网站工作过程 从数据库中读取信息，提供数据分析、汇总统计、农情分析、灾害预报等农业应用功能。提供基于Internet的用户远程登陆访问，通过不同用户角色和权限保障数据和生产安全。 5. 标准交互协议 系统制定了标准交互协议，约定两两间通信的数据包格式、通信类型，以及统一的环境因子与控制设备的编码方式，实现了透明传输，提高了传输的可靠性，为系统的通用性奠定了基础。 如监控节点XNT0001要向网关上传一条空气温度为20℃的数据包，则它需要按照协议规定，将数据封装成这样一条数据包‘1001#XNT0001#ATP20*’，其中‘1001’代表通信类型为上传环境因子数据，‘XNT00001’即为此监控节点的标识，‘ATP’为代表空气温度，‘20’即为其数值，‘*’代表此条数据包结束。网关收到数据后，在依照此格式将数据解析，完成后续处理。 【作品创新点】 1. 完全采用无线通信方式。监控节点遵循ZigBee协议，实现自组网，避免了有线方式布线困难等不足；网关通过GRPS实现与上层的通信，GPRS覆盖范围广，使得本系统可应用到偏远的设施生产基地。 2. 通用性软、硬件设计，支持快速定制不同监控系统。监控节点可根据领域应用需求，插接不同的传感器和控制设备，通过修改节点软件实现监控节点复用，且各系统部分遵循了标准交互协议，通过网关与通信服务器配置即可实现制定监控系统的快速部署。 3. 层次化系统结构，支持多种应用模式。根据应用特征与监测规模，可分别采用基地自治模式（由监控节点和网关两层组成，由网关独立完成设施生产基地的基本管理）、单基地模式（四层结构，将一个基地的数据上传到本地通讯服务器，通过网站完成生产基地的多用户管理）和多基地模式（四层结构，多个基地的数据可同时汇集到一台通讯服务器上，通过网站集中管理），分别满足规模小、中、大的应用需求。 4. 分布式无线设备控制与远程短信报警相结合的管理机制。与集中控制柜的管理模式相比，采用多个分散的监控节点外接控制设备，实现了基于无线传输的分布式设备控制，具有部署灵活、管理便捷、设备可动态调整的优点，当环境信息超过预设阈值时，将向指定用户发送远程报警短信，以减少设施小气候异常带来的减产减收。 【成果】 本作品目前已实现空气温湿度、土壤温湿度、CO2浓度、光照强度、降雨量、风速、风向等9类环境因子的监测。并已在阎良甜瓜示范基地和杨凌苹果示范基地运行，完成应用需求具有差异性的两个农业生产基地环境数据的监测和日常管理。截止目前，系统运行状态良好。 本作品在西北农林科技大学第五届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛中，获科技发明制作类特等奖。 在本作品的自主研发过程中，我们取得了软件著作权3项 《农业环境信息智能监控系统基地管理软件V1.0》（授权号:2011SR003745） 《农业环境监控通讯服务器软件V1.0》 （授权号:2011SR026433） 《温室大棚群环境精确监测与预警系统V1.0》 （授权号:2011SR026431） 实用新型专利1项 《基于无线传感器网络的温室监测系统》 （受理号: 201120083986.5） 学术论文2篇 《温室大棚CO2浓度精准调控系统设计与实现》 （农机化研究 已录用） 《农业环境信息监控系统可配置网关设计与实现》（农业工程学报 已投）
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 【目的】 针对我国设施农业存在的问题和同类产品的不足，旨在提供一套通用设施环境信息监控和管理平台，用物联网技术提升设施农业精准管理水平。 【基本思路】 研制具有自主知识产权的无线监控节点、嵌入式网关设备，完成环境感知与控制功能；开发通讯服务器和信息服务网站软件，提供监测数据长期存储、灾害报警、数据汇总和农情分析功能；通过系统内部标准交互协议与软硬件通用性设计，使系统适应不同监控应用需求。 【创新点】 1.完全采用无线通信方式。由无线传感器网络完成环境感知和设备控制，利用GPRS实现上层信息交互。2.通用性软、硬件设计，支持快速定制不同监控系统。可根据领域应用需求，插接不同传感器和控制设备，通过配置快速部署监控系统。3.层次化系统结构，支持多种应用模式。分为基地自治、单基地、多基地等模式，适合不同规模的监控应用。4.分布式无线设备控制与远程短信报警相结合的管理机制。 【技术关键】 1.无线监控节点中接口通用性设计，基于ZigBee协议的自组网和数据交互技术。2.嵌入式网关设备中Wince系统移植、基于EVC的功能开发、Sqlite数据库并发访问。3.信息服务网站中基于用户权限的安全管理与农情分析。4.系统内部标准交互协议制定与实现。 【主要技术指标】 1.监测空气温湿度、土壤温湿度、CO2浓度、光强、降雨量、风速、风向等9类因子。2.采用2.4GHz无线通信，无阻隔条件下节点间无线传输距离为100米。3.支持分布式设备控制。4.快速定制与部署不同监控应用。
科学性、先进性
- 【科学性】 1.在研究方法上，本作品采用“调查分析、集成开发、示范验证、完善优化”的思路。 2.在技术路线上，本作品采用了物联网技术，一方面与信息技术发展趋势相适应，满足感知农业的国家战略需求；另一方面设施农业的小气候调控直接关系到农业单位产出，国外采用数字化精准监控的设施与国内同类设施的产出比高达7：1，本作品实现了设施农业小气候密集精准监控，同时具有部署灵活、易于使用的特点。 【先进性】 本作品紧扣促进设施农业发展主题，立足现状，跟踪前沿，集成创新。与同类产品相比，具有以下先进性： 1. ZigBee和GPRS技术相结合。ZigBee实现基地内的无线通信，GPRS实现基地与服务器的无线通信，使得本作品能突破地域限制，适用范围广。 2. 作品作为具有通用性的无线监控方案，实现空气温湿度等9类因子监测，并通过插接其它传感器和软件改写，可支持多种领域的感知与控制。 3. 监测数据海量存储，便于领域专家研究分析。 4. 支持数据汇总统计，以及积温、气温日较差等农情参数的分析。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品获西北农林科技大学第五届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛科技发明制作类特等奖。
作品所处阶段
- 中试阶段 作品已在阎良甜瓜示范基地和杨凌苹果示范基地实验运行。
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、现场演示、图片、PPT、视频
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 【使用说明】 详见附件《作品使用说明书》 【技术特点和优势】 1. 基地监控节点数量理论可达65000个之多，加之系统支持多个基地数据的集中处理，本作品能胜任各种监控规模的应用。 2. 目前GPRS覆盖范围在中心城市几乎达100%，在边远地区达80%以上，为本作品在设施农业能大面积推广的提供有力保障。 3. 基于物联网技术体系，保证了本作品技术上的可靠性和先进性。 4. 基于Wince的网关程序和ASP.NET技术的信息服务网站，为用户提供了友好的操作体验，易上手使用和维护。 【适用范围】 本作品可应用于各种类型和规模的设施农业监控，如连栋温室、日光温室等设施园艺，水产养殖、畜牧养殖等设施养殖。通过更换上层领域处理功能，可扩展到工业监控等领域。 【推广前景】 我国设施农业面积约占世界的90%，且正迅猛发展，目前缺乏有效的监控系统。本作品可提高设施农业生产效率、降低劳动力投入，减少灾害损失，并具有易部署、易维护、低成本、通用性强等优点，从而具有广阔的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 1999年物联网概念首次提出，它是通过各种信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。2009年8月7日，温家宝总理在无锡提出“感知中国”，随后的2010年至2011年，物联网连续两年被写入政府工作报告。在各个研究院所和高校的带动下，物联网技术得到了广泛的关注和研究。目前在工业控制和电子商务等领域已经有较快的发展，而在农业领域因其行业特点和经济条件限制正处于起步阶段，这些应用包括农业环境监测、温室控制、节水灌溉、气象监测、产品安全与溯源、设备智能诊断管理等方面。 无线传感器网络（WSN ）是物联网在农业监测方面的典型技术，是信息科学领域中一个全新的发展方向，具有组网灵活、部署方便、环境无害、支持多种信息上行采集和下行指令控制等优点，相比于传统的有线监控方式，更适合农业用户生产需求。 2002年，英特尔公司率先在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园，这是一个典型的设施农业智能精确耕种的实例。其后无线传感网络技术在农业领域的研究陆续开展，提出了各种面向应用的监控系统实现方案和理论研究成果，为农业数字化、精准化提供了前期探讨。北京市科委计划项目“蔬菜生产智能网络传感器体系研究与应用”正式把农用无传感器网络示范应用于温室蔬菜生产中。在温室环境里单个温室即可成为无线传感器网络的一个测量控制区，采用不同的传感器节点构成无线网络来测量土壤湿度、土壤成分、pH值等，根据参数来调整周围环境时期农作物尽量处于最佳的生长条件，为温室精准调控提供科学依据。另外，杭州齐格科技有限公司与浙江农科院合作研发了远程农作管理决策服务平台，该平台利用了无线传感器技术实现对农田温室大棚温度、湿度、露点、光照等环境信息的监测。 虽然以上研究取得了一定成果，但仍然着重技术本身的研究与原型构建，很少针对我国农业生产特点开展适应性研究与开发，并未能开发与之适应的农业信息处理、农情参数分析等领域功能，难以应用于实际生产管理。本项目研究成果具有通用性、低成本、易推广等特点，并针对设施农业小气候监控需求，提出实时控制与远程短信报警相结合的机制，对农业生产具有实际应用价值。
