CN105843147B - 一种智慧农业监控管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种智慧农业监控管理系统，包括云计算监控平台、便携式监控终端、前置接入单元、图像获取单元、多个汇聚节点、多个自动化控制节点、以及多个传感器节点，所述云计算监控平台具备多种参数联合处理功能，提高了智能调控的速度和精度；另外，由于前置接入单元的设置，不仅实现了传统的数据转发功能，而且对接收的数据可以进行预处理，降低了后续数据分析的复杂度和延迟，以及大大降低了整个传感网络能源消耗。
Description
技术领域
本发明涉及农业信息化领域，尤其涉及一种智慧农业监控管理系统。
背景技术
所谓“智慧农业”就是充分应用现代信息技术成果，集成应用计算机与网络技术、物联网技术、音视频技术、3S技术、无线通信技术及专家智慧与知识，实现农业可视化远程诊断、远程控制、灾变预警等智能管理。智慧农业是农业生产的高级阶段，是集新兴的互联网、移动互联网、云计算和物联网技术为一体，依托部署在农业生产现场的各种传感节点(环境温湿度、土壤水分、二氧化碳、图像等)和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析、专家在线指导，为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策。
“智慧农业”是云计算、传感网、3S等多种信息技术在农业中综合、全面的应用，实现更完备的信息化基础支撑、更透彻的农业信息感知、更集中的数据资源、更广泛的互联互通、更深入的智能控制、更贴心的公众服务。“智慧农业”与现代生物技术、种植技术等高新技术融合于一体，对建设世界水平农业具有重要意义。
农业生产具有季节性的特点，温室大棚可以帮助克服农业生产的季节性，提高农业生产效率。温室大棚内影响农作物生长的环境因素有温度、湿度、光照和空气流通情况等。为了达到农业生产的效率化、优质化，对上述各种环境参数的量化控制很重要。目前的温室大棚环境控制装置以手动控制为主，且仅能对部分参数进行控制，需要人凭借自己的生产经验来对各种执行器进行控制，并需要人走进温室或者控制设备周围手动开启设备，不能对温室大棚的环境参数进行遥测遥控，满足不了农业生产技术信息化、网络化的要求，自动化程度低、控温性能差。
近年来，随着电子技术、信息技术的蓬勃发展与广泛应用，农业温室技术也在向自动化、信息化方向发展。温度、湿度监控技术已经在农业大棚、畜牧业和食品加工业等领域得到了广泛的应用。无线传感器网络集传感器技术、微机电系统技术、嵌入式计算技术、无线通信技术和分布式信息处理技术于一体，因其广阔的应用前景而成为当今世界上备受关注的、多学科高度交叉的热点研究领域。国外很早便将无线传感器技术引入到农业生产包括温室管理中。
目前，基于传感器技术的单点采样方式虽具有精细探测农田信息的能力，但存在监测范围小、监测指标单一、监测时间不连续等缺点，无法为大棚作物精确管理提供实时信息；基于传感器技术的有线网络采样方式虽然具备大规模监测能力，但需要在农田铺设大量的线路，尤其在采样点多而分散的情况下，线路铺设成本高，可靠性低；而且农田一般远离监测中心，架设通信线路成本高、维护难度大，使得数据低成本、可靠地远程传输成为瓶颈。另外，对于采用无线方式搭建的传感器网络，会存在由于网络拓扑规划不合理导致的功耗和时延增大，从而导致不能满足温室环境无线检测与控制的要求。
另外，温室内各环境因子分布不均，具有非线性、时变性、大惯性和大滞后且相互耦合的特性，各环境因子的控制也并不完全独立。温度升高的同时湿度降低，湿度增大的时候温度要下降，对一个因子按给定设定值进行控制时，总会引起另一因子的变化。因此现有的控制方案难以达到自动控制的目的，更无法保证控制的速度与精度，难以达到满意的控制效果。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
根据本发明的实施方式，提出一种智慧农业监控管理系统，所述系统包括云计算监控平台、便携式监控终端、前置接入单元、图像获取单元、多个汇聚节点、多个自动化控制节点、以及多个传感器节点，所述云计算监控平台通过无线方式分别连接前置接入单元和便携式监控终端，所述前置接入单元连接图像获取单元、多个汇聚节点和多个自动化控制节点，所述汇聚节点连接多个传感器节点。
根据本发明的实施方式，所述传感器节点用于采集周围信息，所述传感器节点包括：温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、风速传感器、风向传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器；所述温度传感器获取大棚内的温度参数，所述湿度传感器获取大棚内的湿度参数，所述光照传感器获取大棚内的光照参数，所述二氧化碳传感器获取大棚内的二氧化碳浓度参数，所述风速传感器用于获取大棚外的风速参数，所述风向传感器用于获取大棚外的风向参数，所述土壤温度传感器用于获取大棚内土壤的温度参数，所述土壤湿度传感器用于获取大棚内土壤中的湿度参数。
根据本发明的实施方式，所述前置接入单元分别接收来自多个汇聚节点的采集数据和来自图像获取单元的实时图像信息，并且对所述采集数据和实时图像信息进行预处理后发送至云计算监控平台；以及接收来自云计算监控平台的自动化操作指令并发送至自动化控制节点。
根据本发明的实施方式，所述云计算监控平台接收前置接入单元发送的采集数据和图像信息，进行存储和解析，并根据解析结果生成自动化操作指令。
根据本发明的实施方式，所述云计算监控平台包括远程无线通信单元、数据记录单元、大数据联合处理单元、以及辅助处理单元，所述远程无线通信单元连接数据记录单元，所述数据记录单元依次连接大数据联合处理单元和辅助处理单元，所述大数据联合处理单元和辅助处理单元还连接远程无线通信单元。
根据本发明的实施方式，所述大数据联合处理单元对接收到的数据进行协议解析、异常值判断，并根据判断结果生成对应的自动化操作指令或报警信息，然后将操作指令发送至自动化控制节点，将报警信息发送至便携式监控终端。
根据本发明的实施方式，所述前置接入单元包括远程接入单元、网络拓扑建立单元、管理指令解析单元和用于供电的电源单元；其中：
所述远程接入单元，用于管理远程接入，实现大棚环境下作物生长及环境信息、图像信息的收集与传输，以及云计算监控平台指令的接收；
所述网络拓扑建立单元，根据云计算监控平台的节点部署动态调整单元的部署调整指令，采用Zigbee技术建立并管理作物生长及环境信息无线采集网络；以及
所述管理指令解析单元，对云计算监控平台发送的指令进行解析，并将解析后的指令转发至图像获取单元、多个汇聚节点、多个自动化控制节点。
根据本发明的实施方式，所述前置接入单元还包括节能控制单元，用以通过休眠的方式实现系统的节能控制。
根据本发明的实施方式，所述前置接入单元还包括数据预处理单元，用于对从多种传感器节点接收的多种格式的数据进行预处理。
根据本发明的实施方式，所述前置接入单元还包括图像预处理单元，用于对从图像获取单元获取的图像数据进行预处理。
本发明的优点在于：提出一种智慧农业监控管理系统，包括云计算监控平台、便携式监控终端、前置接入单元、图像获取单元、多个汇聚节点、多个自动化控制节点、以及多个传感器节点，所述云计算监控平台具备多种参数联合处理功能，提高了智能调控的速度和精度；另外，由于前置接入单元的设置，不仅实现了传统的数据转发功能，而且对接收的数据可以进行预处理，降低了后续数据分析的复杂度和延迟，以及大大降低了整个传感网络能源消耗。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1示出了根据本发明实施方式的智慧农业监控管理系统结构示意图；
附图2示出了根据本发明实施方式的云计算监控平台结构示意图；
附图3示出了根据本发明实施方式的前置接入单元结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
根据本发明的实施方式，提出一种智慧农业监控管理系统，如附图1所示，所述系统包括云计算监控平台、便携式监控终端、前置接入单元、图像获取单元、多个汇聚节点、多个自动化控制节点、以及多个传感器节点，所述云计算监控平台通过无线方式分别连接前置接入单元和便携式监控终端，所述前置接入单元连接图像获取单元、多个汇聚节点和多个自动化控制节点，所述汇聚节点连接多个传感器节点，其中，
所述传感器节点用于采集周围信息，所述传感器节点包括：温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、风速传感器、风向传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器；所述温度传感器获取大棚内的温度参数，所述湿度传感器获取大棚内的湿度参数，所述光照传感器获取大棚内的光照参数，所述二氧化碳传感器获取大棚内的二氧化碳浓度参数，所述风速传感器用于获取大棚外的风速参数，所述风向传感器用于获取大棚外的风向参数，所述土壤温度传感器用于获取大棚内土壤的温度参数，所述土壤湿度传感器用于获取大棚内土壤中的湿度参数；上述传感器均为多个，分别设置于大棚的多个位置；
所述汇聚节点为多个，分别设置于大棚的不同位置，每个位置范围内，一个汇聚节点对应多个传感器节点，所述汇聚节点接收来自多个传感器的采集数据，并且接收前置接入单元发送的数据采集指令；
所述图像获取单元用于获取大棚内不同区域的实时图像信息；
所述前置接入单元分别接收来自多个汇聚节点的采集数据和来自图像获取单元的实时图像信息，并且对所述采集数据和实时图像信息进行预处理后发送至云计算监控平台；以及接收来自云计算监控平台的自动化操作指令并发送至自动化控制节点；
所述云计算监控平台接收前置接入单元发送的采集数据和图像信息，进行存储和解析，并根据解析结果生成自动化操作指令；
所述便携式监控终端用于向云计算监控平台发送查询和控制指令；以及
所述自动化控制节点根据云计算监控平台发送的自动化操作指令，控制大棚内机械设备执行相应的调节动作。
根据本发明的实施方式，如附图2所示，所述云计算监控平台包括远程无线通信单元、数据记录单元、大数据联合处理单元、以及辅助处理单元，所述远程无线通信单元连接数据记录单元，所述数据记录单元依次连接大数据联合处理单元和辅助处理单元，所述大数据联合处理单元和辅助处理单元还连接远程无线通信单元；其中，
所述远程无线通信单元通过无线方式连接前置接入单元和便携式监控终端，远程接收不同农业大棚的前置接入单元发来的数据，并向前置接入单元发送操作指令；以及，所述远程无线通信单元还通过无线方式连接便携式监控终端，用于接收便携式监控终端发送的查询或操作指令。
根据本发明的优选实施方式，所述无线方式是WLAN通信模式。
所述数据记录单元包括云备份存储单元、缓存单元、采集类别单元、节点信息单元、用户鉴权单元；其中：
所述云备份存储单元用于存放大棚的各传感器节点通过前置接入单元发送至云计算监控平台的所有数据；
所述缓存单元用于存放大棚的各传感器节点通过前置接入单元发送至云计算监控平台的最近一次采集数据；
所述采集类别单元用于记录作物生长及环境信息各传感器节点的采集类别以及各种采集类别的数值范围；
所述节点信息单元用于记录大棚的各传感器节点的标识信息、位置信息、部署时间；
所述用户鉴权单元用于记录用户登录平台所需的账号和密码信息。
所述大数据联合处理单元对接收到的数据进行协议解析、异常值判断，并根据判断结果生成对应的自动化操作指令或报警信息，然后将操作指令发送至自动化控制节点，将报警信息发送至便携式监控终端。
所述大数据联合处理单元针对多个传感器参数进行联合分析，具体包括：
(1)建立植物生长各阶段的各参数标准曲线模型，包括温度、湿度、风速、风向、光照以及二氧化碳；
(2)采用迭代算法计算各参数单独变化时，其他参数的变化范围，形成参数变化查找表，即某一参数变化，会引起其他参数如何变化，如果想对一个参数进行调节，而不想其他参数也随之变动，则需要根据上述变化范围进行相应的联动调节；
(3)接收到各传感器节点传来的温度、湿度、风速、风向、光照、二氧化碳数值，根据上述数值绘制详细的环境参数曲线图，并与参数标准曲线模型进行比对，并结合参数变化查找表查找某一参数变化对其他环境参数的影响，并根据该影响确定各参数联动调节的范围。
根据本发明的大数据联合处理单元，可以实现多种传感参数的联合分析和联动调节，提高了智能调控的速度和精度。
所述辅助处理单元包括：节点部署动态调整单元、实时交互单元、硬件管理单元、数据响应单元以及基础信息管理单元；其中：
所述节点部署动态调整单元用来部署大棚无线传感网络节点，并以三维地图方式显示；
所述实时交互单元用于显示大棚无线传感网络采集的各种数据；
所述硬件管理单元用于服务器发送控制命令，对大棚的各传感器节点进行启动控制，同时还提供输入接口，对大棚的各传感器节点的信息、采集频率进行设置；
所述数据响应单元用于提供云计算监控平台存储数据的查询、导出和分析；
所述基础信息管理单元用于设置基础参数，包括基本设置、用户信息管理、设备管理。
根据本发明的实施方式，如附图3所示，所述前置接入单元包括远程接入单元、网络拓扑建立单元、管理指令解析单元和用于供电的电源单元；其中：
所述远程接入单元，用于管理远程接入，实现大棚环境下作物生长及环境信息、图像信息的收集与传输，以及云计算监控平台指令的接收；
所述网络拓扑建立单元，根据云计算监控平台的节点部署动态调整单元的部署调整指令，采用Zigbee技术建立并管理作物生长及环境信息无线采集网络；以及
所述管理指令解析单元，对云计算监控平台发送的指令进行解析，并将解析后的指令转发至图像获取单元、多个汇聚节点、多个自动化控制节点。
根据本发明的优选实施方式，所述前置接入单元还包括节能控制单元，用以通过休眠的方式实现系统的节能控制，具体包括：
(1)所述节能控制单元监听各个传感器节点信号强度，依据信号强度最大值原则，在每种传感器节点中筛选出1个工作节点，其余节点进入休眠状态；
(2)筛选出工作节点在每个工作周期，定时向前置接入单元发送采集数据；前置接入单元收集到工作节点的数据，与上一个周期数据进行差值，若差值结果没有超过前置接入单元设定的预设值，前置接入单元预测休眠节点采集数据；若差值结果超过前置接入单元设定的预设值，则前置接入单元向采集网络休眠节点发出激活命令，各节点采集作物生长及环境信息发送至前置接入单元；
(3)根据各节点信号强度，用信号强度最大值原则，转换工作节点，其余节点进入休眠状态；重复上述过程，直至遍历无线采集网络中所有传感器节点。
其中，前置接入单元预测休眠节点采集数据具体包括：
根据传感器节点初始发送的N帧(N≦4)采集数据，构建一阶叠加序列；构建叠加序列的紧邻平均值生成序列；构建一阶单变量模型，用最小二乘法进行参数估计得到模型参数的求解；求解原始序列的模型，求得休眠节点预测数据。
根据本发明的优选实施方式，所述前置接入单元还包括数据预处理单元，用于对从多种传感器节点接收的多种格式的数据进行预处理，具体包括：
(1)对于不同数据类型设置了不同的端口号进行接收，同步接收多种类型的数据；
(2)自定义大棚数据协议，首先检验数据帧长，然后定义一个长度为32的定长byte类型的数组，将数据帧放入数组中，接收完毕后，将数组清零，等待下一帧数据的写入；
(3)通过串口通信获得自定义协议串口数据帧，生成txt文件；
(4)将txt文件封装成类。
根据本发明的优选实施方式，所述前置接入单元还包括图像预处理单元，用于对从图像获取单元获取的图像数据进行预处理；所述图像预处理单元具体包括：图像分析单元、图像压缩单元、图像存储单元、预设值比较单元，其中，
(1)图像预处理单元根据云计算监控平台的指令或周期性的通过控制图像获取单元定时采集第一张图像数据，经过图像分析单元采样量化之后，由图像压缩单元压缩处理，传送至云计算监控平台，同时保存在本地图像存储单元；
(2)继续采集图像，图像分析单元将采集到的图像与上一张图像比较，去除冗余信息、无关信息，由图像压缩单元对运算结果采用压缩处理，并保存在本地图像存储单元；
(3)预设值比较单元根据压缩后的数据计算信息变化量和变化速率，并与前次与云计算监控平台协调获得的通信速率预设值进行比较；同时检查图像存储单元中未传输的数据量是否超过预设值；
(4)如果变化量或变化速率超过设定预设值，或者图像存储单元中未传输的数据量超过预设值，则与云计算监控平台通讯，请求增加传输带宽；
(5)云计算监控平台将接收到的数据与存储的上一张图像进行加法运算，重建当前图像，并将恢复的结果存入云备份存储单元，从而获得当前图像。
根据本发明的前置接入单元，不仅实现了传统的数据转发功能，而且对接收的数据可以进行预处理，降低了后续数据分析的复杂度和延迟，并且由于设置了节能控制单元，大大降低了整个传感网络能源消耗。
以及，根据本发明的实施方式，所述自动化控制节点用于根据云计算监控平台的大数据联合处理单元的分析结果所生成的指令，操作大棚内的各机械设备执行相应的操作，例如，响应于降温和对应操作指令，开启大棚内的风扇，或者打开放风口等等。
根据本发明的实施方式，所述便携式监控终端由大棚管理人员携带，可以随时向云计算监控平台发送查询和操作指令，例如获取大棚内实时图像和各传感器节点采集的相关数据，并根据获取的信息进行人工干预操作。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种智慧农业监控管理系统，所述系统包括云计算监控平台、便携式监控终端、前置接入单元、图像获取单元、多个汇聚节点、多个自动化控制节点、以及多个传感器节点，所述云计算监控平台通过无线方式分别连接前置接入单元和便携式监控终端，所述前置接入单元连接图像获取单元、多个汇聚节点和多个自动化控制节点，所述汇聚节点连接多个传感器节点；
所述云计算监控平台包括远程无线通信单元、数据记录单元、大数据联合处理单元、以及辅助处理单元，所述远程无线通信单元连接数据记录单元，所述数据记录单元依次连接大数据联合处理单元和辅助处理单元，所述大数据联合处理单元和辅助处理单元还连接远程无线通信单元；
所述大数据联合处理单元对接收到的数据进行协议解析、异常值判断，并根据判断结果生成对应的自动化操作指令或报警信息，然后将操作指令发送至自动化控制节点，将报警信息发送至便携式监控终端；所述大数据联合处理单元针对多个传感器参数进行联合分析，包括：建立植物生长各阶段的各参数标准曲线模型，包括温度、湿度、风速、风向、光照以及二氧化碳；采用迭代算法计算各参数单独变化时，其他参数的变化范围，形成参数变化查找表；接收到各传感器节点传来的温度、湿度、风速、风向、光照、二氧化碳数值，根据上述数值绘制详细的环境参数曲线图，并与参数标准曲线模型进行比对，并结合参数变化查找表查找某一参数变化对其他环境参数的影响，并根据该影响确定各参数联动调节的范围；
所述辅助处理单元包括：节点部署动态调整单元、实时交互单元、硬件管理单元、数据响应单元以及基础信息管理单元；其中：
所述节点部署动态调整单元用来部署大棚无线传感网络节点，并以三维地图方式显示；
所述实时交互单元用于显示大棚无线传感网络采集的各种数据；
所述硬件管理单元用于服务器发送控制命令，对大棚的各传感器节点进行启动控制，同时还提供输入接口，对大棚的各传感器节点的信息、采集频率进行设置；
所述数据响应单元用于提供云计算监控平台存储数据的查询、导出和分析；
所述基础信息管理单元用于设置基础参数，包括基本设置、用户信息管理、设备管理；
所述前置接入单元包括远程接入单元、网络拓扑建立单元、管理指令解析单元和用于供电的电源单元；其中：
所述远程接入单元，用于管理远程接入，实现大棚环境下作物生长及环境信息、图像信息的收集与传输，以及云计算监控平台指令的接收；
所述网络拓扑建立单元，根据云计算监控平台的节点部署动态调整单元的部署调整指令，采用Zigbee技术建立并管理作物生长及环境信息无线采集网络；以及
所述管理指令解析单元，对云计算监控平台发送的指令进行解析，并将解析后的指令转发至图像获取单元、多个汇聚节点、多个自动化控制节点。
2.一种如权利要求1所述的系统，所述传感器节点用于采集周围信息，所述传感器节点包括：温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、风速传感器、风向传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器；所述温度传感器获取大棚内的温度参数，所述湿度传感器获取大棚内的湿度参数，所述光照传感器获取大棚内的光照参数，所述二氧化碳传感器获取大棚内的二氧化碳浓度参数，所述风速传感器用于获取大棚外的风速参数，所述风向传感器用于获取大棚外的风向参数，所述土壤温度传感器用于获取大棚内土壤的温度参数，所述土壤湿度传感器用于获取大棚内土壤中的湿度参数。
3.一种如权利要求2所述的系统，所述前置接入单元分别接收来自多个汇聚节点的采集数据和来自图像获取单元的实时图像信息，并且对所述采集数据和实时图像信息进行预处理后发送至云计算监控平台；以及接收来自云计算监控平台的自动化操作指令并发送至自动化控制节点。
4.一种如权利要求3所述的系统，所述云计算监控平台接收前置接入单元发送的采集数据和图像信息，进行存储和解析，并根据解析结果生成自动化操作指令。
5.一种如权利要求4所述的系统，所述前置接入单元还包括节能控制单元，通过休眠的方式实现系统的节能控制。
6.一种如权利要求5所述的系统，所述前置接入单元还包括数据预处理单元，对从多种传感器节点接收的多种格式的数据进行预处理。
7.一种如权利要求6所述的系统，所述前置接入单元还包括图像预处理单元，对从图像获取单元获取的图像数据进行预处理。
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