CN103914056A

CN103914056A - 多信息融合的设施农业生产过程监控装置

Info

Publication number: CN103914056A
Application number: CN201410170366.3A
Authority: CN
Inventors: 刘安勇; 汪建新; 赵大鹏
Original assignee: ANHUI FUXUN INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ANHUI FUXUN INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2014-07-09

Abstract

本发明提供一种多信息融合的设施农业生产过程监控装置，包括主控单元、ZIGBEE无线传输单元以及智能终端，主控单元与智能终端之间通过ZIGBEE无线传感网络进行连接，其中智能终端包括多信息采集模块和功能执行模块。本发明利用多信息融合技术，通过无线传感器网络将设施农业中常规的感知量传输给主控制单元，结合农业专家知识库、数据可追溯性管理，实现对采集来的参数进行显示、分析，并给出决策指导和自动控制。系统具有很强的伸缩性，单套装置实现对小规模的设施农业生产过程中的全程监控，多套主控单元可以组网构建综合型监控系统。

Description

多信息融合的设施农业生产过程监控装置

技术领域

本发明涉及监控系统技术领域，具体涉及一种多信息融合的设施农业生产过程监控装置。

背景技术

设施农业中多类型感知数据的采集与融合是通过采用现代农业工程技术，利用人工建造的设施，通过人工调控，改变自然环境，为种植业和养殖业、微生物（食用菌）、水产生物以及产品的储藏保鲜等提供相对可控制，甚至最适宜的温度、湿度、光照、水肥等环境条件，而在一定程度上摆脱对自然环境的依赖进行有效生产的农业，以获得速生、高产、优质、高效的农产品的新型农作方式。在设施农业生产过程中一般存在苗床系统、制冷系统、加热系统、加湿系统、除湿系统、新风换气系统、扰流系统、光照系统、CO₂补气系统、灌溉水肥系统等多种系统，每个分系统又涉及众多感知量和控制量。常规的感知量包括：室外温度、室外湿度、风速、风向、光照辐射、雨雪、内部环境温度、内部环境湿度、光照、通风、基质温度、基质湿度、基质肥力、基质PH值、基质EC值、CO₂浓度等。由于检测的物理量不同，数据接口千差万别，系统复杂程度高，无法自主完成全过程监控。

发明内容

本发明提供一种能将多信息融合输出，并通过无线传感网络进行传输控制的设施农业生产过程监控装置。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种多信息融合的设施农业生产过程监控装置，包括主控单元、ZIGBEE无线传输单元以及用于采集多种感知量和执行多种控制量的智能终端，主控单元与智能终端之间通过ZIGBEE无线传感网络进行连接，其中智能终端包括多信息采集模块和功能执行模块，所述多信息采集模块包括信号调理电路和A/D转换器，所述A/D转换器的信号输出端连接智能终端的信号采集端口。

所述ZIGBEE无线传输单元包括CC2530和RFX2401C，所述CC2530连接通讯接口，RFX2401C通过IPX天线接口连接用于收发信号的2.4G天线。

所述主控单元建立在Cortex A8基础上，具有1G主频，1G DDR RAM，8G NAND FLASH，包括TFT电容式加固显示屏，所述ARM Cortex-A8处理器流水线架构基于双对称的，顺序发射的，13级流水线，带有先进的动态分支预测，可实现2.0 DMIPS/MHz。

所述主控单元建立在嵌入式Linux2.6.35.7内核系统上，设置有基础驱动，该基础驱动包括串行口、网络、3G通信、显示、触屏以及U盘，所述主控单元的应用系统软件包括数据收集与共享、历史数据库、WEB Server、农业专家知识系统、远程预警模块、自主控制组态、数据可追溯管理接口。

进一步地，所述监控装置还包括无线数据收发模块、实时数据库模块、历史数据库模块、对外数据接口模块以及自动控制模块，各模块之间的连接关系···

所述无线数据收发模块通过ZIGBEE硬件接口，收集无线传感网络上各智能终端采集数据，解析、汇总，将控制指令下发到各终端。

所述实时数据库模块对所有智能终端的同一类型测控量进行统一编址，统一编址后的地址与ZIGBEE节点地址对应的测控量进行地址映射，任何数据更新和控制量变化将在实时数据库中反应。

所述历史数据库模块选用Sqlite或者Mysql数据库，历史数据库包括实时采集数据、操作记录、系统运行日志，专家知识，以电平变化方式保存智能终端离散数据的变化，定时存储终端数据模拟口的数据变化。

所述外数据接口模块包括远程预警接口、3G数据服务接口、网络数据服务和工控软件接口；其中远程预警接口分为报警值设置和短信预警两部分，报警值设置单元可以对系统关注的开关量状态，模拟量的阀值自行组态报警值，系统运行时自动监控各采集量，出现预设状态时，打包发送当前的状态量和预设报警提示信息；3G数据服务接口，提供通过移动3G网络的远程数据访问，使用各远程终端通过移动通信网或互联网实现对装置的远程访问；网络数据服务接入本地局域网，实现与局域网监控中心机的数据共享；工控软件接口，提供工控组态软件接口，利用国产或国外的工控组态软件实现对装置的数据收发。

进一步地，所述主控单元还设有数据可追溯性接口，该数据可追溯性接配合人工录入附加信号，以生产批次为基本组织单位，以RFID编码或其他追溯序号为查询条件，实现生产过程中的环境参数、土肥参数、人员、时间、施药、生长图片等等信息的统一管理。

由以上技术方案可知，本发明利用多信息融合技术，通过无线传感器网络将设施农业中常规的感知量传输给主控制单元，结合农业专家知识库、数据可追溯性管理，实现对采集来的参数进行显示、分析，并给出决策指导和自动控制。系统具有很强的伸缩性，单套装置实现对小规模的设施农业生产过程中的全程监控，多套主控单元可以组网构建综合型监控系统。本装置可对设施农业中的蔬菜、瓜果、园艺等生产过程进行全程监控，主要功能表现为图形化仿真监控、数据追溯性查询、远程预警、多回路自动控制、数据外部传输、海量数据存储、数据查询、实时趋势分析、历史趋势、报警日志存储与查询、WEB发布、数据统计与分析等。

附图说明

图1为本发明中监控装置系统总体框架图；

图2为本发明中ZIGBEE无线传输单元的硬件设计框图；

图3为本发明中智能终端的电路原理框图；

图4为本发明中智能终端单路模拟数据换算流程；

图5为本发明中控制单元硬件设计框图；

图6为本发明中监控装置软件功能模块；

图7为本发明中小型系统构建的低成本设施农业监控装置；

图8为本发明中综合应用系统的设施农业监控装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种多信息融合的设施农业生产过程监控装置，该监控装置由硬件和软件两部分组成。其中硬件包括一个主控单元和多个智能终端，智能终端用于采集多种设施农业生产过程中的感知量和执行多种控制量，通过无线传感器网络、移动通信网络、数据总线等传输手段，将设施农业中如温度、压力、流量等常规的感知量传输给主控制单元，并利用相关软件对采集来的参数进行分析并对电机、阀门等部件加以控制。

本实施例中主控单元与智能终端之间是通过ZIGBEE无线传感网络进行连接，如图2所示，无线传感网络数据传输单元使用CC2530和RFX2401C构成，CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案，CC2530 结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存。RFX2401C是Rfaxis推出的全集成、单芯片射频前端集成电路，满足IEEE 802.15.4要求的所有RF功能，方便的应用于基于2.4G ISM频段的Zigbee、无线传感网和其它无线系统中，其结构有PA\LNA\收发切换电路、匹配网络和滤波组成。CC2530和RFX2401C的组合实现基于ZIGBEE无线传感网络的数据传输，最大传输速率可达250KBPS，最远传输距离可达1.0KM，完全满足设施农业中的无线传输。

如图3和图4所示，智能终端基于ARM7 Cortex-M3构建，具备多种类型的信号输入和通讯接口，智能终端包括多信息采集模块和功能执行模块，所述多信息采集模块包括依次信号连接的设施农业环境信息传感器、测量变送单元、调理电路和A/D转换器，所述A/D转换器的信号输出端连接智能终端的信号采集端口，其中设施农业环境信息传感器包括空气温度传感器、空气湿度传感器及日照强度检测装置等，分别对环境中的温度、湿度、光照、流量等信息进行采集。利用测量变送单元将传感器采集到的设施农业环境信息转化为0~5V，0~10V或4~20mA信号。所述测量变送单元与调理电路之间设置有DIP拨动开关，采用拨动开关的作用：由于采集模块模拟量输出范围为电流为0～10mA(电压0～5V)或4～20mA(电压0～10V)，而单片机AD采样端口的输入电压最大为3.3V，因此设计时，必须保障AD采样端口的最大电压不超过3.3V；采集模块模拟量输入在0～10mA(电压0～5V)时，到AD采样端口的电压设计为3V，为了兼容4～20mA(电压0～10V)模拟量输入，采样电路需要做一下处理，即采用电阻分压，在0～10mA(电压0～5V)时，用拨动开关闭合；在4～20mA(电压0～10V)时，拨动断开，保证输入信号在0～5V。

转化的电流信号、电压信号由内部调理电路转化为0~10V电压信号，最终所有外部模拟输入的信号均以0~3.3V形式进入AD采集通道，经AD采集后，转换为0~65535数字量。Cortex M3 ARM7 CPU通过可配置的线性化参数，将0~65535的数据值转化成-20~120℃温度值、0~200000Lux光照值等。通讯端口RS232、RS484、CAN是为了满足不同用户对通讯接口的需要，也可以作为以后功能拓展使用。单总线通讯是对采样电路的扩展，如市场上比较常用的温度变送器DS18B20，就是采用单总线通讯方式；干接点、晶体管开关、高速脉冲计数端口是为了方便用户检测或控制外部设备，满足不同用户对开关量输入、输出的要求。

对于多信号采集采用拨码开关进行设置，调理电路采用差分运算电路，能有效抑制共模信号，有利于采样信号的长线传输，同时具有一定信号的隔离作用和提高抗干扰能力。对于开关输入量采用光耦隔离，提供系统可靠性。

如图5所示，主控单元是基于ARM Cortex-A8构建，具有1G DDR RAM，8G NAND FLASH，并设置有10寸TFT电容触摸式加固显示屏，分辨率达到1024*768。ARM Cortex-A8处理器流水线架构基于双对称的，顺序发射的，13级流水线，带有先进的动态分支预测，可实现2.0 DMIPS/MHz。满足高性能的嵌入式产品需求。8G NAND FLASH实现了数据的采集和长时间存储。10寸电容式加固显示屏满足在设施农业应用环境的温湿度变化大，光照强烈等特殊要求。

主控单元建立在嵌入式Linux2.6.35.7内核系统上，提供了基础驱动包括串行口、网络、3G通信、显示、触屏、U盘等。应用系统软件包括数据收集与共享、历史数据库、WEB Server、农业专家知识系统、远程预警模块、自主控制组态等。

监控装置的软件部分包括专家知识库、嵌入式监控系统软件包等单元，主要功能有图形化仿真监控、数据追溯性管理、工控软件接口、远程预警、多回路自动控制、数据采集、存储、查询、实时趋势分析与历史趋势、报警日志存储与查询、WEB发布、数据统计与分析等。软件应用Linux驱动、QT/E图形编程、Linux多线程编程、Sqlite嵌入式数据库、嵌入式Web等技术实现对设施农业中各种类型数据的采集、存储、图形显示、查询、分享等功能，同时提供数据追溯性管理接口、专家知识库、工控软件接口、远程预警等。

如图6所示，所述监控装置包括无线数据收发模块、实时数据库模块、历史数据库模块、对外数据接口模块以及自动控制模块。

所述历史数据库模块选用Sqlite或者Mysql数据库，历史数据库包括实时采集数据、操作记录、系统运行日志，以电平变化方式保存智能终端数据IO口的变化，按定时时间存储终端数据模拟口的数据变化。

自动控制模块实现对设施农业各分系统的自动控制，系统提供控制组态模块，提供控制脚本编辑功能，可更新、删除控制脚本。自主编辑控制脚本启动运行后，实现分系统的逻辑控制或基于PID的过程控制。

在传统的监控数据基础上，配合人工录入附加信号，以生产批次为基本组织单位，以RFID编码或其他追溯序号为查询条件，实现生产过程中的环境参数、土肥参数、人员、时间、施药、生长图片等等信息的统一管理，为食品安全性追溯提供数据保障。

本发明的监控装置具有很强的伸缩性，单套装置实现对小规模的设施农业生产过程中的全程监控，多套主控单元可以组网构建综合型监控系统。考虑到设置农业应用系统的低成本化要求，本装置实现了可伸缩、低成本化设计，环境监控装置中主控单元既可作为独立的监控一体化仪器使用，也可作为黑匣子组成中大型监控系统。提高系统的伸缩性，降低系统构建成本，拓展应用领域。

参照图7小型系统的构建，采用一个控制单元与多个智能终端无线连接，并使用各远程终端（PC\IPAD\手机）通过移动通信网或互联网实现对装置的远程访问，主控单元作为监控一体化仪器与智能终端构建成设施农业环境监控系统，具有独立的测、控、显示、管理、远程访问的能力，满足独栋温室、数据量不大的系统。

参照图8综合应用系统构建，采用多个不带显示屏的主控单元，作为纯黑匣子使用，通过对外数据接口与监控中心组成中大型网络系统，满足连栋温室和农业工厂的集中管控。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种多信息融合的设施农业生产过程监控装置，其特征在于，包括主控单元、ZIGBEE无线传输单元以及用于采集多种感知量和执行多种控制量的智能终端，主控单元与智能终端之间通过ZIGBEE无线传感网络进行连接，其中智能终端包括多信息采集模块和功能执行模块，所述多信息采集模块包括信号调理电路和A/D转换器，所述A/D转换器的信号输出端连接智能终端的信号采集端口。

2.根据权利要求1所述的监控装置，其特征在于，所述ZIGBEE无线传输单元包括CC2530和RFX2401C，所述CC2530连接通讯接口，RFX2401C通过IPX天线接口连接用于收发信号的2.4G天线。

3.根据权利要求1所述的监控装置，其特征在于，所述主控单元建立在Cortex A8基础上，具有1G主频，1G DDR RAM，8G NAND FLASH，包括TFT电容式加固显示屏，所述ARM Cortex-A8处理器流水线架构基于双对称的，顺序发射的，13级流水线，带有先进的动态分支预测，可实现2.0 DMIPS/MHz。

4.根据权利要求3所述的监控装置，其特征在于，所述主控单元建立在嵌入式Linux2.6.35.7内核系统上，设置有基础驱动，该基础驱动包括串行口、网络、3G通信、显示、触屏以及U盘，所述主控单元的应用系统软件包括数据收集与共享、历史数据库、WEB Server、农业专家知识系统、远程预警模块、自主控制组态、数据可追溯管理接口。

5.根据权利要求1所述的监控装置，其特征在于，所述监控装置还包括无线数据收发模块、实时数据库模块、历史数据库模块、对外数据接口模块以及自动控制模块。

6.根据权利要求5所述的监控装置，其特征在于，所述无线数据收发模块通过ZIGBEE硬件接口，收集无线传感网络上各智能终端采集数据，解析、汇总，将控制指令下发到各终端。

7.根据权利要求5所述的监控装置，其特征在于，所述实时数据库模块对所有智能终端的同一类型测控量进行统一编址，统一编址后的地址与ZIGBEE节点地址对应的测控量进行地址映射，任何数据更新和控制量变化将在实时数据库中反应。

8.根据权利要求5所述的监控装置，其特征在于，所述历史数据库模块选用Sqlite或者Mysql数据库，历史数据库包括实时采集数据、操作记录、系统运行日志，专家知识，以电平变化方式保存智能终端离散数据的变化，定时存储终端数据模拟口的数据变化。

9.根据权利要求5所述的监控装置，其特征在于，所述外数据接口模块包括远程预警接口、3G数据服务接口、网络数据服务和工控软件接口；

其中远程预警接口分为报警值设置和短信预警两部分，报警值设置单元可以对系统关注的开关量状态，模拟量的阀值自行组态报警值，系统运行时自动监控各采集量，出现预设状态时，打包发送当前的状态量和预设报警提示信息；3G数据服务接口，提供通过移动3G网络的远程数据访问，使用各远程终端通过移动通信网或互联网实现对装置的远程访问；网络数据服务接入本地局域网，实现与局域网监控中心机的数据共享；工控软件接口，提供工控组态软件接口，利用国产或国外的工控组态软件实现对装置的数据收发。

10.根据权利要求1所述的监控装置，其特征在于，所述主控单元还设有数据可追溯性接口，该数据可追溯性接配合人工录入附加信号，以生产批次为基本组织单位，以RFID编码或其他追溯序号为查询条件，实现生产过程中的环境参数、土肥参数、人员、时间、施药、生长图片等等信息的统一管理。