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德州学院-分布式温室环境监测与控制系统

专家
2014-03-11 21:17:06    评分

作者:德州学院 刘晓龙 张荣祥 狄方开

指导教师:张秀梅 刘汉平


  作品简介

  一、本系统的整体设计图

  二、作品概述

  本系统由主控制室部分、数据采集部分、移动终端部分组成。综合ZigBee、ARM、RFID、GPRS、Android、传感器、英特网、远程网络监控等多种技术于一体,设计出具有无线信息采集-传输、远程视频监控、身份识别、智能控制、GPRS通信、定时防治病虫害、网站监测控制、数据查询分析、二维码扫描等多功能的现代化温室管理系统,实现了温室环境全方位、多层次、分布式的实时监测与远程控制。

  三、开发背景

  近些年来,随着物联网、无线传感器、电子标签、现代测控、专家系统、智能装备等技术的重大突破和广泛应用,无线传感网络的应用成为信息时代社会发展的重要特征,分布式温室环境的智能化监测与控制给人们的生活带来了巨大的便利。

  四、结构说明

  五、功能与使用

  1、.数据采集部分功能与使用

  利用带有空气温湿度、土壤温湿度、光照、CO2、烟雾、火焰等传感器模组的ZigBee节点进行环境信息采集。并使用网络摄像头实现远程实时监控。

  2、主控制室部分功能与使用

  以ARM网关为控制核心,在LCD液晶显示屏上利用ZigBee无线传感网络实时显示采集的数据,通过身份识别模块刷卡登录分布式温室环境监测与控制系统(上位机),在上位机上实时显示采集的信息并绘制曲线,上位机将数据存储在数据库中,方便历史查询,分析。在上位机上可实现对执行机构的全自动和半自动无线控制,严格将温室环境参数控制在一定的范围。利用身份识别模块还可以实现人员考勤登记并存储,方便历史查询。通过GPRS模块可以实时远程防灾报警。还可以利用GPRS模块短信功能远程控制相应的设备,修改环境参数。

  3、移动终端部分功能与使用

  本系统增加移动终端控制区,可以利用Android手机,平板,笔记本等移动设备实时远程监测与控制。利用Android手机可以实时显示采集的数据,远程控制执行设备。利用分布式温室环境监测与控制系统网站可以实时显示采集的数据和控制相应的执行机构,还可以对该作品进行宣传推广。

  六、作品特色

  该系统与现有温室相比,其特色和创新点体现在:

  1、终端控制多样化,温室管理规模化;

  2、权限管理,刷卡登记;

  3、多角度实时监测,灾情及时报警;

  4、臭氧定时定量闷熏防治病虫害,绿色环保;

  5、网站实时在线监测控制,网络让信息交互更加通畅;

  6、太阳能供电方式,节能减排。

  7、可移植性,实用性强,便于推广。


  平台选型说明

  该系统选用ZigBee套件、ARM网关


  设计说明

  一、设计方案

  本系统设立主控制室、数据采集、移动终端三个部分,实现温室环境的实时远程无线监测与控制。结构框图如图所示。

  1、数据采集节点区设计

  本系统数据采集部分设计以TI公司的第二代2.4G ZigBee射频单片机CC2530为控制核心,通过单片机内部的ZigBee射频系统组建无线传感网。通过在温室环境内设置多个环境监测节点,所有的这些节点通过无线传感网络,实现与协调器的数据传输,并通过ARM网关实现手机、上位机,英特网与ZigBee网络之间的通信,实现环境信息的实时采集与控制。数据采集节点区如图1-1-2所示。

  每个环境监测节点设有空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、 传感器、光照传感器、烟雾传感器及火焰传感器等传感器模组;控制部分分别设有补光照明设备、排风设备、喷淋设备、臭氧杀菌设备、报警设备等。同时,设备均由太阳能电池板供电,并能保持24小时工作,积极响应了"节能减排,绿色能源"的号召。

  2、主控制室部分设计

  该系统主控室部分以ARM网关为控制核心,设有LCD显示控制器、上位机显示与控制、身份识别与GPRS模块。各采集节点的传感器模组采集的空气温湿度、土壤温湿度、 浓度、光照强度、烟雾浓度等信息,通过无线传感网络实时显示在LCD显示屏上。通过身份识别模块登录上位机,在上位机上能够实时显示各传感器模组采集的环境信息,并自动生成各环境因素的变化曲线,进行系统分析。利用上位机数据库管理系统,可以对各个节点采集的信息进行实时存储,能够连续记录多于1,000,000个数据采样点,数据采样点之间的最快采样间隔大于500ms,最慢采样间隔大于10分钟,并在意外掉电24小时之内能够保持这些数据。在上位机上可以对执行设备进行全自动和半自动控制,严格控制温室环境参数在一定的范围。利用身份识别模块还可以实现人员考勤登记并存储,方便历史查询。为保障温室环境的安全性,当温室环境内出现烟雾或者明火时,通过烟雾传感器和火焰传感器检测,会及时地控制蜂鸣器报警,并通过GPRS模块向用户发送短信、打电话.并将出现异常的采样节点的报警信息清楚地在显示在屏幕上。同时,利用GPRS模块短信功能远程控制相应的设备,修改环境参数,方便快捷。

  3、移动终端部分设计

  本系统增加移动终端控制区,可以利用Android手机,平板,笔记本等移动设备实时远程监测与控制。利用Android手机可以实时显示采集的数据,远程控制执行设备。利用分布式温室环境监测与控制系统网站可以实时显示采集的数据和控制相应的执行机构,还可以对该作品进行宣传推广。

  二、设计原理

  温室环境的监测目标具有分散性、多样性及环境偏僻甚至恶劣等特点。检测目标主要是空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、 浓度、烟雾浓度这些环境参数,这些是温室环境中的重要因素,对环境参数进行实时监测以后,要对相应的执行机构进行控制,参数控制的执行机构可以通过排风设备、喷淋灌溉阀门设备、电动卷帘设备、补光照明设备、臭氧发生设备等实现。

  由身份识别、无线信息采集-传输、上位机,Android手机智能控制、远程视频监控、GPRS短息语音通话报警与设备控制、定时防治病虫害、网页监测与设备控制、数据查询分析、太阳能供电、二维码扫描等多个部分构成了分布式温室环境监测与控制系统。其整体结构如图2-1-1所示。

  系统的设计原则:

  1、可靠性、安全性第一。一个系统的灵魂首先是极高的稳定性和安全性,然后才是功能的强大。

  2、模块化、可重用。模块化设计不仅增加了系统进化的灵活性,而且当系统出现错误,需要进行测试定位这个错误的位置时,有着其不可替代的绝对优势。

  3、扩展性、实用性。应该从开发项口的一开始就把系统设计成能能够扩展和升级的。在开发的每个阶段都要总结当前系统的优缺点,同时提出进行扩展和升级的想法和具体方案,一步一步的把系统充实,逐步完善整个系统,实际应用于生活当中。

  三、实施过程

  1、终端数据采集节点主动定期或被动即时地采集处理温室内的光照强度、空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳浓度、烟雾浓度值上传给网关设备,并且能够接收网关设备发送过来的命令,即时监测某些数值,然后通过手机远程控制、上位机全自动或半自动控制,网站在线来对大棚内的设备进行操控。

  终端数据采集节点采用可重用、模块化的设计思路,系统的兼容性、升级性、扩展性、可移植性比较好。各传感器通过插头与节点主板相连,可靠性比较好、防水、防潮。电源模块支持蓄电池太阳能系统供电系统同是也兼容市电供电,系统配置灵活,满足不同层次用户需求。在不改变节点硬件的前提下,可根据某些客户的需求,生产定制化的设备。

  2、通过信息平台显示的温室中的环境信息,我们分别采用手机控制、上位机控制、网站三种方案半自动或全自动远端操作温室内的相关机电设备。

  3、为了积极响应"节能减排,绿色能源"的号召,本系统采用太阳能电池板供电,而且灌溉系统可以采用滴灌技术,补光系统可以采用LED照明。

  4、在数据分析与处理过程中,也开展了实验平台搭建与组网测试,经过ZigBee嗅探器设备进行数据与拓扑分析。用于分析数据和网络拓扑结构,快速寻找 ZigBee 组网时出现的问题所在。数据分析过程如图3-1所示。


此文档的相关视频来自:http://v.eepw.com.cn/video/play/id/13501




关键词: ZigBee     传感器     温湿度     环境监测    

专家
2014-03-11 21:17:56    评分
2楼

  四、硬件框图

  4.1 终端采集节点硬件设计

  终端采集节点硬件由具有无线通信功能的CC2530小模块加底板组成。小模块完成控制和无线收发功能,底板则外接了各种传感器、按键和液晶等设备。ZigBee终端节点除完成数据收发外,还需驱动传感器进行数据采集、液晶屏进行显示以及外设控制等功能。

  4.2终端控制部分硬件设计

  本作品以220V灯泡代表相应的执行机构,通过zigbee节点能够控制不少于48个设备,zigbee路由节点可以多达256个,这意味着执行机构可以控制更多,可以而且安全可靠。设计如图5-2-1所示。

  4.3 上位机监控系统的设计

  上位机数据管理界面包含实时数据监测、终端控制、登录管理、远程监控和网页展示窗口,具有身份识别、实时监测数据显示、半自动和全自动控制、历史数据查询和远程视频监控等多种功能并配有相关语音操作提示。在监控窗口区,可以显示各个大棚的各项数据以及温度,湿度,光照等环境因素的变化曲线,根据数据信息和农作物对环境的需求,操作控制窗口可以对外部设备进行全自动或半自动两种方式操控,达到农作物生长所需的最佳条件。数据管理软件界面(上位机界面)如图4-3-1所示。

  4.4 ARM网关与Android手机远程监控平台的设计

  考虑到ZigBee节点的通信能力有限(数据速率仅为250 Kbps),为了减少网关协议转换自身的工作量,本网关选择了一款集成Ethernet接口的ARM9芯片来完成硬件系统的搭建。ARM网关开发套件如图4-4-1所示。

  4.5 身份识别系统设计

  利用RFID射频识别技术,用户通过RFID射频识别模块,使用高频卡,权限管理,刷卡登记,在上位机上显示个人信息,并将进出信息存储,以便查询历史记录。

  4.6 远程视频监控

  本系统利用威视达T7838WIP网络摄像头通过上位机,手机以及网站对大棚内的农作物生长状况,以及大棚内的其他状况进行远程视频监控,实现农业生产的科学化管理。

  4.7 GPRS短息语音通话报警与设备控制系统设计

  GPRS 开发套件主板选用华为 MG323 模块, 可以与其他需要 GPRS 通信的物联网开发套件相连,实现与互联网,或是手机等移动通信设备直接通信。

  4.8数据分析和处理

  本系统设立数据库管理系统,对各个节点采集的信息和刷卡记录进行实时存储,能够连续记录多于1,000,000个数据采样点,数据采样点之间的间隔可以按需设置,方便历史查询。并在意外掉电24小时之内能够保持这些数据。本系统能对采样数据进行曲线分析,对温室科学化管理。

  4.9太阳能供电模块设计

  对于电源模块,我们选择TI公司的TPS61040升压模块,把太阳能电池板输出的1.8v~4.6v的电压升高到5.5v,存储在2.2F的超级电容中,再用TI公司的LP2950稳压模块输出恒定的3.3v的电压供外接电路使用。

  4.10 网页监测与设备控制设计

  利用英特网技术实现数据上传,设立网页监测,设备控制,展示推广平台 (如图5-11所示)。登录网站可以实时显示各个环境节点采集的信息,控制照明,风扇,卷帘,喷淋设备运转。还可以对温室进行远程在线实时监控。在网站上设立作品宣传推广平台。便于体验,推广我们的系统。

  五、设计总结

  本作品不仅完成了设计的基本要求和扩展要求。而且还增加了多项实用智能化的功能。第一,自行设计出了人机交互界面的上位机系统和手机控制平台,能够对温室环境的信息进行实时采集、控制、存储。第二,利用臭氧发生器定时防治病虫害。减少农药的使用量,绿色环保。第三,设立身份识别,权限管理,安全可靠。第四,利用网站实时数据监测和设备控制,作品推广。第五,多角度实时监测,灾情及时报警。总而言之,该系统坚持先进性、实用性、创新性原则,实行温室环境全方位、多层次、分布式的无人监测与远程控制,通过传感器,ARM,物联网等相关技术的实际应用和良好的人机交互界面使生活,生产更加高效便利,让相关先进技术实际应用到人们的生活中。


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