基于物联网技术的智能温室示范测控系统

摘要

本发明公开了一种基于物联网技术的智能温室示范测控系统，包括多个现场控制站网络、多个嵌入式网关、中心服务器；一个现象控制站网络接入一个嵌入式网关，所述嵌入式网关实现中心服务器与现场控制站网络的通讯。本发明通过物联网的传感网来采集温室内外、作物生长土壤成分参数；物联网的网络层对多种数据传输网络融合，最后以嵌入式以太网控制器接口与中心服务器通信，实现各个节点之间互相通信；物联网应用层即中心服务器实现对参数的优化控制、页面发布、短信查询控制。

说明书

技术领域

本发明涉及温室大棚系统领域，具体为一种基于物联网技术的智能温室示范测控系统。

背景技术

物联网是指通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。

温室大棚是实现设施农业和工厂化农业的基础设施，是作物生长环境人工调节的基本设施。通过温室大棚可长期为作物创造最佳的生长条件，避免外界恶劣气候的影响，达到调节作物产期、促进作物生长发育、防治病虫害及提高产量和品质等目的。温室大棚种植为提高人们的生活水平带来极大的便利，得到了迅速的推广和应用。种植环境中的温度、湿度、光照度、CO2浓度等环境因子对作物的生产有很大的影响。传统的人工控制方式难以达到科学合理种植的要求，目前国内可以实现上述环境因子自动监控的系统还不多见，而引进国外具有多功能的大型连栋温室控制系统价格昂贵，不适合国情。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于物联网技术的智能温室示范测控系统，以实现对温室大棚更加优化的控制和管理。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

基于物联网技术的智能温室示范测控系统，其特征在于：包括多个现场控制站网络、多个嵌入式网关、中心服务器；一个现象控制站网络接入一个嵌入式网关，所述嵌入式网关实现中心服务器与现场控制站网络的通讯；

所述现场控制站网络包括传感节点、执行节点、传输中继节点，其中：

所述传感节点分为两种，一种传感节点由多种对温室环境进行测量的传感器构成，另一种传感节点由多种对温室中植株进行测量的传感器构成，其中对温室环境进行测量的每个传感器网络配置有Zigbee无线传输模块，对植株进行测量的每个传感器网络配置有RFID射频读写器；

所述执行节点为改变温室环境参数的各个执行装置，所述执行装置分别连接有继电器，通过继电器控制各个执行装置实现对温室环境参数的改变；

所述传输中继节点由传感节点和嵌入式网关组成的通讯网络构成，其中对温室环境进行测量的传感器构成的传感节点通过Zigbee无线传输模块与对应的嵌入式网关构成Zigbee网络，对温室中植株进行测量的传感器构成的传感节点通过RFID射频读写器与对应的嵌入式网关构成RFID通信网，每个Zigbee无线传输模块、RFID射频读写器还分别配置有数据处理单元，所述数据处理单元对数据格式处理，所述现场控制站网络的传感节点各个传感器通过传输中继节点向嵌入式网关传输信息，以实现汇聚数据的协调和与网关之间的传输；

所述嵌入式网关包括单片机系统、接入单片机系统的嵌入式以太网控制器接口，其中对应于对温室环境进行测量的传感节点的嵌入式网关中设置有Zigbee无线网络接口，所述嵌入式网关通过Zigbee无线网络接口与现场控制站网络中对应的Zigbee无线传输模块通讯，对应于对植株进行测量的传感节点的嵌入式网关中设置有RFID无线网络接口，所述嵌入式网关通过RFID无线网络接口与现场控制站网络中对应的RFID射频读写器通讯，所述嵌入式网关负责现场控制站网络与中心服务器的互联互通、协议栈换和局部控制，其中：

所述单片机系统上外接有E2PROM存储器、实时时钟芯片、A/D转换器接口、扩展I/O接口、电源供电模块，用于控制对应的传感节点对现场参数数据采集和处理，并将参数传输至中心服务器，同时接受中心服务器下达的命令监控温室内的参数；

所述Zigbee无线网络接口包括Zigbee芯片，Zigbee芯片与单片机系统通过UART接口相连，以IEEE 802.15.4 规范、Zigbee 2006协议构建现场无线通信网络，实现嵌入式网关中单片机系统与所述传输中继节点进行通信，传输监控现场的信息；

所述RFID无线网络接口包括RFID无线射频芯片、单片机控制模块，RFID无线射频芯片以14443A协议规范对植株上的RFID射频读写器进行读写操作；

所述嵌入式以太网控制器接口包括带SPI接口的独立以太网控制器，所述嵌入式网关中单片机系统通过嵌入式以太网控制器与所述中心服务器通讯，所述以太网控制器符合IEEE 802.3 的全部规范，采用了一系列包过滤机制以对传入数据包进行限制，以太网控制器还提供了一个内部DMA 模块，以实现快速数据吞吐和硬件支持的IP校验和计算；

所述中心服务器包括工控PC、带USB接口的GSM模块、交换机；

所述工控PC通过交换机与嵌入式网关通讯连接，用于web界面的发布控制，GSM查询服务，工控PC中写入有对温室参数优化控制算法；

所述GSM模块通过USB接口接入工控PC，GSM模块通过GSM网络与外部手机通讯，手机通过GSM模块发送固定格式的短信到中心服务器可以查询、控制温室的环境参数；

所述交换机负责将各个嵌入式网关与中心服务器中工控PC通讯连接，实现多个现场控制站网络的网关数据的传输。

所述的基于物联网技术的智能温室示范测控系统，其特征在于：对应于对温室环境进行测量的传感器构成传感节点的现场控制站网络中，传感节点中各个传感器通过Zigbee无线传输模块构成温室无线数据采集传感网。

所述的基于物联网技术的智能温室示范测控系统，其特征在于：所述传感节点、执行节点对应物联网的感知层；所述传输中继节点、嵌入式网关对应物联网的网络层；所述中心服务器对应物联网应用层。

本发明通过物联网的传感网来采集温室内外、作物生长土壤成分参数；物联网的网络层对多种数据传输网络融合，最后以嵌入式以太网控制器接口与中心服务器通信，实现各个节点之间互相通信；物联网应用层即中心服务器实现对参数的优化控制、页面发布、短信查询控制。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、基于多层网络结构

本发明系统包括各种数据传输网：Zigbee传输网、RFID传输网、以太网。Zigbee是一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术；RFID具有读写速度快、批量识别、存储量大、使用寿命长、安全性高、实时动态通信等优势；故由Zigbee和RFID构建的现场无线传感网具有上述优势。 以太网成本低廉和传输高速提高了系统的通信性能。

2、多种数据信息融合

由于物联网温室大棚丰富的感知特性，本系统的各个网络包含各自的采集和传输数据，针对不同网络之间数据传输的格式差异,采用了基于TCP/IP协议嵌入式网关实现了多种网络之间数据传输的融合和协同。

3、多种控制方式实现更便捷合理的管理

本发明系统中中心服务器通过页面发布参数信息，可在互联网中通过管理用户实现实时调节；内含优化算法可实现传感节点与动作节点之间的自动调节；中心服务器有GSM查询平台，提供手机查询控制，使调节没有时间和空间上的限制；同时系统还提供人工手动的调节控制，真正实现全方位的控制。

4、具备智能化和云计算技术的物联网温室系统

本发明系统基于物联网体系，包含了物联网云计算技术特征，实现不同技术平台之间的资源共享，提升了物联网信息处理能力。各个子系统之间的互相感知、智能化调节增加了系统的便捷灵活性。

附图说明

图1 为本发明的系统组成框图。

图2 为本发明所涉及中心服务器软件流程图。

图3 为本发明与物联网和OSI模型对应关系图。

具体实施方式

如图1所示，本发明系统组成包括现场控制站网、嵌入式网关、中心服务器；

现场控制站网络安置于温室大棚内外，包括室外气象传感器、室内参数传感器、作物溯源的培育土壤检测传感器、风机和加热器动作节点、及相应的Zigbee、RFID无线传感网，在种植的作物相应地方安装室内及土壤检测传感器，室外安装风速、风向、雨量传感器来采集相应的环境参数，提供控制温室的依据，动作节点在收到指令后相应开合环流风机、加热器设备进行参数调节，为了避免数据传输的距离和流量限制在每个传感网中增设了若干中继节点实现数据协调传输；

嵌入式网关包括单片机系统、Zigbee无线网络接口、RFID无线网络接口、嵌入式以太网控制器接口与交换机相连接，实现多种传感网融合最终以以太网控制接口与中心服务器相连接提供参数并传输控制指令，嵌入式网关负责现场控制站网络与中心服务器的互联互通、协议栈换和局部控制，其中：

单片机系统采用型号为STC12C5A60S2的嵌入式微处理器、E2PROM存储器、实时时钟芯片、A/D转换器接口和扩展I/O接口、电源供电模块，用于控制现场参数数据采集和处理并传输到中心管理服务器，同时接受服务器命令下达的命令监控温室内的参数；

Zigbee无线网络接口包括型号为CC2430的Zigbee芯片，Zigbee芯片与单片机系统通过UART接口相连，以IEEE 802.15.4 规范、Zigbee 2006协议构建现场无线通信网络，实现与现场Zigbee网络进行通信，传输监控现场的信息；

RFID无线网络接口包括型号为FM1702NL的RFID无线射频芯片、单片机控制模块，RFID无线射频芯片以14443A协议规范对植株溯源上的Mifare 1 S50RFID射频读写器进行读写操作，读写内容是土壤检测传感器检测到的培育的土壤信息、种植时间和出圃时间；

嵌入式以太网控制器接口包括带SPI接口的型号为ENC28J60的独立以太网控制器。以太网控制器符合IEEE 802.3 的全部规范，采用了一系列包过滤机制以对传入数据包进行限制。它还提供了一个内部DMA 模块，以实现快速数据吞吐和硬件支持的IP校验和计算；

中心服务器包括工控PC、带有USB接口的GSM模块、交换机，实现温室控制的页面发布，通过管理者用户名和密码登陆控制温室参数的调节，GSM模块通过USB接口接入工控PC，用户通过手机通过GSM模块向工控PC发送固定格式的短信进行查询，可以查询服务器对AT指令进行解析，根据指令要求控制温室大棚的环境参数。工控PC用于web界面的发布控制、GSM查询服务、与嵌入式网关的通信，含有对温室参数优化控制算法。除此之外，可以在现场人工手动调节。

具体实施中，各种温室内外带Zigbee无线网络接口的传感器通过Zigbee无线网络接口构成了现场Zigbee通信网络，各个传感器和相应的Zigbee无线网络接口可以根据温室的实际的需要进行任意数量的扩展，温室大棚内可以由Zigbee通信网络完全覆盖，其中设立传输中继节点，使大量网络的数据传输协调。嵌入式网关与每个传感网设立传输中继节点，实现多种网络的融合和协同。嵌入式网关通过以太网接口与在互联网中的中心服务器连接，将现场检测的数据发送到中心服务器来提供各种控制方法，包括在互联网上页面发布、GSM短信查询、内部优化算法的自动调节等。这种基于物联网技术的温室大棚系统结构，扩展性好，便于控制，可以降低系统建设成本，提高网络覆盖率和扩展性。 

如图2所示，本实系统中心服务器软件工作流程图，其步骤如下：

中心服务器通过socket模块和嵌入式网关之间建立通信，将现场测得的环境、植物生长参数传输过来，通过Mysql技术存储到数据库，并通过XML和PHP语言在互联网上进行页面发布，用户可以通过web浏览器，随时随地查询被监控设备的所有信息。同时，服务器通过web服务接收用户提交的指令，原路返回，对动作节点进行控制；另外通过MSCOMM控件用C++编写短信查询控制部分，对AT指令解析，当收到查询短信指令时，解析命令，可以将当前环境参数和土壤信息会发给指定手机，当收到控制命令时，对动作节点进行控制；数据库中可以写入各个参数的阈值，鉴于各个参数之间的关系，通过优化算法可以实现无人参与的闭环自动调节。

如图3所示，本系统与物联网和OSI模型之间的关系：

现场的数据采集和参数处理对应于物联网的感知层，即OSI七层模型中的物理层和数据链路层；各种Zigbee、RFID、GSM、以太网传输网对应于物联网的网络层，即OSI七层模型中的物理层和传输层；温室参数的GSM查询、页面发布、优化算法对应于物联网的应用层，即OSI模型中应用层和应用程序。发明系统不含有OSI模型中的表示层和会话层，其功能何以在物联网的网络层实现，也可以在应用层实现。