工业 4G 路由器物联网智能农业大棚方案 1.综述 物联网智能农业大棚解决方案。本系统旨在通过物联网技术实现农业大棚内 的环境实时感知、数据自动统计、设备远程控制、设备自动控制、自动报警、视 频监控等功能，帮助大棚种植实现数字化和自动化，实现无人值守、高产量和可 复制。 系统采用光照、土壤 PH（酸碱度）、空气温湿度、土壤温湿度等传感器对 大棚种植环境进行实时感知，通过无线信息传输节点将数字信号传输到系统后 台，经过服务器处理后形成图形化显示输出。系统提供各种统计功能并支持数据 导出，能够针对指标超标等情况自动报警，当环境指标超标时能够自动开启和关 闭风机、电磁阀、遮阳板等设备以实现智能化。 2.系统优势 2.1 精确掌握环境指标，取代“凭感觉” 传统农业依靠的是人工对环境信息的感知，对作物生长的环境无法量化，因 而难以将作物生长的最优条件总结出来，更加难以复制；此外，人工无法实现 24 小时的现场管理，难以实时地掌握作物生长条件。智能大棚种植通过传感器 将环境信息转化成标准的数字信号并定期采样存储在数据库中，能够实现环境信 号的实时采集和统计输出，能够“精确”、“全面”地掌握环境信息，实现精准 的农业管理。 2.2 随时随地掌握现场信息，随时随地控制现场设备 系统支持手机远程登录，用户可以在任何时间、任何地点（只要手机能上网） 了解大棚内部的环境信息、视频影像，并且可以手动指挥现场设备，如喷淋设备、 风机、遮阳板、灯光等等。同时，一人可以同时管理多个大棚，为客户节省了大 量的人力。 2.3 自动调节各项指标，为作物提供最“舒适”、最稳定的生长环境 智能大棚系统得到环境数据后，自动与设定的指标阈值进行比对，当超出正 常范围时，自动启动相关设备进行现场操作，例如，当大棚内温度过高时，自动 启动风机设备对大棚进行降温，当土壤湿度过低时自动开启灌溉设备对作物进行 灌溉。自动化控制可以为作物提供最“舒适”和最稳定的生长环境，帮农场提高 产量、减少人力、形成标准流程，方便总结和传播生产经验。 2.4 形成标准化种植经验，方便大规模复制 传统大棚的管理依赖管理人员丰富的经验，且与所处的气候环境等因素相 关，不利于大规模地复制，而智能大棚通过自动控制等手段降低了对人员的依赖， 使工作变得简单、标准，方便迅速扩大规模。 优势对比： 3.系统功能 系统的主要功能包括：环境指标的远程监测、历史数据的统计输出、超过阈 值的自动报警、现场设备的远程控制、现场设备的自动控制等。 3.1 环境指标的远程监测 安插在大棚内的各种传感器设备不间断地采集周围的环境信息并通过数据 传输节点上传给服务器，这些传感器包括：空气温湿度传感器、土壤温湿度传感 器、光照传感器、CO2 传感器、土壤 PH 值传感器等。用户还可以根据需要选 择其他各种传感器。当客户通过浏览器访问服务器时，软件系统以图形化的界面 显示当前指标，系统每隔一段时间刷新一次，刷新时间可以用户自定义，当间隔 时间足够短时，即实现了实时监测。 图形化远程监测界面（以空气湿度为例） 数值式远程监测界面（以空气湿度为例） 3.2 历史数据的统计输出 用户可以自行定义各种指标的存储时间间隔，例如每隔一个小时存储一次数 据，则过去一天的历史数据将由 24 个点组成，同理，用户也可以选择每隔 10 分钟甚至 1 分钟存储一次数据。 当客户需要查询历史数据时，在系统输入查询条件，即可看到该范围内的指 标变化情况，以曲线的形式输出。 自动绘制变化曲线 此外系统还支持历史数据的 excel、text、pdf 等格式的数据导出。 导出前，选定导出范围 显示成数据列表 导出文件的另存界面 3.3 超过阈值的自动报警 用户可以针对每个指标设定上限值和下限值，当检测到的数据超过范围时，可通 过三种方式进行报警。 ※监测界面的红色提示。当某项指标超标时，界面上将出现红色“上限异常”、 “下限异常”等字样，提醒管理人员。 监测界面报警 ※短信报警。系统初始化时，留有被报警人的手机号码，当环境信息出现异常时， 将自动发送报警短信至该号码，提醒状态异常。 短信报警 ※统计报表中的状态提示。系统在统计报表中对异常值进行状态说明，提醒 管理人员该指标的历史异常情况。 统计报表中的提示 3.4 现场设备的远程控制 常用的现场设备包括风机、遮阳板、电磁阀（水阀）、灯光等，这些设备均 可以通过信号线进行控制，服务器发送的指令被转化成控制信号后即可实现远程 启动/关闭现场设备的运转。 用户通过点击界面上的按钮即可完成启动/关闭现场设备的指令发送。 远程控制界面 3.5 现场设备的自动控制 除了手工进行指令的发送之外，系统还能够根据检测到的环境指标进行自动 控制现场设备的启动/关闭。用户可以自定义温湿度、光照、CO2 浓度等指标的 上限值、下限值，并定义当指标超过上限或者下限时，现场设备如何响应（启动 /关闭）；此外，用户可以设置触发后的设备工作时间。 优势： ※自动控制和手动控制间自由切换 ※可自定义设备开/关逻辑 ※可控制设备自动工作时间 自动控制逻辑设置 自动控制上下限设置 3.6 视频监控 此外，系统还集成了视频监控设备实现对周围环境和大棚内情况的监控。通 过硬盘录像机可以实现视频信息的长期存储和方便调用。 视频监控界面 4.技术原理 4.1 环境的感知 传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件 （如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或 器官。一般说来，可以把传感器看作由敏感元件（有时又称为预变换器）和变换 元件（有时又称为变换器）两部分组成；敏感元件是能完成预变换的器件，变换 器是能将感受到的非电量变换为电量的器件。本系统采用的主要是数字传感器， 将被测量的非电学量转换成数字输出信号。 4.2 信息的传输 Zigbee 是一种短距离、低功耗的无线通信技术名称。这一名称来源与蜜蜂 的八字舞。其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本。主要适 合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。Zigbee 技术有以下优点： ①低功耗。在低耗电待机模式下,2 节 5 号干电池可支持 1 个节点工作 6～ 24 个月，甚至更长。这是 Zigbee 的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi 可工作数小时。 ②低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的 1/10)，降低了对通信控制器的要 求，按预测分析，以 8051 的 8 位微控制器测算，全功能的主节点需要 32KB 代 码，子功能节点少至 4KB 代码，而且 Zigbee 免协议费。每块芯片的价格大约 为 2 美元。 ③低速率。Zigbee 工作在 20～250kbps 的较低速率，分别提供 250kbps(2.4GHz)、250kbps(780MHz)、40kbps(915MHz)和 20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。 ④近距离。传输范围：2.4GHz 频段一般介于 10～300m 之间；780MHz 频段一般介于 100～700m 之间，通信距离在增加 RF 发射功率后，亦可增加到 1～3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传 输距离将可以更远。 ⑤短时延。Zigbee 的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需 15ms， 节点连接进入网络只需 30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要 3～10s、 WiFi 需要 3s。 ⑥高容量。Zigbee 可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理 若干子节点，最多一个主节点可管理 254 个子节点；同时主节点还可由上一层 网络节点管理,最多可组成 65000 个节点的大网。 ⑦高安全。Zigbee 提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制 清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES，128)的对称密码，以 灵活确定其安全属性。⑧免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM) 频段，2.4GHz(全球)、915MHz(美国)、868MHz(欧洲)和 780MHz（中国）。 4.3 浏览器/服务器架构 软件系统采用的浏览器/服务器架构（B/S 架构）是新一代的互联网服务架 构，无需安装客户端，采用浏览器直接访问，能够最大程度地减少客户对访问硬 件的依赖，提高使用的便捷性。 B/S 架构 该系统的开发环境采用 Java2Platform，EnterpriseEdition(J2EE)，J2EE 是一组协调规范与实践，它们组合起来，能够实现用于开发、部署和管理多层的 以服务器为中心的应用程序的解决方案具有平台独立性、开发简单、可移植性好、 可被多用户并发等优点。 5.经典案例 某市生态农业发展有限公司是从事蔬菜科研、蔬菜生产、净菜加工、储藏保 鲜、运输销售、净菜配送于一体的综合性企业，现有 110 余亩有机蔬菜示范园。 农场远景 5.1 空气温湿度传感器、光照传感器、土壤 PH 值传感器、土壤温湿度传感 器、CO2 浓度传感器等。 空气温湿度传感器 CO2 浓度传感器（已封装） 光照传感器 土壤 PH 值传感器、土壤温湿度传感器 5.2 传输设备 无线信号传输节点 5.3 可远程控制的现场设备。淋灌设备、风扇设备、遮阳板设备、视频监控 设备。 可远程控制的喷淋设备 可远程控制的风机设备 可远程控制的遮阳板设备