CN201673393U - 一种无线远程温室自动监控系统 - Google Patents

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颜鹏
陈剑鹤
王讯
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Abstract

本实用新型公开了一种无线远程温室自动监控系统，包括传感节点、汇聚节点和调控节点；传感节点设置在温室内，用于采集温室内各点的温度、湿度、CO2浓度和光照强度，并将采集到的数据通过Zigbee传送给汇聚节点；汇聚节点用于分析接收到的传感节点发送的数据，并将控制指令通过Zigbee发送给调控节点；调控节点根据接收到的汇聚节点发送的指令控制风机节点、喷淋节点、CO2喷洒节点和卷帘节点，从而改变温室环境。本实用新型利用无线传感器和ZigBee技术组成了无线传感器网络，实现了温室主要参数的远程传输，传输效果好，而且成本低。

Description

一种无线远程温室自动监控系统
技术领域
本实用新型涉及一种温室环境监控装置，具体地说涉及一种无线远程温室自动监控系统。
背景技术
温室大棚是现代高产高效农业的典型，它的建设与发展日益受到关注和重视。但目前温室大棚多靠人工经验进行管理，自动化程度不高，效率较低。
中国专利文献CN 101063883A公开的《温室群环境监控装置》包括用于对每个温室的环境参数进行监控和管理的中央监控层、对各个温室进行相应控制的现场监控层和采集温室的环境参数和控制信号的执行的设备层，各层之间由CAN总线通讯连接；中央监控层包括温室群监控计算机、中央监控层节点，温室群监控计算机检测和管理每个温室的环境参数并设置控制信号；设备层包括传感器数据采集节点、控制信号的执行节点，环境参数传感器包括温度传感器、湿度传感器、CO2传感器和光照传感器。这种温室环境监控装置利用现场布线的方法实现温室自动监控，存在的问题是布线困难，成本高、无法实现远程监控。
中国专利文献CN 101140695A公开的《基于ZigBee无线传感器网络的温室环境监控系统》，它的系统内包括可任意不知的无线传感器节点、驱动执行机构的无线执行器驱动节点、管理无线节点并具有中继功能的无线路由节点，各节点之间的传输采用Zigbee无线传感器网络技术。这种监控系统传感器节点利用电池供电，传感子节点能量有限，有效工作时间短，电池需定期更换，如果更换不及时，可能造成数据不准确，而且整个系统复杂度较高，不便于使用。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种结构简单、布线方便、成本低的无线远程温室自动监控系统。
实现本实用新型目的的技术方案是一种无线远程温室自动监控系统，包括传感节点、汇聚节点和调控节点；所述传感节点有N个，N为整数，N≥1，设置在温室内，用于采集温室内各点的温度、湿度、CO2浓度和光照强度，并将采集到的数据通过Zigbee传送给汇聚节点；所述汇聚节点用于分析接收到的传感节点发送的数据，并将控制指令通过Zigbee发送给调控节点；所述调控节点根据接收到的汇聚节点发送的指令控制风机节点、喷淋节点、CO2喷洒节点和卷帘节点，从而改变温室环境；所述汇聚节点包括Zigbee无线收发系统和数据处理模块。
所述每个传感节点包括锂电池、温湿度传感器、CO2传感器、光照度检测模块、CPU单元和Zigbee无线收发器；所述锂电池用于为传感节点供电；所述温湿度传感器、CO2传感器和光照度检测模块分别将采集到的数据经过A/D转换后传送给CPU单元；所述CPU单元与所述Zigbee无线收发器双向电连接。
所述每个传感节点还包括太阳能电池板；所述太阳能电池板用于为所述锂电池充电，同时所述光照度检测模块检测太阳能电池板两端的电压变化。
所述每个传感节点还包括太阳能充电控制模块；所述太阳能充电控制模块为低压差控制芯片，用于控制所述太阳能电池板对所述锂电池的充电，其芯片的型号为CN3046。
所述每个传感节点还包括锂电池电压检测模块；所述锂电池电压检测模块检测所述锂电池的输出电压，并将该电压数据传送给所述CPU单元。
所述每个传感节点还包括DC/DC升压模块；所述DC/DC升压模块由CPU单元控制，用于将所述锂电池的输出电压升压后提供给所述CO2传感器。
所述每个传感节点还包括稳压模块，采用低压差的稳压芯片；所述锂电池的输出电压经过所述稳压模块后提供给所述温湿度传感器、CPU单元和Zigbee无线收发器。
所述汇聚节点包括Zigbee无线收发系统和数据处理模块；所述Zigbee无线收发系统接收由传感节点的Zigbee无线收发器发送的数据，并将该数据传送给所述数据处理模块进行分析和处理。
所述传感节点的CPU单元和汇聚节点的数据处理模块均采用型号为CC2430的芯片。
无线远程温室自动监控系统还包括PC机；所述汇聚节点与所述PC机之间通过RS-232串口通讯；所述PC机内安装组态王通用工业监控软件对本系统实现自动监控。
本实用新型具有以下的积极效果：(1)本实用新型利用无线传感器和ZigBee技术组成了无线传感器网络，实现了温室主要参数的远程传输，Zigbee是一组基于IEEE802.15.4的无线通信协议，它是一种短距离、低功耗协议，传感节点采用Zigbee传送技术，在大面积长距离的范围内能自动组网，接力传送数据，Zigbee芯片的发射功率小于国家无线电技术委员会规定的功率，无需申请即可应用，传输效果好，而且成本低。
(2)传感节点在电路设计时充分考虑到环保和节约能源，使用可多次充放电循环的锂电池作为能源，使用太阳能电池板为锂电池充电，正常情况下可长时间不用更换电池，也不需进行维护，而且采用锂电池和太阳能双模式供电，时间长，成本低，使用方便。
(3)由于湿度的采集数据与当时的温度有关，为了能准确采集数据，本专利将温度传感器与湿度传感器合在同一环境中，并将温湿度传感器的输出全部进行了数字信号标定，从而保证湿度传感器数据的准确可靠。
(4)太阳能电池板不仅为锂电池充电，同时光照强度检测还利用了太阳能电池二端的电压变化的特性，经A/D转换后送到CPU单元中来计算累计光照，因此无需单独安装光敏传感器，减少了元件，检测准确，降低了节点复杂度。
(5)太阳能电池板的输出电压随着光线的强弱而变化，而锂电池对充电的要求又非常严格，过充会损坏电池。由于太阳能电池板在光线弱时输出的电压较低，想要充分利用弱光线时输出的电能，则要求太阳能充电控制模块采用的芯片上的压降要尽可能减小，因此选用低压差控制芯片。当光线变弱或没有光线时，太阳能电池板的输出电压会低于锂电池的电压，太阳能充电控制模块能自动切断电流，防止电池反向放电。
(6)由于CPU及Zigbee芯片，温湿度传感器等所有的电路正常工作均需要一个稳定的电压，而锂电池不能直接供电，本实用新型选用自身功耗小的低压差的稳压芯片，充分利用了锂电池的能量。
(7)为了保证接收数据的准确，保证锂电池的正常工作，电路中有锂电池电压检测电路，当由于某种情况使锂电池长期充不上电，电压降低到设定的低电压检测点以下时，在传送的数据中即包含有机位号、电池低电压的信息码，送到PC机，提醒维护人员检查维护，同时该次发出的所有参数全部作无效处理，避免由低电压引起的数据错误而出现误判。
(8)本实用新型利用组态王实现了数据的处理及温室的监控，汇聚节点采用新的Zigbee芯片CC2430，实现与组态王的通讯，将组态王丰富的图形界面、强大的控制功能与无线传感系统结合起来。
附图说明
为了使本实用新型的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中
图1为本实用新型的组成框图。
图2为本实用新型的传感节点的电路原理图。
图3为本实用新型的汇聚节点的电路原理图。
图4为本实用新型的传感节点的软件流程图。
图5为本实用新型的汇聚节点的软件流程图。
附图中标号如下：
传感节点1，锂电池11，锂电池电压检测模块11-1，温湿度传感器12，CO2传感器13，DC/DC升压模块13-1，光照度检测模块14，CPU单元15，Zigbee无线收发器16，太阳能电池板17，太阳能充电控制模块17-1，稳压模块18；
汇聚节点2，Zigbee无线收发系统21，数据处理模块22；
调控节点3，
PC机4，
远程客户端5。
具体实施方式
(实施例1)
见图1，本实施例的无线远程温室自动监控系统包括传感节点1、汇聚节点2、调控节点3、PC机4和远程客户端5。
传感节点1有N个，N为整数，N≥1，分布于温室内，用于采集温室内各点的温度、湿度、CO2浓度和光照强度，并将采集到的数据通过Zigbee上传到汇聚节点2。汇聚节点2分析接收到的由传感节点1上传的数据后得到控制决策，并将控制指令通过Zigbee下发到调控节点3。调控节点3根据接收到的汇聚节点2发送的指令以及前期设置在调控节点3的温室控制参数控制风机节点、喷淋节点、CO2喷洒节点和卷帘节点，即控制风机、水帘、卷膜机等设备的运行从而改变温室环境。与此同时，调控节点3将自身编号及环境信息发送至汇聚节点2，汇聚节点2接收到数据后，先消除冗余信息再通过RS-232串口通讯发送到PC机4，PC机4内安装组态王通用工业监控软件对本系统实现自动监控。
见图2，每个传感节点1包括锂电池11、温湿度传感器12、CO2传感器13、光照度检测模块14、CPU单元15、Zigbee无线收发器16、太阳能电池板17和稳压模块18。锂电池11用于为传感节点1供电，锂电池电压检测模块11-1检测所述锂电池11的输出电压，并将该电压数据传送给所述CPU单元15。温湿度传感器12、CO2传感器13和光照度检测模块14分别将采集到的数据经过A/D转换后传送给CPU单元15。DC/DC升压模块13-1由CPU单元15控制，用于将所述锂电池11的输出电压升压后提供给所述CO2传感器13。CPU单元15与Zigbee无线收发器16双向电连接，CPU单元15采用型号为CC2430的芯片。太阳能电池板17用于为所述锂电池11充电，同时光照度检测模块14通过检测太阳能电池板17两端的电压变化经过A/D转换后传送给CPU单元15计算累积光照。太阳能充电控制模块17-1为低压差控制芯片，用于控制所述太阳能电池板17对锂电池11的充电，其芯片的型号为CN3046，当光线变弱或没有光线时，太阳能电池板17的输出电压会低于锂电池11的电压，太阳能充电控制模块17-1能自动切断电流，防止锂电池11反向放电。稳压模块18，采用低压差的稳压芯片，锂电池11的输出电压经过所述稳压模块18后提供给所述温湿度传感器12、CPU单元15和Zigbee无线收发器16。
见图4，为了降低功耗，传感节点1采用突发工作方式，平时工作在节能模式下，到定时时间，唤醒CPU单元15来采集和传输数据。具体地说，系统初始化设备后进入低功耗状态，定时结束后进行载波检测，对地址和电源电压进行判断，如果地址匹配且电源电压正常，则开始访问各传感节点。如果电源电压不正常，则发送电源异常代码以提示用户。传感节点的各传感器进行数据采集，当数据采集完成后再将数据传送给CPU单元15。
见图3，汇聚节点2包括Zigbee无线收发系统21和数据处理模块22；Zigbee无线收发系统21接收由传感节点1的Zigbee无线收发器16发送的数据，并将该数据传送给数据处理模块22进行分析和处理，数据处理模块22也采用型号为CC2430的芯片。
见图5，汇聚节点2采用计数器，每接收一个字符记一次数，每次接收数据个数不能超过30，这是为了防止上一帧数据结束符没能正确判别，而导致出现错误采取的保护措施。汇聚节点2初始化I/O及串口后进行是否接收到结束字符或者接收字节数是否等于30的判断，如果收到结束字符或者接收字节数等于30，则处理收到的数据，并将这些数据发送到PC机4。
PC机4采用组态王6.53通用工业监控系统，建立了控制中心、设备操作中心、实时数据与历史数据的报表系统、实时数据与历史数据的趋势曲线、数据库查询、报警系统、实时画面监控、WEB发布等子系统，能将汇聚节点发送过来的数据存入数据库，组态王实现下列功能：
(1)实现数据的趋势显示、查询、保存、打印和非常数据的报警；
(2)实现温室控制设备的自动控制与调节；
(3)实现画面的实时监控；
(4)通过Internet实现组态王画面的远程监控。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无线远程温室自动监控系统，其特征在于：包括传感节点(1)、汇聚节点(2)和调控节点(3)；所述传感节点(1)有N个，N为整数，N≥1，设置在温室内，用于采集温室内各点的温度、湿度、CO2浓度和光照强度，并将采集到的数据通过Zigbee传送给汇聚节点(2)；所述汇聚节点(2)用于分析接收到的传感节点(1)发送的数据，并将控制指令通过Zigbee发送给调控节点(3)；所述调控节点(3)根据接收到的汇聚节点(2)发送的指令控制风机节点、喷淋节点、CO2喷洒节点和卷帘节点，从而改变温室环境；所述汇聚节点(2)包括Zigbee无线收发系统(21)和数据处理模块(22)。
2.根据权利要求1所述的无线远程温室自动监控系统，其特征在于：所述每个传感节点(1)包括锂电池(11)、温湿度传感器(12)、CO2传感器(13)、光照度检测模块(14)、CPU单元(15)和Zigbee无线收发器(16)；所述锂电池(11)用于为传感节点(1)供电；所述温湿度传感器(12)、CO2传感器(13)和光照度检测模块(14)分别将采集到的数据经过A/D转换后传送给CPU单元(15)；所述CPU单元(15)与所述Zigbee无线收发器(16)双向电连接。
3.根据权利要求2所述的无线远程温室自动监控系统，其特征在于：所述每个传感节点(1)还包括太阳能电池板(17)；所述太阳能电池板(17)用于为所述锂电池(11)充电，同时所述光照度检测模块(14)检测太阳能电池板(17)两端的电压变化。
4.根据权利要求3所述的无线远程温室自动监控系统，其特征在于：所述每个传感节点(1)还包括太阳能充电控制模块(17-1)；所述太阳能充电控制模块(17-1)为低压差控制芯片，用于控制所述太阳能电池板(17)对所述锂电池(11)的充电，其芯片的型号为CN3046。
5.根据权利要求4所述的无线远程温室自动监控系统，其特征在于：所述每个传感节点(1)还包括锂电池电压检测模块(11-1)；所述锂电池电压检测模块(11-1)检测所述锂电池(11)的输出电压，并将该电压数据传送给所述CPU单元(15)。
6.根据权利要求5所述的无线远程温室自动监控系统，其特征在于：所述每个传感节点(1)还包括DC/DC升压模块(13-1)；所述DC/DC升压模块(13-1)由CPU单元(15)控制，用于将所述锂电池(11)的输出电压升压后提供给所述CO2传感器(13)。
7.根据权利要求6所述的无线远程温室自动监控系统，其特征在于：所述每个传感节点(1)还包括稳压模块(18)，采用低压差的稳压芯片；所述锂电池(11)的输出电压经过所述稳压模块(18)后提供给所述温湿度传感器(12)、CPU单元(15)和Zigbee无线收发器(16)。 
8.根据权利要求8所述的无线远程温室自动监控系统，其特征在于：所述传感节点(1)的CPU单元(15)和汇聚节点(2)的数据处理模块(22)均采用型号为CC2430的芯片。
9.根据权利要求1至9之一所述的无线远程温室自动监控系统，其特征在于：还包括PC机(4)；所述汇聚节点(2)与所述PC机(4)之间通过RS-232串口通讯。 
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