基于ZigBee技術的現代農業大棚

一概述

“物聯網”被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮。業內專家認為，物聯網一方面可以提高經濟效益，大大節約成本；另一方面可以為全球經濟的復蘇提供技術動力。目前，美國、歐盟、中國等都在投入巨資深入研究探索物聯網。我國也正在高度重視物聯網的研究，工業和信息化部會同有關部門，在新一代信息技術方面正在開展研究，以形成支持新一代信息技術發展的政策措施。

智能控制是為了達到節能、舒適、便利的目的，要求對市政、家庭、農業等的智能控制和監視制定細致的策略和方案。但是，傳統的智能控制系統由于很多因素的制約，很難達到要求。為了解決這些問題，業界嘗試了很多辦法，但基本上都屬于封閉式的，多采用私有協議，彼此間難以互通，導致結構不透明，靈活性、擴充性不佳。從長遠看，智能控制系統的發展趨勢是走向開放，尤其是智能控制與互聯網的融合是其中一個重要發展趨勢。

智能農業控制通過實時采集農業大棚內溫度、濕度信號以及光照、土壤溫度、土壤水分等環境參數，自動開啟或者關閉指定設備。可以根據用戶需求，隨時進行處理，為農業生態信息自動監測、對設施進行自動控制和智能化管理提供科學依據。

大棚監控及智能控制解決方案是通過光照、溫度、濕度等無線傳感器，對農作物溫室內的溫度，濕度信號以及光照、土壤溫度、土壤含水量、CO濃度等環境參數進行實時采集，自動開啟或者關閉指定設備(如遠程控制澆灌、開關卷簾等)。

二項目需求

在每個智能農業大棚內部署空氣溫濕度傳感器2只，用來監測大棚內空氣溫度、空氣濕度參數；每個農業大棚內部署土壤溫度傳感器2只、土壤濕度傳感器2只、光照度傳感器2只，用來監測大棚內土壤溫度、土壤水分、光照度等參數。所有傳感器一律采用直流24V電源供電，大棚內僅需提供交流220V市電即可。

每個農業大棚園區部署1套采集傳輸設備（包含中心節點、無線3G路由器、無線3G網卡等），用來傳輸園區內各農業大棚的傳感器數據、設備控制指令數據等到internet上與平臺服務器交互。

在每個需要智能控制功能的大棚內安裝智能控制設備1套（包含一體化控制器、擴展控制配電箱、電磁閥、電源轉換適配設備等），用來傳遞控制指令、響應控制執行設備。實現對大棚內的電動卷簾、智能噴水、智能通風等行為的實現。

三系統架構設計

(1) 總體架構

系統的總體架構分為傳感信息采集、視頻監控、智能分析和遠程控制四部分。

(2) 系統中包括兩個部分：

■ Zigbee中心節點 ；

■ 邊緣網關；（比如以太網，GPRS模塊，兩著結合起來可以實現數據的遠距離傳輸。）

(3) 傳感信息采集：

數據采集系統，主要負責溫室內部光照、溫度、濕度和土壤含水量以及視頻等數據的采集和控制。數據傳感器的上傳采用ZigBee和Rs485兩種模式。

在Zigbee傳輸模式中，傳感器數據通過Zigbee發送模塊傳送到Zigbee中心節點上，用戶終端和一體化控制器間傳送的控制指令也通過Zigbee發送模塊傳送到中心節點上，省去了通訊線纜的部署工作。中心節點再經過邊緣網關將傳感器數據、控制指令發送到上位機的業務平臺。用戶可以通過有線網絡/無線網絡訪問上位機系統業務平臺，實時監測大棚現場的傳感器參數，控制大棚現場的相關設備。Zigbee模式具有部署靈活、擴展方便等優點。

四大棚現場布點

大棚現場主要負責大棚內部環境參數的采集和控制設備的執行，采集的數據主要包括農業生產所需的光照、空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤水分等數值。

傳感器的數據上傳有Zigbee模式和RS485模式兩種，RS485模式中數據信號通過有線的方式傳送，涉及大量的通訊布線。在Zigbee傳輸模式中，傳感器數據通過Zigbee發送模塊傳送到Zigbee中心節點上，用戶終端和一體化控制器間傳送的控制指令也通過Zigbee發送模塊傳送到中心節點上，省卻了通訊線纜的部署工作。中心節點再經過邊緣網關將傳感器數據、控制指令封裝并發送到位于internet上的系統業務平臺。用戶可以通過有線網絡/無線網絡訪問系統業務平臺，實時監測大棚現場的傳感器參數，控制大棚現場的相關設備。Zigbee模式具有部署靈活、擴展方便等優點。

控制系統主要由一體化控制器、執行設備和相關線路組成，通過一體化控制器可以自由控制各種農業生產執行設備，包括噴水系統和空氣調節系統等，噴水系統可支持噴淋、滴灌等多種設備，空氣調節系統可支持卷簾、風機等設備。

采集傳輸部分主要將設備采集到的數值傳送到服務器上，現有大棚設備支持3G、有線等多種數據傳輸方式，在傳輸協議上支持IPv4現網協議及下一代互聯網IPv6協議。

業務平臺負責對用戶提供智能大棚的所有功能展示，主要功能包括環境數據監測、數據空間/時間分布、歷史數據、超閾值告警和遠程控制五個方面。用戶還可以根據需要添加視頻設備實現遠程視頻監控功能。數據空間/時間分布將系統采集到的數值通過直觀的形式向用戶展示時間分布狀況（折線圖）和空間分布狀況（場圖）、歷史數據可以向用戶提供歷史一段時間的數值展示；超閾值告警則允許用戶制定自定義的數據范圍，并將超出范圍的情況反映給用戶。

五數據采集設備

項目涉及傳感網絡模塊和采集傳輸模塊，各個模塊包含的主要設備如下：