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基于农业物联网的智能温室系统架构与实现

更新时间：2019-12-24 07:06:52 大小：6M 上传用户：xiaohei1810查看TA发布的资源 标签：农业物联网智能温室系统 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

农业物联网能实现农业管理的数字化、网络化和精准化,基于农业物联网的温室监控系统可实现温室环境的远程监测和智能控制.通过分析温室监控的特殊需求并参考物联网的标准架构,提出了智能温室物联网的架构方案.根据该架构方案设计了完整的温室监控物联网:感知控制层基于ZigBee和RS485传感器网络及计算机控制模块,并针对可靠性、可扩展性和低功耗进行了优化设计;网络传输层支持多种数据传输方式和数据同步机制,建立了系统层间数据枢纽;应用层包含数据中心、WEB服务器和智能控制策略系统,提供了基于Hadoop和MySQL的海量温室历史数据的云存储解决方案、高可用免维护的云服务器和基于大数据和机器学习的控制策略;终端接入层采用WEB前端技术和React Native为系统提供了可视化界面.该智能温室物联网系统在连栋塑料温室实验基地的长期工作表明:系统运行稳定可靠,能有效提高温室生产的科学管理水平.

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２０１８ 年 １ 月ꢀꢀ ꢀꢀ ꢀꢀꢀꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀ农 机 化 研 究ꢀꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第 １ 期  
基 于 农 业 物 联 网 的 智 能 温 室 系 统 架 构 与 实 现  
高浩天， 朱森林， 常ꢀ歌， 符凌峰， 黄震宇  
（ 上海交通大学 电子信息与电气工程学院， 上海ꢀ２００２４０）  
摘ꢀ要： 农业物联网能实现农业管理的数字化、网络化和精准化，基于农业物联网的温室监控系统可实现温室环  
境的远程监测和智能控制。 通过分析温室监控的特殊需求并参考物联网的标准架构，提出了智能温室物联网的  
架构方案。 根据该架构方案设计了完整的温室监控物联网：感知控制层基于 ＺｉｇＢｅｅ 和 ＲＳ４８５ 传感器网络及计算  
机控制模块，并针对可靠性、可扩展性和低功耗进行了优化设计；网络传输层支持多种数据传输方式和数据同步  
机制，建立了系统层间数据枢纽；应用层包含数据中心、ＷＥＢ 服务器和智能控制策略系统，提供了基于 Ｈａｄｏｏｐ 和  
ＭｙＳＱＬ 的海量温室历史数据的云存储解决方案、高可用免维护的云服务器和基于大数据和 机器学 习的控 制策  
略；终端接入层采用 ＷＥＢ 前端技术和 Ｒｅａｃｔ Ｎａｔｉｖｅ 为系统提供了可视化界面。 该智能温室物联网系统在连栋塑  
料温室实验基地的长期工作表明：系统运行稳定可靠，能有效提高温室生产的科学管理水平。  
关键词： 农业； 物联网； 温室； 智能； 系统架构  
中图分类号： S625．5； S237ꢀꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀ文献标识码： A  
文章编号： 1003－188X（2018）01－0183－06  
室大棚的应用。  
0ꢀ引言  
随着近年来物联网技术、网络技术、云服务和智  
能终端的快速发展，农业物联网的架构方案也需要更  
新和提高。 本文提出了适用于智能温室的农用物联  
网架构方案，设计了基于该方案的智能温室远程监控  
系统，并应用于连栋塑料温室。 其实现了对温室的智  
能感知与远程控制，具有可靠性高、监测范围广、可灵  
活扩展及运行功耗低的优点，满足了温室的智能运行  
和科学管理需求。  
农业物联网为农业生产环境的监控提供了新思  
路，可以实现农业环境的远程监测和控制，从而实现  
农业管理的智能化、网络化、综合化、多样化，是实现  
农业现代化的关键技术之一［ １－３ ］ 。 基于农业物联网的  
智能温室系统，可远程监测温室环境，并根据作物的  
环境需求实施精准的温室控制，从而科学高效的管理  
温室。 因此，智能温室物联网研究是农业物联网研究  
的热点［ ４－６ ］  
。
1ꢀ系统架构设计  
２０１３ 年，何勇等［ ７ ］ 对农业物联网发展进行了综  
述，指出相比传统物联网，由于农业物联网工作环境  
恶劣、不易于值守、工作面积大且地形复杂及通信易  
受植被干扰等特点，因而对其感知层的可靠性、自诊  
断性、可扩展性和低功耗提出了特殊要求。 Ｌａｚａｒｅｓ-  
ｃｕ［ ８ ］ 对农业物联网的传感器网络的设计与传输协议  
的选择提出了功耗、软硬件冗余和成本等多方面具体  
要求，为农业物联网设计提供了参考依据。 针对温室  
物联网的设计和实现，王怀宇等［ ６ ］ 提出了一种基于物  
联网的智能化温室设计方案，研究了物联网在农业温  
根据物联网架构层次定义［ ９－１０ ］ 和农业生产需求，  
基于农业物联网的智能温室系统自底向上分为感知  
控制层、网络传输层、应用层，另外为兼容各类终端接  
入添加终端接入层［ ６ ］ ，如图 １ 所示。  
１）感知控制层用于获取需要监测及用于控制的  
各类温室数据，以及对温室现场作动器进行控制。 本  
层通过现场采集控制系统实现，其总体设计如图 ２ 所  
示。 本层适合使用高可靠传感器网络采集温室环境  
参数，如基于 ＲＳ４８５ 总线传感器网络及基于 ＺｉｇＢｅｅ 的  
无线传感器网络等。 本层还包括了用于控制温室设  
备的中央控制板；为降低成本和提高设备可靠性，适  
合采用嵌入式计算机提供现场计算服务，如基于 ＡＲＭ  
的微型计算机等。 另外，为增加对温室的直观感知，  
本层添加了图像采集模块，包括图像采集设备和图像  
传输网关。  
收稿日期： ２０１６－１０－１４  
基金项目： 国家高新技术研究发展计划（８６３ 计划） 项目（２０１２ＡＡ１０Ａ５  
０５） ；上海市科技兴农重点攻关项目（ 沪 农科攻字［２００９］  
第 ８－１ 号）  
作者简介： 高浩天（１９９２ －） ，男，安徽亳州人，硕士研究生，（ Ｅ －ｍａｉｌ）  
ａｌｌｅｎｋｏ＠ｓｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。  
通讯作 者： 黄震宇 （１９７５ －） ，男，上海人，副教授， 硕士生导师，（ Ｅ －  
ｍａｉｌ） ｂｉｇｈｕａｎｇ＠ｓｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。  
万方数据  
·１８３·  
２０１８ 年 １ 月ꢀꢀ ꢀꢀ ꢀꢀꢀꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀ农 机 化 研 究ꢀꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第 １ 期  
步存储，并实现海量历史数据的存储；ＷＥＢ 服务器提  
供数据请求服务和控制请求服务；智能策略学习控制  
系统可通过海量历史数据进行数据挖掘，对温室环境  
控制策略机器学习模型进行训练，提供温室环境智能  
控制策略。  
４）终端接入层提供可视化界面，用户可对温室环  
境进行监测和对温室设备进行远程在线控制或选择  
控制策略。 同时，本层提供历史数据导出服务，用户  
可导出任意历史数据用于科研分析等。  
2ꢀ感知控制层设计与实现  
2．1ꢀ传感器网络  
ＺｉｇＢｅｅ 是基于 ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ 标准的低功耗局域  
网协议，特点是复杂度低、自组织、功耗低，可灵活扩  
展网络覆盖范围。 ＲＳ４８５ 具有抗噪能力强、传输距离  
长、实现成本低和多站能力。 根据农业物联网的使用  
图 １ꢀ系统整体架构  
环境，本系统选用 ＺｉｇＢｅｅ 和 ＲＳ４８５ 组建传感器网络。  
Ｆｉｇ．１ꢀＦｒａｍｅｗｏｒｋ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ  
其中，室内环境监测采用 ＺｉｇＢｅｅ 无线网络，室外气象  
站传感器位置固定，采用 ＲＳ４８５ 有线网络。  
2．1．1ꢀ硬件组成  
室内传感器网络硬件采用模块化设计，主要包括  
核心板模块、传感器模块和底板。 其中，传感器节点  
和路由器节点包含所有模块，协调器节点不包含传感  
器模块。  
核心板由 ＴＩ 公司的 ＣＣ２５３０、外围电路及天线组  
成。 ＣＣ２５３０ 是 ２．４ＧＨｚ ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ 和 ＺｉｇＢｅｅ 应  
用的片上系统解决方案，集成了增强型 ８０５１ＣＰＵ，适  
用于温室的控制和测量。 其中，协调器节点和路由器  
节点添加 ＣＣ２５９１ 功率放大模块，以提高在温室内的  
通讯距离和降低丢包率［ １１ ］  
。
传感器模块包括空气温湿度传感器、土壤温湿度  
传感器和照度传感器。 综合能耗、成本、输出方式和  
精度考虑，空气温湿度传感器选用 ＳＨＴ１５，内部校准，  
数字信号输出，可提供高精度的空气温湿度数据，误  
差在±０．５℃／±２％ＲＨ 以内。 土壤温湿度传感器选用  
ＭＳ１０，模拟信号输出，误差在±０．５℃／±３％ＲＨ 以内。  
照度传感器选用 ＢＨ１７５０ＦＶＩ，数字信号输出，误差在 １  
ｌｘ 以内。  
图 ２ꢀ现场采集控制系统设计  
Ｆｉｇ．２ꢀＤｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｓａｍｐｌｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ  
２）网络传输层由数据传输与同步系统实现，主要  
负责温室环境数据的传输与同步，以及控制命令的下  
发。 由于温室多处于网络基础设施薄弱的农村，本系  
统提供多种方式接入互联网，与云端应用层相连接，  
如 ＧＰＲＳ、３Ｇ、４Ｇ 或有线网络等。  
底板主要包括电源管理模块和接口电路。 电源管  
理模块包含太阳能电池板与锂电池充放电模块和传  
感器供电模块，通过收集温室太阳能并储存于锂电池  
实现传感器系统的长期无值守工作。 对外接口包括  
ＲＳ４８５ 总线接口、核心板接口和传感器接口。  
３）应用层提供智能温室远程监控系统的核心服  
务，由数据中心、ＷＥＢ 服务器和智能策略学习控制系  
统３ 部分组成。 数据中心用于将监测数据进行云端同  
万方数据  
·１８４·  

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