專利名稱：一種基于wsn技術(shù)的密閉型智能植物工廠監(jiān)控管理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及智能精確農(nóng)業(yè)裝備和無線傳感監(jiān)控領(lǐng)域，特別涉及一種基于WSN(Wireless Sensor Network)技術(shù)的密閉型智能植物工廠監(jiān)控管理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
植物工廠是通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的系統(tǒng)，即是利用計(jì)算機(jī)對(duì)植物生育的溫度、濕度、光照、C02濃度以及營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行自動(dòng)控制，使設(shè)施內(nèi)植物生育不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)。植物工廠可實(shí)現(xiàn)蔬菜、花卉、水果、藥材、食用菌以及一部分糧食作物等生產(chǎn)，是知識(shí)與技術(shù)密集的集約型立體農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，我國(guó)植物工廠的發(fā)展處于起步階段。進(jìn)入21世紀(jì)，蔬菜、林木、藥草、香料等各類種苗或植物的大量需求推動(dòng)了完全使用人工光源的密閉式植物工廠的深入研究和應(yīng)用，各項(xiàng)技術(shù)的研究正在逐步開展，特別是對(duì)于密閉型植物工廠內(nèi)部及外部各環(huán)境參數(shù)、調(diào)控設(shè)備運(yùn)行控制參數(shù)和植物生理生態(tài)參數(shù)的自動(dòng)化檢測(cè)與控制是急需解決的關(guān)鍵核心技術(shù)。目前，隨著研究的深入和新技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于上述核心技術(shù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求迫切，以便更好的與植物工廠決策支持系統(tǒng)相適應(yīng)，優(yōu)化高精度人工植物生長(zhǎng)環(huán)境。為此，植物工廠需裝配多組溫度傳感器、濕度傳感器、光合有效輻射傳感器、C02濃度傳感器、氣體流量流速傳感器、營(yíng)養(yǎng)液PH/EC值檢測(cè)傳感器、液位傳感器和作物生理參數(shù)檢測(cè)傳感器，同時(shí)安裝與各因子相關(guān)聯(lián)的控制設(shè)備，如力口溫降溫設(shè)備、加濕通風(fēng)設(shè)備、可調(diào)光譜光強(qiáng)LED人工光源設(shè)備、C02增施設(shè)備、營(yíng)養(yǎng)液配方設(shè)備和潮汐式供液設(shè)備等，大大增 加了植物工廠內(nèi)部的信息傳遞和控制復(fù)雜程度。植物工廠生產(chǎn)模式是一種高清潔度、無菌生態(tài)型生產(chǎn)方式，在植物生長(zhǎng)期間應(yīng)盡量減少人員進(jìn)入，因此應(yīng)尋找一種有效的自動(dòng)化管控方式，特別是隨著植物工廠規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，大面積分散化的遠(yuǎn)程綜合監(jiān)控需求強(qiáng)烈。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)各類傳感和控制設(shè)備的系統(tǒng)化集成，目前主要采用RS485總線、CANBUS總線或4-20mA電流信號(hào)等方式。以上方式會(huì)出現(xiàn)以下問題:(I)設(shè)備多種通訊接口協(xié)議，兼容性差，系統(tǒng)集成困難；(2)在實(shí)施過程中布線材料和人工成本較大；(3)使用維護(hù)難度大，系統(tǒng)擴(kuò)展性弱；(4)傳感器相對(duì)固定，可移動(dòng)性差。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種基于WSN技術(shù)的密閉型智能植物工廠監(jiān)控管理系統(tǒng)，其用于解決植物工廠中傳感變送器和控制設(shè)備多、通訊接口協(xié)議兼容差、信息傳遞實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性要求高、布線復(fù)雜、維護(hù)難度大、可擴(kuò)展性弱、傳感探頭可移動(dòng)性差等迫切問題，實(shí)現(xiàn)植物工廠現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)傳感和控制設(shè)備無線數(shù)據(jù)通信，并具有本地和遠(yuǎn)程兩級(jí)監(jiān)控管理功能。具有現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)超限和控制設(shè)備運(yùn)行故障報(bào)警功能，并將報(bào)警信息發(fā)送至管理者手機(jī)上，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決存在的隱患，保證植物工廠內(nèi)部的生產(chǎn)安全。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:一種基于WSN技術(shù)的密閉型智能植物工廠監(jiān)控管理系統(tǒng)，它包括遠(yuǎn)程中心服務(wù)器、設(shè)置在植物工廠的本地監(jiān)控設(shè)備、與本地監(jiān)控設(shè)備無線連接的多個(gè)無線終端節(jié)點(diǎn)、以及與各無線終端節(jié)點(diǎn)無線連接的多個(gè)傳感器和被控設(shè)備；所述的傳感器用于采集植物工廠中待監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)參數(shù)，各傳感器和被控設(shè)備均通過對(duì)應(yīng)的無線終端節(jié)點(diǎn)與本地監(jiān)控設(shè)備相連，本地監(jiān)控設(shè)備與遠(yuǎn)程中心服務(wù)器無線連接。所述的無線終端節(jié)點(diǎn)還連接有視頻采集單元，該視頻采集單元包括攝像頭、控制云臺(tái)、無線發(fā)射和無線視頻接收裝置。所述的傳感器包括環(huán)境溫濕度傳感器、葉片溫濕度傳感器、紅外CO2傳感器、氣體流量流速傳感器、光合有效輻射傳感器、生理參數(shù)檢測(cè)傳感器、營(yíng)養(yǎng)液檢測(cè)傳感器和液位傳感器中的部分或全部。所述的被控 設(shè)備包括溫度調(diào)控設(shè)備、濕度調(diào)控設(shè)備、CO2氣體增施設(shè)備、LED人工光源設(shè)備、通風(fēng)循環(huán)設(shè)備、營(yíng)養(yǎng)液間歇供液設(shè)備和報(bào)警設(shè)備中的部分或全部。該基于WSN技術(shù)的密閉型智能植物工廠監(jiān)控管理系統(tǒng)還包括若干個(gè)手持終端，所述的手持終端為手機(jī)或PDA，由用戶或管理人員持有，該手持終端與遠(yuǎn)程中心服務(wù)器進(jìn)行通信。所述的無線終端節(jié)點(diǎn)包括開關(guān)量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、數(shù)字信號(hào)輸入/輸出模塊、節(jié)點(diǎn)MCU和節(jié)點(diǎn)Xbee模塊；所述的各傳感器和各被控設(shè)備通過對(duì)應(yīng)的開關(guān)量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊或數(shù)字信號(hào)輸入/輸出模塊與節(jié)點(diǎn)MCU連接，節(jié)點(diǎn)MCU與節(jié)點(diǎn)Xbee模塊連接，通過節(jié)點(diǎn)Xbee模塊與本地監(jiān)控設(shè)備的監(jiān)控Xbee模塊無線連接。所述的本地監(jiān)控設(shè)備包括監(jiān)控Xbee模塊、監(jiān)控MCU、GPRS/3G模塊、GPS模塊、嵌入式觸摸屏和電源模塊；所述的監(jiān)控Xbee模塊與無線終端節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)Xbee模塊無線連接，所述的監(jiān)控Xbee模塊與監(jiān)控MCU對(duì)應(yīng)信號(hào)端相連，所述的監(jiān)控MCU通過GPRS/3G模塊和GPS模塊與遠(yuǎn)程中心服務(wù)器無線連接；所述的嵌入式觸摸屏與監(jiān)控MCU連接。本實(shí)用新型的有益效果是:(I)、本實(shí)用新型通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將植物工廠內(nèi)的各種檢測(cè)和控制儀器設(shè)備進(jìn)行了統(tǒng)一的無線化數(shù)據(jù)傳輸方式的處理，采用基于zigbee的無線組網(wǎng)通訊協(xié)議，確保了網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的可靠性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，對(duì)于檢測(cè)和控制設(shè)備的增減或移動(dòng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性?？杀苊獯笠?guī)模的信號(hào)布線和維護(hù)。(2)、本實(shí)用新型的無線終端節(jié)點(diǎn)采用Xbee高性能2.4G嵌入式模塊設(shè)計(jì)，具有低功耗模式，可選在AT和API兩種模式下進(jìn)行使用，無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和通訊參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單方便，便于大規(guī)模無線節(jié)點(diǎn)的接入和管理。(3)、本實(shí)用新型的本地監(jiān)控設(shè)備具有觸摸屏交互界面，結(jié)合動(dòng)態(tài)化的效果，便于用戶直觀查看現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參數(shù)狀態(tài)和現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的運(yùn)行情況?？梢詫?shí)現(xiàn)植物工廠內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)優(yōu)化和無人化管理。(4)、本實(shí)用新型的的系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控部分,可利用internet/GPRS/3G遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，將大規(guī)模、分散型植物工廠進(jìn)行統(tǒng)一化集控管理。管控中心具有實(shí)時(shí)參數(shù)顯示存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、報(bào)警管理、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程控制、WEB瀏覽和視頻管理等功能，性能穩(wěn)定可靠。[0023](5)、本實(shí)用新型的采用模塊化設(shè)計(jì)，體積小、成本低、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、安全性好，便于不同規(guī)模的系統(tǒng)構(gòu)建，可擴(kuò)展性好，方便易行。[0024]( 6 )、本實(shí)用新型的的植物工廠可實(shí)現(xiàn)環(huán)境多因子的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制，在作物生長(zhǎng)的不同階段提供最優(yōu)化、最節(jié)能、最便捷的決策執(zhí)行方案，提升我國(guó)植物工廠的運(yùn)行管理水平。[0025]
:[0026]圖1為本實(shí)用新型的系統(tǒng)構(gòu)架圖。[0027]圖2為本實(shí)用新型的無線終端節(jié)點(diǎn)的原理框圖。[0028]圖3為本實(shí)用新型的本地監(jiān)控設(shè)備的原理框圖。[0029]具體實(shí)施方式
:[0030]如圖1所示，本實(shí)用新型系統(tǒng)構(gòu)架圖，主要包括手持終端、遠(yuǎn)程中心服務(wù)器、本地監(jiān)控設(shè)備、無線終端節(jié)點(diǎn)、視頻采集單元、各環(huán)境因子檢測(cè)傳感器和被控設(shè)備。系統(tǒng)工作過程為:依據(jù)植物工廠內(nèi)所使用的各環(huán)境因子檢測(cè)傳感器的輸出信號(hào)形式，選擇無線終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備中的開關(guān)量、模擬量或數(shù)字信號(hào)接口進(jìn)行連接，由本地監(jiān)控設(shè)備上的Xbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)起組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建立后，本地監(jiān)控設(shè)備與無線終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)精確調(diào)控。同時(shí)，本地監(jiān)控設(shè)備可通過internet/GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)登陸遠(yuǎn)程中心服務(wù)器，將現(xiàn)場(chǎng)各環(huán)境因子檢測(cè)傳感器和被控設(shè)備的參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)傳遞至遠(yuǎn)程中心服務(wù)器和手持終端，遠(yuǎn)程中心服務(wù)器和手持終端也可將控制指令通過上述鏈路發(fā)至被控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和控制。[0031]如圖2所示，本實(shí)用新型的無線終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖，傳感器可為環(huán)境溫濕度傳感器、葉片溫濕度傳感器 、紅外CO2傳感器、氣體流量流速傳感器、光合有效輻射傳感器、生理參數(shù)檢測(cè)傳感器、營(yíng)養(yǎng)液檢測(cè)傳感器和液位傳感器中的幾種或全部；被控設(shè)備可為溫度調(diào)控設(shè)備、濕度調(diào)控設(shè)備、CO2氣體增施設(shè)備、LED人工光源設(shè)備、通風(fēng)循環(huán)設(shè)備、營(yíng)養(yǎng)液間歇供液設(shè)備和報(bào)警設(shè)備中的部分或全部。節(jié)點(diǎn)MCU采用STM32L152低功耗CorteX-M3處理器，通過USART串口連接節(jié)點(diǎn)Xbee 2.4GHz無線模塊，完成zigbee網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和無線數(shù)據(jù)通信。無線終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有節(jié)點(diǎn)配置接口連接外部端口，以便在連接傳感器或被控設(shè)備之前，通過PC機(jī)配置無線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)(PAN ID、CHANNEL,DEVICE TYPE,BAND RATE等)。該無線終端節(jié)點(diǎn)內(nèi)部提供開關(guān)量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出、數(shù)字信號(hào)輸入/輸出功能電路，以滿足各類傳感器和被控設(shè)備的接口需求。[0032]如圖3所示，本實(shí)用新型的本地監(jiān)控設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖。其中，控制MCU采用STM32L152低功耗Cortex_M3處理器，通過USART串口連接節(jié)點(diǎn)Xbee 2.4GHz無線模塊，完成zigbee網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和無線數(shù)據(jù)通信；GPRS/3G遠(yuǎn)程通訊模塊采用SIMCOM公司的GPS和GPRS —體化SM548C模塊或SM5218 3G MODULE開發(fā)，內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議棧，支撐AT和API數(shù)據(jù)傳輸。該設(shè)備(I)負(fù)責(zé)本地植物工廠內(nèi)部各傳感節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)無線網(wǎng)絡(luò)的建立、加入允許和路由管理，起到zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的作用；(2)負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的撥號(hào)連接、登陸和數(shù)據(jù)通信，提供了 internet/GPRS/3G三種可選連接模式，方便現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)條件的使用；(3)負(fù)責(zé)接受GPS信息，通過內(nèi)部解析程序確定該植物工廠的經(jīng)緯度位置信息，以便于為遠(yuǎn)程中心軟件提供定位信息；(4)通過嵌入式觸摸屏為用戶提供優(yōu)良友好的人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)化顯示環(huán)境和生物指標(biāo)參數(shù)，采用動(dòng)畫指示控制設(shè)備工作狀態(tài)和植物工廠內(nèi)部整體運(yùn)行狀態(tài)。用戶通過直接 的觸摸，簡(jiǎn)便易行的選擇控制功能和設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)。
權(quán)利要求1.一種基于WSN技術(shù)的密閉型智能植物工廠監(jiān)控管理系統(tǒng)，其特征是:它包括遠(yuǎn)程中心服務(wù)器、設(shè)置在植物工廠的本地監(jiān)控設(shè)備、與本地監(jiān)控設(shè)備無線連接的多個(gè)無線終端節(jié)點(diǎn)、以及與各無線終端節(jié)點(diǎn)無線連接的多個(gè)傳感器和被控設(shè)備；所述的傳感器用于采集植物工廠中待監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)參數(shù)，各傳感器和被控設(shè)備均通過對(duì)應(yīng)的無線終端節(jié)點(diǎn)與本地監(jiān)控設(shè)備相連，本地監(jiān)控設(shè)備與遠(yuǎn)程中心服務(wù)器無線連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于WSN技術(shù)的密閉型智能植物工廠監(jiān)控管理系統(tǒng)，其特征是:所述的無線終端節(jié)點(diǎn)還連接有視頻采集單元，該視頻采集單元包括攝像頭、控制云臺(tái)、無線發(fā)射和無線視頻接收裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于WSN技術(shù)的密閉型智能植物工廠監(jiān)控管理系統(tǒng)，其特征是:所述的傳感器包括環(huán)境溫濕度傳感器、葉片溫濕度傳感器、紅外CO2傳感器、氣體流量流速傳感器、光合有效輻射傳感器、生理參數(shù)檢測(cè)傳感器、營(yíng)養(yǎng)液檢測(cè)傳感器和液位傳感器中的部分或全部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于WSN技術(shù)的密閉型智能植物工廠監(jiān)控管理系統(tǒng)，其特征是:所述的被控設(shè)備包括溫度調(diào)控設(shè)備、濕度調(diào)控設(shè)備、CO2氣體增施設(shè)備、LED人工光源設(shè)備、通風(fēng)循環(huán)設(shè)備、營(yíng)養(yǎng)液間歇供液設(shè)備和報(bào)警設(shè)備中的部分或全部。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于WSN技術(shù)的密閉型智能植物工廠監(jiān)控管理系統(tǒng)，其特征是:該基于WSN技術(shù)的密閉型智能植物工廠監(jiān)控管理系統(tǒng)還包括若干個(gè)手持終端，所述的手持終端為手機(jī)或PDA，由用戶或管理人員持有，該手持終端與遠(yuǎn)程中心服務(wù)器進(jìn)行通f目。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于WSN技術(shù)的密閉型智能植物工廠監(jiān)控管理系統(tǒng)，其特征是:所述的無線終端節(jié)點(diǎn)包括開關(guān)量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、數(shù)字信號(hào)輸入/輸出模塊、節(jié)點(diǎn)MCU和節(jié)點(diǎn)Xbee模塊；所述的各傳感器和各被控設(shè)備通過對(duì)應(yīng)的開關(guān)量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊或數(shù)字信號(hào)輸入/輸出模塊與節(jié)點(diǎn)MCU連接，節(jié)點(diǎn)MCU與節(jié)點(diǎn)Xbee模塊連接，通過節(jié)點(diǎn)Xbee模塊與本地監(jiān)控設(shè)備的監(jiān)控Xbee模塊無線連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于WSN技術(shù)的密閉型智能植物工廠監(jiān)控管理系統(tǒng)，其特征是:所述的本地監(jiān)控設(shè)備包括監(jiān)控Xbee模塊、監(jiān)控MCU、GPRS/3G模塊、GPS模塊、嵌入式觸摸屏和電源模塊；所述的監(jiān)控Xbee模塊與無線終端節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)Xbee模塊無線連接，所述的監(jiān)控Xbee模塊與監(jiān)控MCU對(duì)應(yīng)信號(hào)端相連，所述的監(jiān)控MCU通過GPRS/3G模塊和GPS模塊與遠(yuǎn)程中心服務(wù)器無線連接；所述的嵌入式觸摸屏與監(jiān)控MCU連接。
專利摘要一種基于WSN技術(shù)的密閉型智能植物工廠監(jiān)控管理系統(tǒng)，它包括遠(yuǎn)程中心服務(wù)器、設(shè)置在植物工廠的本地監(jiān)控設(shè)備、與本地監(jiān)控設(shè)備無線連接的多個(gè)無線終端節(jié)點(diǎn)、以及與各無線終端節(jié)點(diǎn)無線連接的多個(gè)傳感器和被控設(shè)備；傳感器用于采集植物工廠中待監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)參數(shù)，各傳感器和被控設(shè)備均通過對(duì)應(yīng)的無線終端節(jié)點(diǎn)與本地監(jiān)控設(shè)備相連，本地監(jiān)控設(shè)備與遠(yuǎn)程中心服務(wù)器無線連接。通過無線傳感技術(shù)很好的解決了植物工廠(1)設(shè)備多種通訊接口協(xié)議，兼容性差，系統(tǒng)集成困難；(2)在實(shí)施過程中布線材料和人工成本較大；(3)使用維護(hù)難度大，系統(tǒng)擴(kuò)展性弱；(4)傳感器相對(duì)固定，可移動(dòng)性差等技術(shù)難題。
文檔編號(hào)G05B19/418GK203117769SQ20132010924
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月11日
發(fā)明者焦學(xué)磊, 徐志剛, 尹文慶, 劉曉英 申請(qǐng)人:南京農(nóng)業(yè)大學(xué)