智慧农业:监控系统解决方案
核心提示：智慧农业监控系统将物联网设备布设于农田、园林、温室等目标区域，网络节点大量实时地采集温度、湿度、光照、气体浓度等环境信息，精准地获取土壤水分、压实程度、电导率、pH值、氮素等土壤信息，这些信息在数据汇聚节点汇集，为精确调控提供了可靠依据。
智能农业监控系统
一、智能农业概述
1.1、智能农业
智能农业无线监控系统是一种结合了计算机自控技术、智能传感技术等高科技手段的资源节约型高效设施农业技术，它主要是根据环境的温度、湿度、二氧化碳含量、光合有效辐射以及土壤状况等因素，来控制温室内的各项指标，以创造出适合作物生长的最佳环境。很显然如何能够准确、稳定、方便的得到这些环境信息就成为整套系统的关键。随着近几年短距离无线通信的发展，新兴的无线传感网技术为智能农业系统中的传感环节提供了有力的技术保障。
使用现在新兴的无线传输技术和高精度的传感器，根据农业生产劳作的特点，本着定位、定时、定量的原则实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统，其基本涵义是根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。
1.2、监控系统
智慧农业监控系统将物联网设备布设于农田、园林、温室等目标区域，网络节点大量实时地采集温度、湿度、光照、气体浓度等环境信息，精准地获取土壤水分、压实程度、电导率、pH值、氮素等土壤信息，这些信息在数据汇聚节点汇集，为精确调控提供了可靠依据。中心软件对汇集的数据进行分析，帮助生产者有针对地投放农业生产资料，智能地控制温度、光照、换气等动作，从而更好地实现耕地资源的合理高效利用和农业的现代化精准管理，推进我国耕地资源的高效管理和利用、农田管理水平和农业生产效能的提升。
二、智能农业监控系统详细设计
智能监控系统由无线数据采集传感器、开关控制器、数据网关、电脑和网络服务器组成，结构如下图。网关与采集器和控制器采用Zigbee传感网技术进行无线连接，每个网关下面可同时连接上百个终端设备，且所有终端自动组网，同步工作。网关与PC或网络服务器则通过以太网或移动通讯网络连接。
网关在系统中处于核心地位，所有传感器采集的数据都要汇集到监控中心，所有对终端的控制指令也都要通过监控中心向下发送。监控内置了强大的操作系统，可对网络和数据进行维护和储存。电脑通过网线或局域网直接登陆网关后，可进行系统设置、采集网络管理、查看数据、绘制图表、导出数据等操作。监控中心同时具备网络服务器功能，支持多用户同时登陆网络服务器对监控数据进行查看。
网关在系统中处于核心地位，所有传感器采集的数据都要汇集到监控中心，所有对终端的控制指令也都要通过监控中心向下发送。监控内置了强大的操作系统，可对网络和数据进行维护和储存。电脑通过网线或局域网直接登陆网关后，可进行系统设置、采集网络管理、查看数据、绘制图表、导出数据等操作。监控中心同时具备网络服务器功能，支持多用户同时登陆网络服务器对监控数据进行查看。
2.1系统功能描述
无线数据网关和网络服务器都提供了功能强大，且界面友好的软件。用户根据不同操作权限登陆网关或网络服务器后，可进行系统设置、采集网络管理、查看数据、绘制图表、导出数据等操作。
1） 系统监控
所有用户登陆后都可对传感网内所有在网传感器的实时数据进行查看，并支持分类查看和检索的功能，针对选定的节点，系统可绘制曲线，方便用户研究数据短期趋势变化。
在查看历史数据方面软件也提供了很好的筛选功能，方便用户准确的掌握传感器数值变化，并可以用绘制曲线的方式进行趋势的研究。
2） 设备管理
在此界面下用户可对无线传感网内的所有节点的认证、组网、拓扑结构和个性化信息进行管理。此部分是网关的核心，也是整套无线监控系统的核心，只有所有的无线采集器和控制器正常的组网后，数据上传和控制操作才能实现。
3） 报警管理
在报警管理模块中，用户可以单独对某个采集器或批量对同类型的采集器进行报警的设置，内容包括数值上下限、是否开启报警功能、发送报警短信的手机号码以及报警的电子邮件地址。当有传感器超过预设的限定值时，在监控界面上会以红色对该节点进行标示，同时按照预设的报警方式进行报警。软件会对所有的报警进行记录，方便用户查看。
4） 数据维护
软件提供数据维护的功能，其中包括所有传感器数据的导出备份，网关设置的导入导出，网络配置的导入导出等等。
5） 控制管理
软件支持手动和自动两种方式对开关控制器进行控制。手动模式下，用户可通过界面上的按钮对如卷膜机、卷帘机、风机等设备进行开关控制。在自动模式下，系统将按照用户预先设定的策略对所有的设备进行控制。用户可以根据需求自己定义组合条件的控制策略。
6） 系统设置
在系统设置模块中，用户可对网关工作模式进行设定，决定网关是否要与公网服务器进行通讯和数据上传。另外用户可在此模块中，对诸如网关的局域网IP地址、动态域名解析、GPRS等与网络连接有关的参数进行配置。
2.2系统组成
用户监控中心
通过计算机对农业环境的温度、湿度、光照、气体、土壤温湿度进行实时监测、图像视频监控、曲线显示、数据保存、数据处理等管理功能，同时根据监测的信息对环境进行控制，使植物生长在合适的环境中。系统具有多种界面显示、数据存储、数据打印、数据查询与统计、超限报警、用户管理等功能。系统支持数据库持久化存储及 Excel 格式数据导出。采用 mysql 开源数据库存储，支持报表打印、历史曲线打印及在 Excel 里打印。通过输入查询时间，即可查询所需被测点对应时间内的数据记录和曲线记录。可统计某个时段内的温湿度平均值。当监测数值达到报警条件时，以改变相应数据颜色方式发出警报；
土壤温度传感器（可选配）
原理：
PT1000是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变，当PT1000在0℃的时候阻值为1000欧姆，它的阻值会随着温度上升成匀速增长。基于PT1000的这种特性，利用进口芯片设计电路把电阻信号转换为采集仪器常用的电压或电流信号。
产品简介
高精度的土壤温度测量
体积小巧，埋设过程对土壤扰动小，性能可靠
IP68防护等级设计
传感器结实、耐腐蚀
响应速度快，<1秒
可选用电压或电流输出，电流输出在长缆线传输的时候
没有信号衰减
技术规格：
量 程：-40℃～120℃
误 差：±0.2℃
工作电压：12V～24V
输出信号：0～2V 或4～20mA
长 度：2米
最远引线长度：800米
响应时间：< 1 秒
稳定时间：1秒
电路密封：防水塑料壳子+环氧树脂
用途：
广泛应用于农业、林业、温室大棚培育、水文等地质等方面土壤温度的测量及研究。
全套产品附件：土壤温度传感器、产品使用说明书
土壤水分传感器（可选配）
原理：
传感器发射一定频率的电磁波，电磁波沿探针传输，到达底部后返回，检测探头输出的电压，由于土壤介电常数的变化通常取决于土壤的含水量，由输出电压和水分的关系则可计算出土壤的含水量。
产品简介
高精度的土壤湿度测量
体积小巧，埋设过程对土壤扰动小，性能可靠
IP68防护等级设计
传感器结实、抗压、耐腐蚀
响应速度快，<1秒
可选用电压或电流输出，电流输出在长缆线传输的时候没有信号衰减
技术规格：
测量参数：土壤容积含水率
量 程：0～100%(m3/m3)
探针长度：55mm
探针直径：3mm
探针材料：不锈钢
密封材料：环氧树脂
测量精度：±3%
工作电压：4～12V（电压型）
12～24V（电流型）
输出信号：0～2V （电压型）
4～20mA（电流型）
电缆长度：1.5米
用途：
广泛应用于农业、林业、温室大棚培育、水文等地质等方面土壤湿度的测量及研究。
全套产品附件：土壤湿度传感器、产品使用说明书
光照传感器（可选配）
原理：
采用先进光电转换模块，将光照强度值转化为电压值，再经调理电路将此电压值转换为0～2V或4～20mA
产品简介
高精度的光照强度测量
体积小巧，
IP65防护等级设计
传感器结实、耐腐蚀
响应速度快，<1秒
可选用电压或电流输出，电流输出在长缆线传输的时候没有信号衰减
采用真实太阳光标定，使光源影响最小
技术规格：
量 程：0～200000Lux
光谱范围：400～700（nm）可见光
误 差：±5%
工作电压：DC5～24V（电压型）
DC12～24V（电流型）
输出信号：0～2V、 0～5V、0～10V、0～20mA 、4～20mA
工作温湿度:-20℃～60℃、0～70%RH
储存温湿度:-30℃～80℃、0～80%RH
大气压力:80～110KPa
长 度：3米
最远引线长度：800米(电流型)
响应时间：< 1 秒
稳定时间：1秒
电路密封：防水塑料壳子
用途：
广泛应用于农业、林业、温室大棚培育、养殖、建筑的光照测量及研究。
全套产品附件：
光照传感器、产品使用说明书
环境温湿度传感器（可选配）
原理：
采用原装进口瑞士主芯片采集温湿度值，经先进调理电路转化为0～2V或0～20mA输出
产品简介
高精度的环境温湿度测量
IP65防护等级设计
响应速度快，<1秒
可选用电压或电流输出，电流输出在长缆线传输的时候没有
信号衰减
采用原装进口瑞士传感器主芯片
技术规格：
量 程：温度：-30℃～70℃
湿度：0～100%RH
误 差：温度：±0.3℃
湿度：±3%RH
工作电压：DC5～24V（电压型）
DC12～24V（电流型）
输出信号：0～2V 或0～20mA
线缆长度：3米
最远引线长度：800米(电流型)
响应时间：< 1 秒
稳定时间：1秒
电路密封：防水塑料壳子+环氧树脂
用途：
广泛应用于农业、林业、温室大棚培育、仓储、运输、医药等方面环境温度、湿度的测量及研究。
全套产品附件：
环境温湿度传感器、产品使用说明书
环境温湿度传感器（可选配）
原理：
采用原装进口瑞士主芯片采集温湿度值，经先进调理电路转化为0～2V或0～20mA输出
产品简介
高精度的环境温湿度测量
IP65防护等级设计
响应速度快，<1秒
可选用电压或电流输出，电流输出在长缆线传输的时候没有
信号衰减
采用原装进口瑞士传感器主芯片
技术规格：
量 程：温度：-30℃～70℃
湿度：0～100%RH
误 差：温度：±0.3℃
湿度：±3%RH
工作电压：DC5～24V（电压型）
DC12～24V（电流型）
输出信号：0～2V 或0～20mA
线缆长度：3米
最远引线长度：800米(电流型)
响应时间：< 1 秒
稳定时间：1秒
电路密封：防水塑料壳子+环氧树脂
用途：
广泛应用于农业、林业、温室大棚培育、仓储、运输、医药等方面环境温度、湿度的测量及研究。
Zigbee自组网技术
ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10~75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：
1）低功耗:由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电 池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。
2）成本低：ZigBee协议是免专利费的，因此其产品成本比其他通信技术都要低。
3）时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。
4）网络容量大： 一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备， 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络,而且网络组成灵活。
5）可靠:采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式， 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。
6）安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证， 采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。
GPRS无线通信技术
GPRS(GeneralPacket Radio Service)是“通用分组无线服务”的英文简称，是中国移动开辟的无线移动服务业务。在许多方面具有明显的优势：
1）网络覆盖面广、接入范围大，系统构建便捷、运行成本较低等特点。
2）传输速率较高，理论数据传输速率可高达171Ｋbps。
3）登录和接入等待时间短，可快速建立连接。
4）提供实时在线功能，用户将处于“永远在线”状态，这将使访问服务变得非常简单、快速，几乎不会出现“掉线”或信息丢失现象。
5）计费合理，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，即使用户可以一直在线，但只按数据流量收取费用。
GPRS上述优势特点非常适用于间歇的、突发的、频繁的、小流量的数据传输，同时对偶有大流量数据传输也能承受。
三、系统优势分析
1、建立无线网络监测平台，对农产品的生长过程进行全面监管和精准调控。
在监控系统中，物联网系统的温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光传感器、离子传感器、生物传感器、CO2传感器等设备，检测环境中的温度、相对湿度、PH值、光照强度、土壤养分、CO2浓度等物理量参数，通过各种仪器仪表实时显示或作为自动控制的参变量参与到自动控制中，保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。远程控制的实现使技术人员在办公室就能对多个大棚的环境进行监测控制。采用无线网络来测量来获得作物生长的最佳条件，可以为温室精准调控提供科学依据，达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。
2 开发基于物联网感应的农业灌溉控制系统，达到节水、节能、高效的目的
利用传感器感应土壤的水分并控制灌溉系统以实现自动节水节能，可以构建高效、低能耗、低投入、多功能的农业节水灌溉平台。
农业灌溉是我国的用水大户，其用水量约占总用水量的70％。据统计，因干旱我国粮食每年平均受灾面积达两千万公顷，损失粮食占全国因灾减产粮食的 50％。长期以来，由于技术、管理水平落后，导致灌溉用水浪费十分严重，农业灌溉用水的利用率仅40％。如果根据监测土壤墒情信息，实时控制灌溉时机和水量，可以有效提高用水效率。而人工定时测量墒情，不但耗费大量人力，而且做不到实时监控；采用有线测控系统，则需要较高的布线成本，不便于扩展，而且给农田耕作带来不便。
因此，设计一种基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统，该系统主要由低功耗无线传感网络节点通过ZigBee自组网方式构成，从而避免了布线的不便、灵活性较差的缺点，实现土壤墒情的连续在线监测，农田节水灌溉的自动化控制，既提高灌溉用水利用率，缓解我国水资源日趋紧张的矛盾，也为作物生长提供良好的生长环境。
因此，设计一种基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统，该系统主要由低功耗无线传感网络节点通过ZigBee自组网方式构成，从而避免了布线的不便、灵活性较差的缺点，实现土壤墒情的连续在线监测，农田节水灌溉的自动化控制，既提高灌溉用水利用率，缓解我国水资源日趋紧张的矛盾，也为作物生长提供良好的生长环境。
3 构建智能农业信息系统，实现农业从生产到质检和运输的标准化和网络化管理。
智能农业监控信息系统主要研究温度、化学等多种传感器对农产品的生长过程全程监控和数据化管理；结合RFID电子标签在培育、生产、质检、运输等过程中，进行可识别的实时数据存储和管理。本系统致力于构建基于物联网的专用农业评估信息系统以实现数据的存储和管理，实现农业生产的标准化、网络化、数字化。
四、监控系统应用
基于物联网的智能监测系统可应用于葡萄园、大棚、养殖场等场所，布设在养殖场或大棚中的无线传感器节点实时采集农作物生长所需的空气温度，空气湿度，土壤温度，土壤湿度，光照强度，二氧化碳浓度等参数，并通过一种低功耗自组网的短程无线通讯技术实现传感器数据的传输，所有数据汇集到中心节点，通过一个无线网关与互联网相连，利用手机或远程计算机可以实时掌握农作物现场的环境状态信息，专家系统根据环境参数诊断农作物的生长状况与病虫害状况。同时在环境参数超标的情况下，系统可以远程对遮阳帘、风机、灌溉装置等进行控制，实现农业生产的智能化管理。 本系统可以实现所有农作物的监控联网，农作物研究人员或农户可以根据环境状况制定合理的生产管理方案，提高农作物的产量与质量，走品牌化的发展道路，提高农作物的竞争力与生产效益。
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