本實用新型涉及電子信息技術領域，具體地說，特別涉及到一種多功能溫室種植智能監(jiān)控系統(tǒng)。

背景技術：

我國的農業(yè)種植正在從粗放模式向現(xiàn)代化、智能化模式轉變，其中，溫室種植中的環(huán)境參數(shù)調節(jié)成為現(xiàn)代化溫室種植中最為關鍵的一環(huán)。在以往的溫室環(huán)境監(jiān)控中通常采用手工檢測和記錄，環(huán)境監(jiān)控的隨機性大，不能根據(jù)環(huán)境的變化做出及時、有效的反應，容易對大事故漏報、錯報，從而造成農作物大面積死亡或病害發(fā)生。

隨著自動化技術的發(fā)展，溫室參數(shù)的自動監(jiān)控技術得到了發(fā)展和應用，其中，RS485和CAN總線方式與下位機相連實現(xiàn)監(jiān)控的系統(tǒng)較常見，但存在布線麻煩、成本高、維護量大的缺點。隨著無線通信技術的發(fā)展，無線監(jiān)控方式也越來越多地應用于種植環(huán)境監(jiān)控中，可利用Zigbee、GPRS等無線方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，通常采用PC作為監(jiān)控終端，但是由于其成本高、監(jiān)控方式單一，不宜在農戶中推廣。農業(yè)領域逐步引入物聯(lián)網技術實現(xiàn)智能化遠程監(jiān)控和服務，該技術在現(xiàn)代農業(yè)中將發(fā)揮重要作用。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術中的不足，提供一種多功能溫室種植智能監(jiān)控系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術中存在的問題。

本實用新型所解決的技術問題可以采用以下技術方案來實現(xiàn)：

一種多功能溫室種植智能監(jiān)控系統(tǒng)，包括

一用于實時檢測溫室中環(huán)境參數(shù)的傳感器系統(tǒng)；

一用于實現(xiàn)控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和執(zhí)行設備系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通訊的的無線網絡傳輸系統(tǒng)；

一用于對所述環(huán)境參數(shù)進行分析處理的控制系統(tǒng)；

一用于執(zhí)行所述控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令的執(zhí)行設備系統(tǒng)；

以及一用于存儲、記錄、顯示上述設備運行狀況的遠程客戶端。

進一步的，所述傳感器系統(tǒng)通過通訊電路與控制系統(tǒng)通訊連接，其包括空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光敏傳感器、有害氣體傳感器、人體紅外傳感器。

進一步的，所述無線網絡傳輸系包括Zigbee和GPRS模塊；Zigbee模塊用于實現(xiàn)傳感器系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，GPRS模塊用于實現(xiàn)控制系統(tǒng)與遠程客戶端通訊。

進一步的，所述控制系統(tǒng)通過繼電器模塊連接控制執(zhí)行設備系統(tǒng)。

進一步的，所述執(zhí)行設備系統(tǒng)包括蜂鳴器、抽水泵、通風機和卷簾。

進一步的，所述遠程客戶端包括用于數(shù)據(jù)存儲、記錄、顯示的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

進一步的，所述傳感器系統(tǒng)、無線網絡傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行設備系統(tǒng)具有可更換的電源組件。

一種多功能溫室種植智能監(jiān)控方法，包括如下步驟：

1)安裝于溫室中的傳感器系統(tǒng)實時檢測溫室中的各項環(huán)境參數(shù)，并將獲取到的環(huán)境參數(shù)通過Zigbee模塊發(fā)送至控制系統(tǒng)；

2)實時控制系統(tǒng)接收到上述環(huán)境參數(shù)后，對環(huán)境參數(shù)進行分析和處理，并將控制指令反饋至執(zhí)行設備系統(tǒng)的繼電器，打開或關閉對應的設備；

3)上述各項環(huán)境參數(shù)和處理過程中的數(shù)據(jù)，發(fā)送并存儲于遠程客戶端的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內，以供調用。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果如下：

將物聯(lián)網技術應用于溫室種植環(huán)境自動監(jiān)控中，采用服務器模式，通過傳感器系統(tǒng)實時監(jiān)測溫室環(huán)境狀況，可有效解決農戶不便監(jiān)控、成本高的問題，實現(xiàn)隨時隨地的種植監(jiān)控；同時根據(jù)種植數(shù)據(jù)庫指導進行溫室種植環(huán)境自動化控制，實現(xiàn)智能化溫室種植。

附圖說明

圖1為本實用新型中實施方式的系統(tǒng)結構示意圖。

圖2為傳感器系統(tǒng)及執(zhí)行設備系統(tǒng)結構示意圖。

圖3為控制系統(tǒng)結構示意圖。

圖4為上位機程序設計圖。

圖5為上位機結構功能圖。

圖6為電源電路設計圖。

圖7為系統(tǒng)試驗測試結果圖。

具體實施方式

為使本實用新型實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實施方式，進一步闡述本實用新型。

本實用新型主要研究的是一種多功能溫室種植智能監(jiān)控系統(tǒng)。如圖1-圖7所示，系統(tǒng)主要包括傳感器系統(tǒng)、執(zhí)行設備系統(tǒng)、無線網絡通訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、上位機等遠程監(jiān)控終端五個模塊。傳感器系統(tǒng)檢測溫室種植環(huán)境中各項參數(shù)信息；通過無線網絡通訊系統(tǒng)對檢測到的數(shù)據(jù)進行傳輸；控制系統(tǒng)(協(xié)調器)分析處理顯示相應數(shù)據(jù)，并調節(jié)執(zhí)行設備系統(tǒng)內各設備的開關，從而對溫室種植環(huán)境中各項因素進行控制；上位機監(jiān)控終端包含上位機監(jiān)控界面及溫室種植數(shù)據(jù)庫，可存儲系統(tǒng)各項數(shù)據(jù)，并調用相應數(shù)據(jù)庫內容實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時智能監(jiān)控。

本實用新型中，設有空氣溫濕度傳感器DHT11、土壤濕度傳感器、光敏傳感器、有害氣體傳感器、人體紅外傳感器檢測終端，通過簡單硬件電路與無線傳輸模塊Zigbee連接，檢測精確度高，可靠性好。

本實用新型中，設有通風機、抽水泵、卷簾、蜂鳴器等環(huán)境執(zhí)行設備，與繼電器模塊連接，控制系統(tǒng)通過分析處理傳感器系統(tǒng)檢測的數(shù)據(jù)，控制相應執(zhí)行設備的啟停工作。

本實用新型中，各傳感器節(jié)點均采用無線方式，省去布線麻煩的工作，各傳感器終端可任意放置。

本實用新型中，控制中心采用增強型單片機CC2530作為核心處理器，通過接收傳感器系統(tǒng)對溫室種植過程中的環(huán)境參數(shù)檢測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析處理，通過LCD12864液晶屏顯示環(huán)境參數(shù)，并將控制指令傳送給執(zhí)行設備終端，實現(xiàn)調節(jié)溫室種植環(huán)境的效果。另外，控制系統(tǒng)通過GPRS無線傳輸技術將檢測數(shù)據(jù)傳送到遠程監(jiān)控終端。

本實用新型中，控制系統(tǒng)的控制算法基于農作物種植數(shù)據(jù)庫的指導通過自主設計的閉環(huán)PID的控制算法對執(zhí)行設備終端進行控制，同時加入模糊控制算法，以實現(xiàn)智能監(jiān)控系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性。

本實用新型中，執(zhí)行設備系統(tǒng)采用上位機遠程控制與自動調節(jié)相結合的方法，自動調節(jié)是通過設定不同農作物最佳種植環(huán)境參數(shù)值，根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)自動調節(jié)到最優(yōu)種植狀態(tài)，能夠實現(xiàn)對土壤濕度、光照強度、氧氣二氧化碳濃度等種植條件的控制，實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化。同時可在上位機等遠程監(jiān)控終端觀察并調節(jié)相應執(zhí)行設備的啟停工作。

本實用新型中，所述的無限傳輸部分采用GPRS和Zigbee模塊。通過Zigbee模塊實現(xiàn)傳感器系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的近距離數(shù)據(jù)傳輸，通過GPRS模塊實現(xiàn)控制系統(tǒng)與遠程監(jiān)控終端遠距離數(shù)據(jù)通訊。

本實用新型中，所述的系統(tǒng)包括基于LABVIEW軟件的上位機系統(tǒng)，可以存儲、發(fā)布監(jiān)測數(shù)據(jù)，并建立數(shù)據(jù)庫，包括多種農作物的種植條件和方法。

本實用新型中，所述的系統(tǒng)包括供電模塊，即可通過電池組供電，又可通過5v電源適配器供電。

本實用新型的系統(tǒng)各部分描述如下。

(1)傳感器系統(tǒng)及執(zhí)行設備系統(tǒng)：本系統(tǒng)通過選擇基于Zigbee無線傳感技術在農作物溫室種植環(huán)境下布置大量的檢測節(jié)點和繼電器控制節(jié)點，分別完成對空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度、有害污染氣體、外來人員入侵等溫室種植環(huán)境參數(shù)的采集和對抽水泵、卷簾、通風機、報警器等執(zhí)行設備的控制。在本系統(tǒng)中，該部分結構示意圖如圖2所示。傳感器系統(tǒng)采用CC2530芯片作為Zigbee技術的片上解決方案，建立農作物溫室種植監(jiān)測現(xiàn)場的無線傳感網絡。

本系統(tǒng)在傳感器選型方面，考慮到傳感器的性能在本實用新型中起著很大的作用，它直接影響到了所采集數(shù)據(jù)的精準度，實用度和完善度，因此空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度、有害污染氣體、外來人員入侵檢測選擇采用帶有Zigbee無線傳輸功能的傳感器模塊。

空氣溫濕度采用DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器，該傳感器的突出特點是：可靠性高，穩(wěn)定性強，響應快、價格便宜。主要由一個感濕原件和一個NTC測溫原件組成。測量范圍：濕度20-90％RH，溫度0～50℃。測量精度：濕度+-5％RH 溫度+-2℃。分辨率:濕度1％RH，溫度1℃。

土壤濕度檢測采用土壤濕度傳感器，主要根據(jù)土壤中存在許多礦物質離子，然而這些離子很容易溶解在水中，土壤濕度檢測利用這些礦物質離子，通過電機兩端的導電性的強弱也就是兩端電壓的大小來判斷土壤濕度的大小。該傳感器可直接數(shù)字量輸出高低電平信號，方便操作。

光照強度采用光敏傳感器，由光敏電阻和滑動變阻器組成，光敏電阻常用一些特殊的材料來制作。這些材料的共同點是在特定波長的光照條件下，其電阻阻值快速變小的特性。滑動變阻器的作用主要是用來設定光敏傳感器的閾值，根據(jù)需要不同光照強度，系統(tǒng)可設定不同的閾值。當光敏電阻檢測到光照時線路導通信號采集節(jié)點的電平信號發(fā)生變化，從而實現(xiàn)光照強度的檢測。該傳感器可直接數(shù)字量輸出高低電平信號，方便操作。

有害污染氣體采用煙霧傳感器。通過檢測煙霧的濃度，來實現(xiàn)報警或火災防范的。本實用新型采用氣敏式煙霧傳感器MQ-2，所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種有害氣體，可直接數(shù)字量輸出高低電平信號，方便操作，符合設計要求。

外來人員入侵檢測采用熱釋電紅外傳感器，主要是利用高熱電系數(shù)的材料來制作的，主要材料有硫酸三甘鈦、鉭酸鋰、鋯鈦酸鉛系陶瓷，利用它們來制作成非常微小的毫米級別探測原件，每個探測器大多數(shù)裝有兩個反極性串聯(lián)的探測原件，這樣連接主要是用于抑制因工作時本身溫度升高帶來的干擾。由于紅外線副射的距離不是特別遠，因此接受收到的電壓轉變信號很小，為了使探測器的性能更好，探測的距離更遠，因此經過許多專業(yè)人士的研究安裝了一個菲涅爾透鏡來改變轉換電壓小的弊端，透鏡主要是用白色的透明塑料組成，最 后變成一種具有特殊功能的透鏡，在把它連接到放大電路中，信號可以被放大60分貝到70分貝，這樣很大范圍內的人的行動都可以被探測，功能變得很強大。紅外熱釋電傳感器正常工作時，檢測到有人時輸出端口輸出一個高電平信號，方便操作。

(2)控制系統(tǒng)：監(jiān)控主機是控制系統(tǒng)的核心，本實用新型監(jiān)控主機包括CC2530協(xié)調器、液晶屏及電源，完成溫室環(huán)境檢測數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示、無線發(fā)送和控制數(shù)據(jù)的無線下載。CC2530作為Zigbee協(xié)調器完成無線接收、發(fā)送檢測及控制信息，并通過標準串口傳送給微處理器單片機。其硬件系統(tǒng)結構如圖3所示。

本系統(tǒng)設計采用CC2530作為Zigbee技術的片上解決方案，建立溫室監(jiān)測現(xiàn)場的無線傳感器網絡，實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的接收、處理顯示和發(fā)送的功能。CC2530芯片內部集成一個高性能兼容IEEE802.15.4無線局域網標準的2.4GHz DSSS射頻收發(fā)器核心和一個增強型的8051控制器。它具備2個支持多種串行通信協(xié)議的串口、8路輸入的12位轉換器、5通道DMA、電池監(jiān)視器以及溫度傳感器等豐富的外設資源，使得硬件更為節(jié)省、性能更為穩(wěn)定。

本系統(tǒng)顯示部分采用液晶顯示屏LCD12864，液晶顯示屏主要原理是以電流刺激液晶分子產生點、線、面并配合背部燈管構成畫面，不同的顯示屏幕有不同的命名方法，LCD12864可以顯示8×4行16×16點陣的字符，而且能顯示中文字符，由于本實用新型僅需顯示溫室種植相關參數(shù)，選擇英文顯示方式即可。

(3)無線傳輸網絡系統(tǒng)：本實用新型無線傳輸網絡系統(tǒng)采用Zigbee和GPRS無線通訊技術。

Zigbee部分實現(xiàn)傳感器系統(tǒng)與控制系統(tǒng)近距離數(shù)據(jù)通訊功能。Zigbee是一種近距離、低功耗、低成本并具備高可靠性的雙向無線通信技術，且媒體訪問控制層遵循IEEE802.15.4標準的規(guī)定?；赯igbee的無線傳感網絡通過部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點，形成一個多跳的自組織網絡，具有省電、節(jié)點安裝靈活方便、覆蓋范圍大、傳輸可靠等特點?？梢姡琙igbee無線 傳感網絡適合溫室種植遠程監(jiān)控的需求。

Zigbee網絡節(jié)點分為協(xié)調器、路由器和終端節(jié)點。由于溫室種植監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)點數(shù)目較少，區(qū)域較小，因此本實用新型采用星型網絡組建Zigbee無線傳感網絡，節(jié)點僅有協(xié)調器和終端節(jié)點。其中協(xié)調器節(jié)點負責建立、維護網絡，并控制終端節(jié)點加入網絡，同時承擔整個無線傳感網絡數(shù)據(jù)的匯總與處理，包括對無線數(shù)據(jù)的接收、解碼及發(fā)送。終端節(jié)點包括檢測節(jié)點完成檢測數(shù)據(jù)的發(fā)送；繼電控制器節(jié)點完成控制信息的接收。這類節(jié)點可以隨時加入和退出無線傳感網絡。

GPRS部分實現(xiàn)控制系統(tǒng)與遠程監(jiān)控終端的通訊功能，GPRS網絡是分組無線業(yè)務，它采用分組交換技術，具有網絡速度快、實時性好、傳輸距離遠、可以和Internet互聯(lián)等優(yōu)點。本系統(tǒng)通過構建GPRS網絡，與用戶服務器終端相連，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、實時及長距離的傳輸。

(4)上位機等遠程監(jiān)控終端：本實用新型采用LABVIEW軟件設計上位機監(jiān)控界面，主要是用來接收串口傳輸來的數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)分離處理顯示。通過了解上位機的編程語言，選擇上位機的基本框架，由簡單到復雜，一層層疊加，完成最終的設計，上位機設計的部分流程圖如圖4所示。此外本實用新型基于Microsoft SQL Server 2008建立數(shù)據(jù)庫，可存儲、發(fā)布監(jiān)測數(shù)據(jù)，內容包括多種農作物種植條件和方法。為方便用戶隨時隨地監(jiān)控農作物種植環(huán)境，獲取相關農作物種植信息，上位機等遠程監(jiān)控終端主要包括系統(tǒng)登錄、參數(shù)配置、環(huán)境監(jiān)控、遠程控制、溫室種植數(shù)據(jù)庫等功能。上位機功能結構圖如圖5所示。

系統(tǒng)登錄：為了保證系統(tǒng)訪問安全，上位機軟件通過用戶賬戶和數(shù)字簽名進行登錄驗證，只有通過驗證的用戶才能進行系統(tǒng)訪問。

參數(shù)配置：實現(xiàn)系統(tǒng)相關參數(shù)、數(shù)據(jù)請求控制等的配置管理。

環(huán)境監(jiān)控：實現(xiàn)電腦遠程及時查看展示各類監(jiān)控參數(shù)的當前數(shù)值，對數(shù)據(jù)異常及時調控處理，同時提供相應報警信息，使種植戶能及時掌握溫室種植現(xiàn)場狀況。

遠程控制：實現(xiàn)通風機、抽水泵、卷簾等設備的遠程啟?？刂疲约斑@些設備的運行狀態(tài)顯示。為保證設備控制的安全可靠，所有的控制操作均需簽名驗證，操作指令需兩次確認。

溫室種植數(shù)據(jù)庫：電腦客戶端實現(xiàn)對農作物相關種植文檔的檢索、瀏覽、查看功能，實現(xiàn)客戶端數(shù)據(jù)庫與后臺網絡數(shù)據(jù)的同步更新。

(5)供電系統(tǒng)：本實用新型的供電由5v電源適配器供電，由于CC2530單片機需要3.3v供電，故要采取5v降壓處理，所述的電源模塊電路圖如圖6所示。由于傳感器系統(tǒng)的設計自身帶有電池槽，且電壓為3.7V，電量為650mA，所以給傳感器系統(tǒng)配備3.7V的可充電鋁電池。

以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特征和本實用新型的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內。本實用新型要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。