CN105549566A - 远程农业信息智能分析系统及农业环境调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种远程农业信息智能分析系统及农业环境调控方法，包括依次连接的上位机、第一无线网络设备、智能监控车以及？Zigbee？节点通信模块；所述上位机，通过第一无线网络设备对智能监控车发送控制指令，接收并存储智能监控车采集的数据或信息；所述第一无线网络设备，用于连接互联网，并发射无线网络信号；所述智能监控车，通过第一无线网络设备接收上位机的控制指令自动巡逻农场或采集农场数据，并将数据发送至上位机。本发明基于包含因特网、3G？移动网等公共网络来建设中央管理的农业信息智能分析系统的方案，有效的利用了公共网络提供给农业生产人员远程的农业信息收集和操作的功能，提高了农业生产的效率，减少了管理劳动强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种远程农业信息智能分析系统及农业环境调控方法。
背景技术
无线传感器网络(WirelessSensorNetworks，WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的产生和发展。
ZigBee是一组基于IEE802.15.4的无线通信协议，它是一种短距离、低功耗的无线通信技术，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技术在ZigBee联盟和IEEE802.15.4的推动下，结合其他无线技术，可以实现无所不在的网络。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。
传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备，主要依靠人力监测作物的生长状况。随着农业信息化进程的开展，很多新兴的信息技术在农业领域都得到了广泛的应用，首先，基于农业管理系统的结构和特点，针对其难以安装、维护和调整的缺点，基于无线技术无需布线等方面的优势，选择蓝牙(bluetooth)技术设计了无线温室环境信息采集系统，利用蓝牙技术可以解决传统温室现场布线繁琐等问题，成为无线技术很好的应用方向，但蓝牙技术发展数年，一直受到芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。而随着现代无线传感器网络的产生和发展以及ZigBee的兴起，农业必然将逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来进行农业生产。传感器将可以收集包括土壤湿度、氮浓度、pH值、降水量、温度、空气湿度和气压等信息，这些信息和采集信息的地理位置经由Zigbee网络传送到中央控制设备，便能够及早而且准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。
今天，农业信息工作全面启动，″金农工程″、″企业上网″、863在农业的应用等都离不开数据库建设，计算机和网络的普及，给农业产业升级带来机遇，电脑知识和网络技术的普及将有力推进农业信息化。数据库随着网络的普及，应用领域在不断扩大，企业管理、信息传播等都离不开数据库的默默支持，组建一个成功的数据库能有效推进一个企业走向成功，对国家来讲，建立一系列完整的农业数据库对实现资源的高度共享，创造一个良好有序的生产生活环境，促进国家的经济繁荣和发展意义深远，对农业来讲，实现信息共享，促进生产和流通的有序进行，加快成果的研究和转化步伐。
虽然国内在农业智能信息化方面已经做了很多研究并且有了一些很好的实际应用，2008年浙江大学提出基于ZigBee无线传感器网络的温室环境监控系统研究，同一年南京大学提出基于ZigBee网络与嵌入式3S技术的农田信息监测系统的研究，但这些并未真正意义上实现农业的自动化智能管理。而针对远程智能调控农业现场环境以及将农业数据库与农业智能管理结合的的研究和实现并未见报道。200710156210.X号发明专利公开了一种基于ZigBee的无线传感器网络的温室环境监测系统。该系统分为整个温室群和单个温室内两个层次，单个温室内给予ZigBee星型网络的监控网和整个温室群基于ZigBee网状结构的监控网，系统包括可任意布置的无线传感器节点、用于驱动温室内执行机构的无线执行器驱动节点；用于管理本地温室内的无线节点并兼具中继功能的温室无线路由节点、用于收集温室群的环境数据以实现对所有温室管理的温室无线中央控制器。其缺点是：1.此发明只能对温室环境实施监控，不能远程根据温室环境自动的进行调整，温室自动化管理程度不高。2.此发明针对温室设计，不适于复杂多变的农业生产领域。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种基于无线通信技术的农业环境智能分析系统，构造一套低成本、便于安装、灵活部署、智能化的大型农业无线传感器监控网络，以避免传统有线方式采集点布置困难、系统成本高、安装维护难度大的问题。
技术方案：本发明所述的一种远程农业信息智能分析系统，包括上位机、第一无线网络设备、智能监控车以及包含环境传感器的Zigbee节点通信模块；
所述上位机，通过第一无线网络设备对智能监控车发送控制指令，接收并存储智能监控车采集的数据或信息；
所述第一无线网络设备，用于连接Internet，并发射无线网络信号；
所述智能监控车，通过第一无线网络设备接收上位机的控制指令自动巡逻农场和采集农场的数据或信息，并将数据或信息发送至上位机，包括用于环境传感、超声波测距以及GPS定位的Arduino微控制器和用于控制视频传输、车辆行驶以及继电器工作的单片机微控制器；
所述Zigbee节点通信模块，用于对智能监控车行驶范围之外的区域进行测量；
所述智能监控车还包括第二无线网络设备、Arduino以太网服务器和Zigbee网关通信模块，所述Arduino微控制器通过Arduino以太网服务器连接第二无线网络设备，所述单片机微控制器连接第二无线网络设备，所述第二无线网络设备与第一无线网络设备之间采用桥接方式连接，所述Zigbee网关通信模块连接单片机微控制器并与Zigbee节点通信模块进行无线级联；
所述智能监控车还包括环境传感模块、超声波测距模块、GPS模块、陀螺仪模块、摄像头模块及继电器模块；所述环境传感模块、超声波测距模块、GPS模块和陀螺仪模块分别连接Arduino微控制器，所述摄像头模块和继电器模块分别连接单片机微控制器。
进一步的，所述环境传感模块包括光强传感器、温度传感器和土壤湿度传感器。
进一步的，所述第一无线网络设备与第二无线网络设备为WIFI无线路由器或3G网卡。
进一步的，所述上位机为监控室和客户端的PC机/手机。
进一步的，所述监控室的PC机/手机与第一无线网络设备信号连接。
进一步的，所述客户端的PC机/手机通过Internet与第一无线网络设备连接。
进一步的，所述智能监控车还包括GSM模块，所述GSM模块连接单片机微控制器，客户端的手机通过GSM模块以短信方式控制智能监控车。
进一步的，所述GSM模块连接有语音识别模块，所述语音识别模块同时连接单片机微控制器，手机通过GSM模块和语音识别模块以电话方式控制智能监控车。
本发明还公开了上述一种远程农业信息智能分析系统对农业环境的调控方法，包括如下步骤：
1)在农业现场安装部署智能监控车，在监控中心配置上位机、第一无线网络设备；
2)在监控中心的控制器智能控制页面初始化调控规则；
3)开启系统智能调控；
4)上位机定时将环境传感模块采集的农业环境信息上传到数据中心，与此同时系统定时遍历一次调控规则列表，找出每条规则与之相关的农业信息属性门限值，然后与监控中心获得的传感器最新采集的农业环境信息进行比较，如果符合满足调控规则的条件，则将获得与此条调控规则相关的控制器信息以及控制器要采取的调控操作，然后在配置文件中获得控制器的地址，形成控制信息，再通过网络向有关控制器发送控制指令；
5)控制器执行控制指令。
进一步的，步骤2）中在系统控制页面中可以从专家数据库中选择适合用户自身的种植模式或自定义的种植模式，如果选择了专家数据库中的种植模式，系统进行智能调控时将依据选择的模式进行调控。
有益效果：本发明基于包含因特网、3G移动网等公共网络来建设中央管理的农业信息智能分析系统的方案，有效的利用了公共网络提供给农业生产人员远程的农业信息收集和操作的功能，提高了农业生产的效率，减少了管理劳动强度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明农场监控软件控制智能监控车的示意图。
图3为本发明网页控制智能监控车的示意图。
图4为本发明微博发布状态的实现示意图。
图5为本发明微博控制智能监控车的示意图。
图6为本发明电话、短信方式控制智能监控车的示意图。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，本实施例包括上位机1、第一无线网络设备2、智能监控车3以及包含环境传感器的Zigbee节点通信模块4；
所述智能监控车3包括Arduino微控制器3-1、单片机微控制器3-2、第二无线网络设备3-3、Arduino以太网服务器3-4、Zigbee网关通信模块3-5、环境传感模块3-6、超声波测距模块3-7、GPS模块3-8、陀螺仪模块3-9、摄像头模块3-10、继电器模块3-11、3G模块3-12和语音识别模块3-13；
所述Arduino微控制器3-1通过Arduino以太网服务器3-4与第二无线网络设备3-3连接，所述单片机微控制器3-2连接第二无线网络设备3-3，所述环境传感模块3-6、超声波测距模块3-7、GPS模块3-8和陀螺仪模块3-9分别连接Arduino微控制器3-1，所述Zigbee网关通信模块3-5、摄像头模块3-10、继电器模块3-11、GSM模块3-12和语音识别模块3-13分别连接单片机微控制器3-2，GSM模块3-12和语音识别模块3-13之间进行级联，Zigbee网关通信模块3-5与Zigbee节点通信模块4进行级联，所述Zigbee节点通信模块4设置在智能监控车行驶范围之外的区域，当智能监控车3行驶到Zigbee节点通信模块4所在节点附近时，Zigbee网关通信模块3-5才会开始收集Zigbee节点通信模块4所在环境的传感数据。
所述上位机1包括有监控室和客户端的PC机、Android手机，PC机和手机与第一无线网络设备2信号连接，所述第一无线网络设备2与第二无线网络设备3-3为WIFI无线路由器，它们之间采用桥接方式连接，所述单片机微控制器3-2采用STC90C52芯片，所述Arduino微控制器3-1采用ArduinoMEGA2560，所述Arduino以太网服务器3-4采用的是ArduinoEthernetW5100，所述GSM模块3-12采用TC-35芯片，所述语音识别模块3-13采用ASRM08-A芯片，所述Zigbee网关通信模块3-5和Zigbee节点通信模块4采用TICC2530芯片，所述GPS模块3-8采用ArduinoGPSShield，所述环境传感模块3-6包括光强传感器、温度传感器和土壤湿度传感器。
如图2所示，在PC机和手机上安装农场监控软件，农场监控软件利用第一无线路由器发射的无线网络信号对智能监控车上的第二无线路由器进行TCP/IP的传输，由于两台无线路由器以桥接形式工作，所以使用WIFI网络，整个WIFI无线网就是一个大型局域网，控制指令通过两台无线路由器进行传输，当到达单片机微控制器后，由单片机微控制器控制电机驱动智能监控车行驶。
视频传输中，摄像头模块以帧为单位采集图像数据，将数据传输到单片机微控制器后，由单片机微控制器进行图像压缩编码，利用无线路由器作为http服务器，然后传输到该http服务器上，这样所有连入局域网的PC机和手机都可以看到该监控视频。而PC机端和手机端的监控软件可以不断对该http服务器进行快速刷新，从而得到视频的效果，其帧速约在10帧/秒。
农场监控软件对智能监控车进行控制时，可以选择进入自动巡逻模式，或进入手动控制模式。
智能监控车的自动巡逻模式，通过GPS模块与陀螺仪模块辅助定位进行惯性导航，适用于各种情况下的路面环境。当工作在自动巡逻模式时，监控车会按照在监控软件中预设的路线进行自动巡航，并且在设定的环境监测节点利用环境传感器对环境参量进行采集，并由无线路由器发到PC机和手机，这样每个节点在一次巡逻的中就会更新一次环境参量，从而达到环境节点的监测效果。此时摄像头模块默认不启动以节能，可通过手工启动。
智能监控车的手动控制模式包括以下两种：
半自动行驶，即点击希望监控车到达的目的地，监控车便自动行驶至点击地点，其实现方法是：将各个节点抽象成坐标，在Arduino以太网服务器上存储监控车当前位置坐标，且通过无线路由器连上农场内覆盖的WIFI信号，点击目的地即将目的地坐标发至Arduino微控制器，然后判断监控车行走方向，先进行横坐标的移动，再进行纵坐标的移动。
手动驾驶，画面上显示上、下、左、右和停止五个按钮，按下按钮时监控车做出相应动作，用于微调监控车位置，其实现方法是：监控车的Arduino以太网服务器通过无线路由器连上农场内覆盖的WIFI信号，检测到哪个按钮被按下时，调用相应函数。
上述一种远程农业信息智能分析系统对农业环境的调控方法，包括如下步骤：
1)在农业现场安装部署智能监控车，在监控中心配置上位机、第一无线网络设备；
2)在监控中心的控制器智能控制页面初始化调控规则；
3)开启系统智能调控；
4)上位机定时将环境传感模块采集的农业环境信息上传到数据中心，与此同时系统定时遍历一次调控规则列表，找出每条规则与之相关的农业信息属性门限值，然后与监控中心获得的传感器最新采集的农业环境信息进行比较，如果符合满足调控规则的条件，则将获得与此条调控规则相关的控制器信息以及控制器要采取的调控操作，然后在配置文件中获得控制器的地址，形成控制信息，再通过网络向有关控制器发送控制指令；
5)控制器执行控制指令。
进一步的，步骤2）中在系统控制页面中可以从专家数据库中选择适合用户自身的种植模式或自定义的种植模式，如果选择了专家数据库中的种植模式，系统进行智能调控时将依据选择的模式进行调控。
实施例2：
如图3所示，PC机和手机通过无线路由器访问智能监控车的Arduino以太网服务器，在Arduino以太网服务器上建立监控平台，通过在PC机或手机的浏览器登陆该监控平台，输入帐号和密码后即可看见主页面，可点击选择进入自动控制页面，或进入手动控制页面，通过任一种页面控制监控车；而Arduino微控制器收集传感器数据，将数据存储在Arduino以太网服务器通过WIFI网络，以网页的形式回显到PC机或手机上，当PC机或手机的浏览器访问服务器网址，便可看到实时监测数据。
实施例3：
在上述实施例2的网页控制中，在主页面中选择点击进入自动控制页面，页面上有一个“发微博”的按钮，点击即可将附带监控车自身位置的信息发布到微博上。
如图4所示，Arduino以太网服务器通过发布一定格式的消息，以ROM内存存储好的微博帐号密码的名义，将特定信息发送至SAE服务器，然后SAE服务器通过自制的APP连接到微博公开的API接口，实现发布状态功能。
如图5所示，使用指定微博发布一条控制信息，信息内需要包含控制字符串，并且一下监控车的微博，即可实现控制功能，其实现方法是：Arduino以太网服务器每隔一定时间会检测自身帐号的被到的状态，若检测到有，会进一步检测发布此消息的帐号的UID信息，若是指定帐号，则再进一步检测消息内是否包含控制字符串，若有则执行相应动作，否则不予理会。若按被内容执行了命令之后，则会将这条到自己的消息进行转发，以此提醒发起命令的账户动作已完成。
实施例4：
若用户所在地上网信号差、没有GPRS信号覆盖或流量用完时，可通过手机短信或电话的方式实现控制与交互，如图6所示，将GSM模块置成自动接听模式，GSM模块的音频输入端和输出端分别接语音识别模块的输出端和输入端。音频信息由GSM模块SPK接口输出，输入到语音识别模块的MIC接口，然后进行处理，处理结果由串口以编码形式输入到单片机微控制器的输入端，单片机微控制器收到信息处理后，直接对GSM模块作出响应。比如当监控车在节点A时，手机拨通电话，并说“报告位置”，则听到“我在节点A，请指示”。
GSM模块和语音识别模块，这两个模块设置的主要目的是增加用户与农场交互的方法，提高农场交互与农场管理的效率。GSM模块在其中承担的只要是交互与预警的功能，预警功能主要是当节点环境数据异常时，通过短信形式向用户进行报警，例如设定B节点的温度为50度，当B节点温度超过50度GSM模块就会自动向用户发送短信。
GSM模块、单片机微控制器以及语音识别模块的硬件连接方式为：GSM模块和语音识别模块均与单片机微控制器相连，同时GSM模块也与语音识别模块进行连接。GSM模块也与语音识别模块的连接可以让电话拨入的语音信号传输到语音识别模块，并通过语音识别模块的语音合成功能对其进行响应，实现电话控制与交互。而短信控制与交互则是通过GSM模块与单片机微控制器所实现的。
以上所述，仅为本发明优选的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种远程农业信息智能分析系统，其特征在于：包括上位机（1）、第一无线网络设备（2）、智能监控车（3）以及包含环境传感器的Zigbee节点通信模块（4）；
所述上位机（1），通过第一无线网络设备（2）对智能监控车（3）发送控制指令，接收并存储智能监控车（3）采集的数据或信息；
所述第一无线网络设备（2），用于连接Internet，并发射无线网络信号；
所述智能监控车（3），通过第一无线网络设备（2）接收上位机（1）的控制指令自动巡逻农场和采集农场的数据或信息，并将数据或信息发送至上位机（1），包括用于环境传感、超声波测距以及GPS定位的Arduino微控制器（3-1）和用于控制视频传输、车辆行驶以及继电器工作的单片机微控制器（3-2）；
所述Zigbee节点通信模块（4），用于对智能监控车（3）行驶范围之外的区域进行测量；
所述智能监控车（3）还包括第二无线网络设备（3-3）、Arduino以太网服务器（3-4）和Zigbee网关通信模块（3-5），所述Arduino微控制器（3-1）通过Arduino以太网服务器（3-4）连接第二无线网络设备（3-3），所述单片机微控制器（3-2）连接第二无线网络设备（3-3），所述第二无线网络设备（3-3）与第一无线网络设备（2）之间采用桥接方式连接，所述Zigbee网关通信模块（3-5）连接单片机微控制器（3-2）并与Zigbee节点通信模块（4）进行无线级联；
所述智能监控车（3）还包括环境传感模块（3-6）、超声波测距模块（3-7）、GPS模块（3-8）、陀螺仪模块（3-9）、摄像头模块（3-10）及继电器模块（3-11）；所述环境传感模块（3-6）、超声波测距模块（3-7）、GPS模块（3-8）和陀螺仪模块（3-9）分别连接Arduino微控制器（3-1），所述摄像头模块（3-10）和继电器模块（3-11）分别连接单片机微控制器（3-2）。
2.根据权利要求1所述的一种远程农业信息智能分析系统，其特征在于：所述环境传感模块（3-6）包括光强传感器、温度传感器和土壤湿度传感器。
3.根据权利要求1所述的一种远程农业信息智能分析系统，其特征在于：所述第一无线网络设备（2）与第二无线网络设备（3-3）为WIFI无线路由器或3G网卡。
4.根据权利要求1所述的一种远程农业信息智能分析系统，其特征在于：所述上位机（1）为监控室和客户端的PC机/手机。
5.根据权利要求1所述的一种远程农业信息智能分析系统，其特征在于：所述监控室的PC机/手机与第一无线网络设备（2）信号连接。
6.根据权利要求1所述的一种远程农业信息智能分析系统，其特征在于：所述客户端的PC机/手机通过Internet与第一无线网络设备（2）连接。
7.根据权利要求1所述的一种远程农业信息智能分析系统，其特征在于：所述智能监控车（3）还包括GSM模块（3-12），所述GSM模块（3-12）连接单片机微控制器（3-2），客户端的手机通过GSM模块（3-12）以短信方式控制智能监控车（3）。
8.根据权利要求1所述的一种远程农业信息智能分析系统，其特征在于：所述GSM模块（3-12）连接有语音识别模块（3-13），所述语音识别模块（3-13）同时连接单片机微控制器（3-2），手机通过GSM模块（3-12）和语音识别模块（3-13）以电话方式控制智能监控车（3）。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种远程农业信息智能分析系统对农业环境的调控方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)在农业现场安装部署智能监控车，在监控中心配置上位机、第一无线网络设备；
2)在监控中心的控制器智能控制页面初始化调控规则；
3)开启系统智能调控；
4)上位机定时将环境传感模块采集的农业环境信息上传到数据中心，与此同时系统定时遍历一次调控规则列表，找出每条规则与之相关的农业信息属性门限值，然后与监控中心获得的传感器最新采集的农业环境信息进行比较，如果符合满足调控规则的条件，则将获得与此条调控规则相关的控制器信息以及控制器要采取的调控操作，然后在配置文件中获得控制器的地址，形成控制信息，再通过网络向有关控制器发送控制指令；
5)控制器执行控制指令。
10.根据权利要求9所述的一种远程农业信息智能分析系统对农业环境的调控方法，其特征在于：步骤2）中在系统控制页面中可以从专家数据库中选择适合用户自身的种植模式或自定义的种植模式，如果选择了专家数据库中的种植模式，系统进行智能调控时将依据选择的模式进行调控。
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