CN108241345A - 基于物联网技术的温室大棚智能监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于物联网的温室大棚智能监控系统。目前温室大棚中使用有线组网方式布线复杂且维护升级困难、多处温室大棚监管困难、监控管理人员不能离开或任意走动等问题的温室大棚智能监控系统。基于物联网的温室大棚智能监控系统，其组成包括：现场级数据监控单元、区域级监控管理中心和智能手机客户端三部分，区域级监控管理中心即区域中心的监控软件终端，安装在温室大棚内设定监控管理一个或多个温室大棚，所述的现场级数据监控单元包括多个定点数据采集设备、一个移动数据采集设备、无线通信设备和现场级监控管理中心。本发明解决了上述问题，使大规模和智能化监管温室大棚变得十分方便可靠，有利于温室大棚技术的普及。

Description

基于物联网技术的温室大棚智能监控系统

技术领域：

本发明涉及一种基于物联网技术的温室大棚智能监控系统，尤其是涉及应用无线传感传输技术、用于实时监控温室大棚内作物或畜禽生长环境和生长状态并实现自动补偿的智能监控系统、控制装置和控制方法。

背景技术：

温室大棚已成为我国一些农村的重要产业，并逐渐呈现大规模、集团化的特点，因此在无人值守的条件下，有效监控温室大棚内的环境条件并自动调整以更适应作物或畜禽的生长已成为一个十分重大且具有现实意义的课题。本发明着眼于此，设计了一种能适应温室大棚内作物或畜禽生长特性的智能监控系统，利用移动或定点数据采集设备实时检测温室大棚内地表温度、土壤湿度、光照强度、CO₂浓度、土壤养分浓度等环境条件，利用可移动数字摄像机拍摄作物或畜禽的生长状态，进而分析处理以便系统控制执行机构自动调整或者管理人员制定出适合的调整方案。

发明内容：

本发明针对目前温室大棚中使用有线组网方式布线复杂且维护升级困难、多处温室大棚监管困难、监控管理人员不能离开或任意走动的问题，提供一种基于物联网技术的温室大棚智能监控系统、控制装置和控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于物联网的温室大棚智能监控系统，其组成包括：现场级数据监控单元、区域级监控管理中心和智能手机客户端三部分，区域级监控管理中心即区域中心的监控软件终端，安装在温室大棚内设定监控管理一个或多个温室大棚，所述的现场级数据监控单元包括多个定点数据采集设备、一个移动数据采集设备、无线通信设备和现场级监控管理中心。

所述的一种基于物联网的温室大棚智能监控系统，所述定点数据采集设备和移动数据采集设备都是用于检测指定位置的环境状况和作物或畜禽的生长状态的设备，所述定点数据采集设备和移动数据采集设备均包含多个多种传感器、微处理器、无线收发模块、执行机构和语音播放模块，移动数据采集设备还包含机械移动装置、数字摄像机。

所述的一种基于物联网的温室大棚智能监控系统，所述传感器包括温湿度传感器、土壤水分传感器、CO₂浓度传感器、光照强度传感器和土壤养分浓度传感器等中的一种或多种，用于实时检测温室大棚内的各种环境数据；移动数据采集设备还包括有定位传感器，以获得设备的确切位置。

所述的一种基于物联网的温室大棚智能监控系统，所述无线通信设备，包括短程无线通信和远程无线通信两部分，用于传递各种通信信息、组建无线传感器网络，所述短程无线通信设备，用于接收传感信息、组建无线传感器网络，用BlueTooth、Wi-Fi、ZigBee短程无线通讯方式；

所述远程无线通信设备，用于现场级数据监控管理中心、区域级数据监控管理中心和智能手机客户端三者之间的通讯，使用蜂窝移动通信、移动互联网、有线或无线互联网等远程无线通讯方式。

所述的一种基于物联网的温室大棚智能监控系统，所述微处理器，用于接收并初步处理传感数据或视频信息，将初步处理结果传送至现场级监控管理中心；用于响应报警状态或监控中心的命令信息，控制执行机构对相应数据进行补偿调整；所述短程无线发射模块，用于将微控制器经过初步处理的传感信息或视频数据发射给现场级数据监控管理中心；所述执行机构为电动机或者阀门，运作时能实现对温度、湿度、土壤湿度、CO₂浓度、光照强度、土壤养分浓度等的调整；所述语音播放模块，用于检测到数据越限或作物、畜禽生长状态不正常时产生语音报警，在执行机构有操作时产生语音提示，空闲的时候还可以选择播放一些可以促进作物或畜禽生长的音乐；所述数字摄像机，用于采集指定位置作物或家禽生长状况的视频数据；所述机械移动装置，用于完成移动数据采集设备中各装置的移动和机械联动。

所述的一种基于物联网的温室大棚智能监控系统，所述现场级监控管理中心即位于温室大棚内的监控软件平台，用于设置系统的监控模式及参数、接收传感信息或视频图像并处理分析、显示温室大棚内各位置的状况、提醒管理人员进行相关操作以及与区域级监控管理中心和智能手机客户端进行通信。

所述的一种基于物联网的温室大棚智能监控系统，系统中的移动数据采集设备的运行方式，依据是否有人为干预分为巡检和指定点检测两种：巡检——系统在没有人为干预的情况下自动运行，在检测到报警状态后报警，同时控制执行机构对相应数据进行补偿，完成闭环控制过程；指定点检测——管理人员通过智能手机客户端、区域级数据监控管理中心或现场级数据监控管理中心发出指令，指定移动数据采集设备到达指定位置进行数据采集或指定执行机构进行相关操作。

有益效果：

1．为了提高系统的普适性，系统设计了三个监控管理层次，分别是现场级、区域级和智能手机客户端，这样管理人员可以不必在每个温室大棚内巡视就可以随时随地了解各温室大棚内的状况、并且能够实现无人值守时温室大棚内能自动调整保持合适的环境条件，从而解决了大规模温室大棚监控管理任务艰巨和不能便捷地管理温室大棚的难题。

2．有线方式速度快、数据流量大、可靠性高，在实际应用中显示了很多优点，但在温室大棚这种空旷、分散的的场合，其缺点十分突出：前期布线工作量大、一旦安装固定便很难移动，线路出现故障很难排查，后期的设备维护和管理成本大。随着射频技术、集成电路的发展，无线通信变得越来越容易，数据通信的速率也越来越快，尤其近几年来出现了一些典型的无线应用。

3．物联网是指通过传感器、射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网技术是在基于传感器技术和无线数据通信技术发展起来的一种特殊互联网。目前比较成熟的无线数据通信技术，传输范围从几米到几十米，下面是比较常见的几种：

(1)蓝牙技术（Bluetooth）

该技术是一种使用2.4GHz频段的短距离高速通信技术，通信速度一般在1Mbps以上，通信距离低于20米。它采用快速跳频、前向纠错和优化编码等技术，使得其具有抗干扰能力强、通信质量稳定的优点，同时它还具有低功耗、低成本、使用便捷和电磁污染小等特点。蓝牙技术的这些优势，为其在传感器网络中的实际应用提供了条件。

(2)超宽带技术

该技术不用载波，而采用时间间隔极短（小于1ns）的脉冲进行通信。基于UWB技术的传感产品主要用在定位，入侵检测等方面上，家庭贵重物品以及家庭成员（老人或儿童）定位业务可以采用在家庭网关上实现UWB传感器功能，并将定位标签附着在定位物体或人员上，便于对其进行重点监视或监护。

(3)Wi-Fi技术

该技术使用802.11b标准，是由1999年无线以太网相容联盟(2002年改名为wi-fi联盟)提出的。Wi-Fi技术使用2.4GHz的频段，传输速率最大达到11Mbps，能够在上百米的范围内支持互联网接入无线信号，为用户提供无线宽带上网。

(4)Zigbee技术

这是基于网络底层803.15.4的短距离数据通信网络协议，是由在2002年成立的Zigbee联盟所订立的，当该协议发展到2007版时各层协议都已经趋于完善。Zigbee网络适用于一定区域范围内的网络覆盖，可通过网关等设备与外部网络实现无缝连接。目前Zigbee技术广泛应用于温度、湿度、亮度传感器等产品中。

(5)Wihree技术

当他作为超低功耗（ULP，Ultra Low Power）蓝牙技术而纳入蓝牙规范之后，这项原本由诺基亚开发的2.4GHz无线技术加快了产业化进程，其设计开发可以用在心率传感器、运动鞋里的速度和距离传感器产品中，将传感器获取的心率等数据在“手表”型装置中进行显示等。

(6)红外技术(IrDA)

它是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是第一个实现无线个人局域网（PAN）的技术。目前它的软硬件技术都很成熟，并且还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便以及简单易用的特点。此外，红外线发射角度小，传输安全性较高。

(6)家庭无线射频技术(HomeRF)

该技术由西门子、摩托罗拉等巨头公司在1998年组建并负责研发，它吸取其他无线通信技术的优点、对现有无线通信标准进行改进，其工作频段为2.4GHz，数据传输速率达到100Mbit/s。但是其标准与802.b协议不兼容，因此主要应用在家庭无线网络中。

在具体使用中，可以根据需要选用上述的短距离无线通信技术，例如：在需要个人特制网络、点对点交换的场合可以选用IrDA技术；如果需要低功率音频或全向连接，可以选用蓝牙(Bluetooth)技术；如果要建立食品消费娱乐个人无线局域网，可以选用超宽带(UWB)技术。对于本发明而言，蓝牙技术虽然成本低、传输快，但功耗大，而且传输范围小；Wi-Fi网络传输速度快，传输距离可达100米，但成本高；IrDA技术传输速率大，但距离太短，且要求点对点直线传输；ZigBee技术解决了低成本、低功耗的问题，同时它的传输速率和传输距离均满足短距离速率通信的要求，故下文的本发明实例中，选用了ZigBee技术进行短距离无线通讯。

4．本发明设计还涉及到蜂窝移动通信、互联网或移动互联网技术等远程无线通信技术。其中：

(1)蜂窝移动通信技术

蜂窝移动通信是采用蜂窝无线组网方式，在终端和网络设备之间通过无线通道连接起来，进而实现用户间的相互通信。其主要特征是终端的移动性，并具有越区切换和跨本地网自动漫游功能。目前第二代移动通信网络技术发展较为成熟，主要包括使用900/1800MHz频谱的GSM移动通信网络和使用800MHz频谱的CDMA移动通信，而第三代移动通信技术也正在蓬勃发展，日益成熟。GSM是目前全球应用最广的移动技术，为接近30亿用户提供服务并且被大约670家运营商在超过200个国家部署。CDMA目前的市场机会相当大，在全球，有超过98个国家的255家运营商正在运营CDMA网络，具体的用户数高达4.5亿。

(2)无线局域网技术

无线局域网络利用射频(Radio Frequency；RF)的技术，取代旧式双绞铜线所构成的局域网络，使得无线局域网络能利用简单的存取架构让用户透过它，达到“信息随身化、便利走天下”的理想境界。无线局域网的IEEE 802.11a标准使用5GHz频段，支持的最大速度为54Mb/s；IEEE 802.11b和IEEE 802.11g标准使用2.4GHz频段，分别支持最大11Mb/s进而54Mb/s的速度；IEEE 802.11n使用2.4GHz和5GHz频段，支持最大600Mb/s的速率。目前研究的802.11ac工作组目标速率在1Gb/s，工作在5GHz频段。但是目前单芯片产品成本较高，所以目前基于无线保真（WiFi，Wireless Fidelity，采用IEEE 802.11b标准）技术的传感器主要应用在工业、楼宇自动化中，还需要待其芯片产品价格的进一步下降，如果价格下降到家用可接受的范围内，则家庭网可以利用原有的WiFi模块，不用新增叠加Zigbee基站模块等，具有一定的应用前景。

(3)互联网技术

互联网，即广域网、局域网及单机按照一定的通讯协议组成的国际计算机网络。互联网技术是将两台计算机或者是两台以上的计算机终端、客户端、服务端通过计算机信息技术的手段互相联系起来，而实现与远在千里之外的朋友也能相互发送邮件、共同完成一项工作和共同娱乐的技术。

(4)移动互联网技术

移动互联网技术，就是将移动通信和互联网二者结合起来进行通信的技术。在最近几年里，移动通信和互联网成为当今世界发展最快、市场潜力最大、前景最诱人的两大业务，它们的增长速度都是任何预测家未曾预料到的，所以移动互联网可以预见将会创造怎样的经济神话。目前，移动互联网正逐渐渗透到人们生活、工作的各个领域，短信、铃图下载、移动音乐、手机游戏、视频应用、手机支付、位置服务等丰富多彩的移动互联网应用迅猛发展，正在深刻改变信息时代的社会生活，移动互联网经过几年的曲折前行，终于迎来了新的发展高潮。

除了上述主流的无线接入技术之外，还有很多其他的技术，此处就不再一一列举了。这些无线技术都将不可避免地影响着智能化、网络化的发展，影响着物联网技术的产业化进程。

5．本发明在无人值守的条件下，有效监控温室大棚内的环境条件并自动调整以更适应作物或畜禽的生长。

6.本发明解决了温室大棚中使用有线组网方式布线复杂且维护升级困难、多处温室大棚监管困难、监控管理人员不能离开或任意走动的问题。

7.本发明基于物联网技术的温室大棚智能监控系统、控制装置和控制方法。

8.本发明可以直接控制某处或某几处执行机构的运行，对温室大棚内的各种数据进行主观调整。

附图说明：

图1为本发明实例的结构示意图；

图2为图1发明实例中所示定点数据采集设备的结构示意图；

图3为图1发明实例中所示移动数据采集设备的结构示意图；

图4为图1发明实例中系统监测数据并自动调节的原理图；

图5为图3所示移动数据采集设备巡检方式的工作流程图；

图6为图3所示移动数据采集设备指定点检测方式的工作流程图；

图7为图1发明实例中所示现场级数据监控管理中心的功能示意图；

具体实施方式：

实施例1：

基于物联网的温室大棚智能监控系统，其组成包括：现场级数据监控单元、区域级监控管理中心和智能手机客户端1三部分，区域级监控管理中心2即区域中心的监控软件终端，安装在温室大棚内设定监控管理一个或多个温室大棚，所述的现场级数据监控单元包括数据采集设备3，多个定点数据采集设备、一个移动数据采集设备、无线通信设备和现场级监控管理中心4。

实施例2：

实施例1所述的一种基于物联网的温室大棚智能监控系统，所述定点数据采集设备和移动数据采集设备都是用于检测指定位置的环境状况和作物或畜禽的生长状态的设备，所述定点数据采集设备和移动数据采集设备均包含多个多种传感器5、微处理器6、无线收发模块7、执行机构8和语音播放模块9，移动数据采集设备还包含机械移动装置10、数字摄像机11。

实施例3：

实施例1或2所述的一种基于物联网的温室大棚智能监控系统，所述传感器12包括温湿度传感器、土壤水分传感器、CO₂浓度传感器、光照强度传感器和土壤养分浓度传感器等中的一种或多种，用于实时检测温室大棚内的各种环境数据；移动数据采集设备还包括有定位传感器，以获得设备的确切位置。

实施例4：

上述的实施例所述的一种基于物联网的温室大棚智能监控系统，所述无线通信设备，包括短程无线通信和远程无线通信两部分，用于传递各种通信信息、组建无线传感器网络，所述短程无线通信设备，用于接收传感信息、组建无线传感器网络，用BlueTooth、Wi-Fi、ZigBee短程无线通讯方式；

所述远程无线通信设备，用于现场级数据监控管理中心、区域级数据监控管理中心和智能手机客户端三者之间的通讯，使用蜂窝移动通信、移动互联网、有线或无线互联网等远程无线通讯方式。

实施例5：

上述的实施例所述的一种基于物联网的温室大棚智能监控系统，所述微处理器13，用于接收并初步处理传感数据或视频信息14，将初步处理结果传送至现场级监控管理中心15；用于响应报警状态或监控中心的命令信息，控制执行机构对相应数据进行补偿调整；所述短程无线发射模块，用于将微控制器经过初步处理的传感信息或视频数据发射给现场级数据监控管理中心；所述执行机构为电动机或者阀门，运作时能实现对温度、湿度、土壤湿度、CO₂浓度、光照强度、土壤养分浓度等的调整；所述语音播放模块，用于检测到数据越限或作物、畜禽生长状态不正常时产生语音报警，在执行机构有操作时产生语音提示，空闲的时候还可以选择播放一些可以促进作物或畜禽生长的音乐；所述数字摄像机，用于采集指定位置作物或家禽生长状况的视频数据；所述机械移动装置，用于完成移动数据采集设备中各装置的移动和机械联动。

实施例6:

上述的实施例所述的一种基于物联网的温室大棚智能监控系统，所述现场级监控管理中心即位于温室大棚内的监控软件平台，用于设置系统的监控模式及参数、接收传感信息或视频图像并处理分析、显示温室大棚内各位置的状况、提醒管理人员进行相关操作以及与区域级监控管理中心和智能手机客户端进行通信。

实施例7：

上述的实施例所述的一种基于物联网的温室大棚智能监控系统，系统中的移动数据采集设备的运行方式，依据是否有人为干预分为巡检和指定点检测两种：巡检——系统在没有人为干预的情况下自动运行，在检测到报警状态后报警，同时控制执行机构对相应数据进行补偿，完成闭环控制过程；指定点检测——管理人员通过智能手机客户端、区域级数据监控管理中心或现场级数据监控管理中心发出指令，指定移动数据采集设备到达指定位置进行数据采集或指定执行机构进行相关操作。

实施例8：

本发明提供的温室大棚智能监控系统实例如图1所示，所示系统由现场级、区域级和智能手机客户端三个层次构成。其中，现场级数据监控单元包括多个定点数据采集设备和一个移动数据采集设备。

由图2、3可知，数据采集设备均包含多个多种无线传感器、微处理器、短程无线发射模块、执行机构和语音播放模块，但定点数据采集设备可能还含有数字摄像机，移动数据采集设备还包含机械移动装置。由所示的无线传感器和数字摄相机就能得到三种数据：作物或畜禽的生长状态、温室大棚内指定位置的环境数据和移动数据采集设备的位置数据。

图1中所示的温室大棚智能监控实例系统，就各种测量数据的补偿调整而言，既有闭环控制的过程，也有执行人为指令的开环控制过程。实例系统监测数据并自动调整的闭环过程原理如图4所示。

图3所示移动数据采集设备的工作流程，依据是否有人为干预分为巡检和指定点检测两种，分别如图5、6所示：

图5中所示的巡检方式中，在管理人员没有发出指令的情况下，移动数据采集设备16按照预定轨道顺序监测多个位置的温湿度、CO₂浓度、NH₃浓度、光照强度等环境条件，在产生数据越限报警17时产生报警提示，同时控制相对应的执行机构进行自动地调整18；

图6中所示的指定点检测中，管理人员通过现场级监控界面、区域级监控界面或智能手机客户端发出指令，指定检测某处或某几处的环境数据，则移动采集设备的微控制器收到指令后进入中断响应，完成具体的检测工作，此时若产生报警也能够自动调整。定点数据采集设备的工作流程图，则与移动数据设备的巡检方式类似。

实施例9：

实施例8所述的除了上述的闭环运行方式以外，管理人员还可以直接控制某处或某几处执行机构的运行，对温室大棚内的各种数据进行主观调整，这便是一个无反馈的开环过程。

图7中所示的是现场级数据监控管理中心19的功能组成，可以看到主要分为五个功能块：系统监控模式及参数设置20、传感网拓扑结构管理21、监控界面22、数据库管理23和信息传输24。具体说来：

(1)系统监控模式及参数设置——根据作物或畜禽的特点设置环境数据报警的上下限、根据需要选择是否启用语音播放模块的音乐播放功能；

(2)传感网拓扑结构管理——显示数据采集设备分布的拓扑图、在组建成的传感器网络中增加或去除指定传感器及相应的数据采集设备；

(3)监控界面——对传感信息或视频图像进一步处理分析得到直观结果，显示温室大棚内各位置的状况，管理人员也可以下达指令使移动设备到达指定位置进行检测或指示执行机构运转；

(4)数据库管理——温室大棚智能监控系统运行监控到的数据汇总，便于查阅、管理，也利于生产模式的改进和系统的升级；

(5)信息传输——接收传感信息或视频图像数据；将数据实时传递给区域级数据监控管理中心和智能手机客户端，接收数据监控管理中心和智能手机客户端的查询和控制指令。

区域级数据监控管理中心和智能手机客户端的功能与之相似，但区域级数据监控管理中心是监控和管理大规模区域内多个大棚的监控软件平台，一般是PC机客户端；智能手机客户端则是着重于移动便携的功能而开发的可以选择管理一个或多个温室大棚的手机监控软件。因而，三个监控软件界面会涉及到有不同的软件承载，三者之间通过互联网连接从而实现了各处传感信息都连接入互联网，物物相连、物人相连，实现了本发明中智能化的监控和管理功能。

实施例10：

本发明提供了一种基于物联网的多层次智能监控系统，由现场级、区域级和智能手机客户端三个功能层次组成。

所述远程无线通信设备，用于现场级数据监控管理中心、区域级数据监控管理中心和智能手机客户端三者之间的通讯，可选用蜂窝移动通信、移动互联网、有线或无线互联网等远程无线通讯方式。

进一步地，所述现场级数据监控单元还包括现场级监控管理中心，即位于温室大棚内的监控软件平台，它主要分为以下几个功能模块：

(1)系统监控模式及参数设置——根据作物或畜禽的特点设置环境数据报警的上下限、设置移动监控设备的手动或自动巡检模式、根据需要选择是否启用语音播放模块的音乐播放功能；

(2)传感网拓扑结构管理——显示数据采集设备分布的拓扑图、在组建成的传感器网络中增加或去除指定传感器及相应的数据采集设备；

(3)监控界面——对传感信息或视频图像进一步处理分析得到直观结果，显示温室大棚内各位置的状况，管理人员也可以下达指令使移动设备到达指定位置进行检测或指示执行机构运转；

(4)数据库管理——温室大棚智能监控系统运行监控到的数据汇总，便于查阅、管理，也利于生产模式的改进和系统的升级；

(5)信息传输——接收传感信息或视频图像数据；将数据实时传递给区域级数据监控管理中心和智能手机客户端，接收数据监控管理中心和智能手机客户端的查询和控制指令。

第二、三个层次——区域级数据监控管理中心和智能手机客户端的功能与现场级数据监控管理中心类似，但针对的对象和承载体与之不同。区域级数据监控管理中心是监控和管理大规模区域内多个大棚的监控软件平台，一般是PC机客户端；智能手机客户端则是着重于移动便携的功能而开发的可以选择管理一个或多个温室大棚的手机监控软件。因而，三个监控软件界面会涉及到使用不同的开发软件，而三者之间通过互联网连接从而实现了各处传感信息都连接入互联网，物物相连、物人相连，实现了本发明中智能化的监控和管理功能。

Claims (3)

1.一种基于物联网的温室大棚智能监控系统，其组成包括：现场级数据监控单元、区域级监控管理中心和智能手机客户端三部分，其特征是：区域级监控管理中心即区域中心的监控软件终端连接在温室大棚内设定监控管理一个或多个温室大棚，所述的现场级数据监控单元包括多个定点数据采集设备、一个移动数据采集设备、无线通信设备和现场级监控管理中心。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的温室大棚智能监控系统，其特征是：所述定点数据采集设备和移动数据采集设备都是用于检测指定位置的环境状况和作物或畜禽的生长状态的设备，所述定点数据采集设备和移动数据采集设备均包含多个多种传感器、微处理器、无线收发模块、执行机构和语音播放模块，移动数据采集设备还包含机械移动装置、数字摄像机。

3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的温室大棚智能监控系统，其特征是：所述传感器包括温湿度传感器、土壤水分传感器、CO₂浓度传感器、光照强度传感器和土壤养分浓度传感器等中的一种或多种，用于实时检测温室大棚内的各种环境数据；移动数据采集设备还包括有定位传感器，以获得设备的确切位置。