CN203117769U - 一种基于wsn技术的密闭型智能植物工厂监控管理系统 - Google Patents

一种基于wsn技术的密闭型智能植物工厂监控管理系统 Download PDF

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Abstract

一种基于WSN技术的密闭型智能植物工厂监控管理系统，它包括远程中心服务器、设置在植物工厂的本地监控设备、与本地监控设备无线连接的多个无线终端节点、以及与各无线终端节点无线连接的多个传感器和被控设备；传感器用于采集植物工厂中待监测的各项参数，各传感器和被控设备均通过对应的无线终端节点与本地监控设备相连，本地监控设备与远程中心服务器无线连接。通过无线传感技术很好的解决了植物工厂（1）设备多种通讯接口协议，兼容性差，系统集成困难；（2）在实施过程中布线材料和人工成本较大；（3）使用维护难度大，系统扩展性弱；（4）传感器相对固定，可移动性差等技术难题。

Description

一种基于WSN技术的密闭型智能植物工厂监控管理系统
技术领域
本实用新型涉及智能精确农业装备和无线传感监控领域，特别涉及一种基于WSN（Wireless Sensor Network）技术的密闭型智能植物工厂监控管理系统。
背景技术
植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的系统，即是利用计算机对植物生育的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物生育不受或很少受自然条件制约的省力型生产。植物工厂可实现蔬菜、花卉、水果、药材、食用菌以及一部分粮食作物等生产，是知识与技术密集的集约型立体农业生产方式，我国植物工厂的发展处于起步阶段。
进入21世纪，蔬菜、林木、药草、香料等各类种苗或植物的大量需求推动了完全使用人工光源的密闭式植物工厂的深入研究和应用，各项技术的研究正在逐步开展，特别是对于密闭型植物工厂内部及外部各环境参数、调控设备运行控制参数和植物生理生态参数的自动化检测与控制是急需解决的关键核心技术。目前，随着研究的深入和新技术的不断发展，对于上述核心技术的实时性和准确性要求迫切，以便更好的与植物工厂决策支持系统相适应，优化高精度人工植物生长环境。为此，植物工厂需装配多组温度传感器、湿度传感器、光合有效辐射传感器、CO2浓度传感器、气体流量流速传感器、营养液PH/EC值检测传感器、液位传感器和作物生理参数检测传感器，同时安装与各因子相关联的控制设备，如加温降温设备、加湿通风设备、可调光谱光强LED人工光源设备、CO2增施设备、营养液配方设备和潮汐式供液设备等，大大增加了植物工厂内部的信息传递和控制复杂程度。植物工厂生产模式是一种高清洁度、无菌生态型生产方式，在植物生长期间应尽量减少人员进入，因此应寻找一种有效的自动化管控方式，特别是随着植物工厂规模的进一步扩大，大面积分散化的远程综合监控需求强烈。
为了实现对各类传感和控制设备的系统化集成，目前主要采用RS485总线、CANBUS总线或4-20mA电流信号等方式。以上方式会出现以下问题：
（1）设备多种通讯接口协议，兼容性差，系统集成困难；
（2）在实施过程中布线材料和人工成本较大；
（3）使用维护难度大，系统扩展性弱；
（4）传感器相对固定，可移动性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于WSN技术的密闭型智能植物工厂监控管理系统，其用于解决植物工厂中传感变送器和控制设备多、通讯接口协议兼容差、信息传递实时准确性要求高、布线复杂、维护难度大、可扩展性弱、传感探头可移动性差等迫切问题，实现植物工厂现场参数传感和控制设备无线数据通信，并具有本地和远程两级监控管理功能。具有现场参数超限和控制设备运行故障报警功能，并将报警信息发送至管理者手机上，及时发现和解决存在的隐患，保证植物工厂内部的生产安全。
本实用新型的技术方案是：
一种基于WSN技术的密闭型智能植物工厂监控管理系统，它包括远程中心服务器、设置在植物工厂的本地监控设备、与本地监控设备无线连接的多个无线终端节点、以及与各无线终端节点无线连接的多个传感器和被控设备；所述的传感器用于采集植物工厂中待监测的各项参数，各传感器和被控设备均通过对应的无线终端节点与本地监控设备相连，本地监控设备与远程中心服务器无线连接。
所述的无线终端节点还连接有视频采集单元，该视频采集单元包括摄像头、控制云台、无线发射和无线视频接收装置。
所述的传感器包括环境温湿度传感器、叶片温湿度传感器、红外CO2传感器、气体流量流速传感器、光合有效辐射传感器、生理参数检测传感器、营养液检测传感器和液位传感器中的部分或全部。
所述的被控设备包括温度调控设备、湿度调控设备、CO2气体增施设备、LED人工光源设备、通风循环设备、营养液间歇供液设备和报警设备中的部分或全部。
该基于WSN技术的密闭型智能植物工厂监控管理系统还包括若干个手持终端，所述的手持终端为手机或PDA，由用户或管理人员持有，该手持终端与远程中心服务器进行通信。
所述的无线终端节点包括开关量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、数字信号输入/输出模块、节点MCU和节点Xbee模块；所述的各传感器和各被控设备通过对应的开关量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块或数字信号输入/输出模块与节点MCU连接，节点MCU与节点Xbee模块连接，通过节点Xbee模块与本地监控设备的监控Xbee模块无线连接。
所述的本地监控设备包括监控Xbee模块、监控MCU、GPRS/3G模块、GPS模块、嵌入式触摸屏和电源模块；所述的监控Xbee模块与无线终端节点的节点Xbee模块无线连接，所述的监控Xbee模块与监控MCU对应信号端相连，所述的监控MCU通过GPRS/3G模块和GPS模块与远程中心服务器无线连接；所述的嵌入式触摸屏与监控MCU连接。
本实用新型的有益效果是：
（1）、本实用新型通过无线传感网络技术，将植物工厂内的各种检测和控制仪器设备进行了统一的无线化数据传输方式的处理，采用基于zigbee的无线组网通讯协议，确保了网络组网的可靠性和数据传输的准确性，对于检测和控制设备的增减或移动具有很强的适应性。可避免大规模的信号布线和维护。
（2）、本实用新型的无线终端节点采用Xbee高性能2.4G嵌入式模块设计，具有低功耗模式，可选在AT和API两种模式下进行使用，无线网络构建和通讯参数设置简单方便，便于大规模无线节点的接入和管理。
（3）、本实用新型的本地监控设备具有触摸屏交互界面，结合动态化的效果，便于用户直观查看现场设备参数状态和现场控制设备的运行情况。可以实现植物工厂内环境参数的实时优化和无人化管理。
（4）、本实用新型的的系统远程监控部分，可利用internet/GPRS/3G远程网络接入技术，将大规模、分散型植物工厂进行统一化集控管理。管控中心具有实时参数显示存储、实时曲线、历史曲线、报警管理、现场设备远程控制、WEB浏览和视频管理等功能，性能稳定可靠。
（5）、本实用新型的采用模块化设计，体积小、成本低、数据传输可靠性高、安全性好，便于不同规模的系统构建，可扩展性好，方便易行。
（6）、本实用新型的的植物工厂可实现环境多因子的实时优化控制，在作物生长的不同阶段提供最优化、最节能、最便捷的决策执行方案，提升我国植物工厂的运行管理水平。
附图说明：
图1为本实用新型的系统构架图。
图2为本实用新型的无线终端节点的原理框图。
图3为本实用新型的本地监控设备的原理框图。
具体实施方式：
如图1所示，本实用新型系统构架图，主要包括手持终端、远程中心服务器、本地监控设备、无线终端节点、视频采集单元、各环境因子检测传感器和被控设备。系统工作过程为：依据植物工厂内所使用的各环境因子检测传感器的输出信号形式，选择无线终端节点设备中的开关量、模拟量或数字信号接口进行连接，由本地监控设备上的Xbee网络协调器发起组建无线传感网络，网络建立后，本地监控设备与无线终端节点进行通讯，实现精确调控。同时，本地监控设备可通过internet/GPRS/3G网络登陆远程中心服务器，将现场各环境因子检测传感器和被控设备的参数及运行状态传递至远程中心服务器和手持终端，远程中心服务器和手持终端也可将控制指令通过上述链路发至被控设备，实现远程管理和控制。
如图2所示，本实用新型的无线终端节点结构框图，传感器可为环境温湿度传感器、叶片温湿度传感器、红外CO2传感器、气体流量流速传感器、光合有效辐射传感器、生理参数检测传感器、营养液检测传感器和液位传感器中的几种或全部；被控设备可为温度调控设备、湿度调控设备、CO2气体增施设备、LED人工光源设备、通风循环设备、营养液间歇供液设备和报警设备中的部分或全部。节点MCU采用STM32L152低功耗Cortex-M3处理器，通过USART串口连接节点Xbee 2.4GHz 无线模块，完成zigbee网络的构建和无线数据通信。无线终端节点设计有节点配置接口连接外部端口，以便在连接传感器或被控设备之前，通过PC机配置无线网络参数（PAN ID 、 CHANNEL、DEVICE TYPE、BAND RATE等）。该无线终端节点内部提供开关量输入/输出、模拟量输入/输出、数字信号输入/输出功能电路，以满足各类传感器和被控设备的接口需求。
如图3所示，本实用新型的本地监控设备结构框图。其中，控制MCU采用STM32L152低功耗Cortex-M3处理器，通过USART串口连接节点Xbee 2.4GHz 无线模块，完成zigbee网络的构建和无线数据通信；GPRS/3G远程通讯模块采用SIMCOM公司的GPS和GPRS一体化SIM548C模块或SIM5218 3G MODULE 开发，内嵌标准的TCP/IP协议栈，支撑AT和API数据传输。该设备（1）负责本地植物工厂内部各传感节点和控制节点无线网络的建立、加入允许和路由管理，起到zigbee网络协调器的作用；（2）负责远程网络的拨号连接、登陆和数据通信，提供了internet/GPRS/3G三种可选连接模式，方便现场网络条件的使用；（3）负责接受GPS信息，通过内部解析程序确定该植物工厂的经纬度位置信息，以便于为远程中心软件提供定位信息；（4）通过嵌入式触摸屏为用户提供优良友好的人机交互界面，实时动态化显示环境和生物指标参数，采用动画指示控制设备工作状态和植物工厂内部整体运行状态。用户通过直接的触摸，简便易行的选择控制功能和设置现场参数。

Claims (7)

1.一种基于WSN技术的密闭型智能植物工厂监控管理系统，其特征是：它包括远程中心服务器、设置在植物工厂的本地监控设备、与本地监控设备无线连接的多个无线终端节点、以及与各无线终端节点无线连接的多个传感器和被控设备；所述的传感器用于采集植物工厂中待监测的各项参数，各传感器和被控设备均通过对应的无线终端节点与本地监控设备相连，本地监控设备与远程中心服务器无线连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于WSN技术的密闭型智能植物工厂监控管理系统，其特征是：所述的无线终端节点还连接有视频采集单元，该视频采集单元包括摄像头、控制云台、无线发射和无线视频接收装置。
3.根据权利要求1所述的一种基于WSN技术的密闭型智能植物工厂监控管理系统，其特征是：所述的传感器包括环境温湿度传感器、叶片温湿度传感器、红外CO2传感器、气体流量流速传感器、光合有效辐射传感器、生理参数检测传感器、营养液检测传感器和液位传感器中的部分或全部。
4.根据权利要求1所述的一种基于WSN技术的密闭型智能植物工厂监控管理系统，其特征是：所述的被控设备包括温度调控设备、湿度调控设备、CO2气体增施设备、LED人工光源设备、通风循环设备、营养液间歇供液设备和报警设备中的部分或全部。
5.根据权利要求1所述的一种基于WSN技术的密闭型智能植物工厂监控管理系统，其特征是：该基于WSN技术的密闭型智能植物工厂监控管理系统还包括若干个手持终端，所述的手持终端为手机或PDA，由用户或管理人员持有，该手持终端与远程中心服务器进行通信。
6.根据权利要求1所述的一种基于WSN技术的密闭型智能植物工厂监控管理系统，其特征是：所述的无线终端节点包括开关量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、数字信号输入/输出模块、节点MCU和节点Xbee模块；所述的各传感器和各被控设备通过对应的开关量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块或数字信号输入/输出模块与节点MCU连接，节点MCU与节点Xbee模块连接，通过节点Xbee模块与本地监控设备的监控Xbee模块无线连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于WSN技术的密闭型智能植物工厂监控管理系统，其特征是：所述的本地监控设备包括监控Xbee模块、监控MCU、GPRS/3G模块、GPS模块、嵌入式触摸屏和电源模块；所述的监控Xbee模块与无线终端节点的节点Xbee模块无线连接，所述的监控Xbee模块与监控MCU对应信号端相连，所述的监控MCU通过GPRS/3G模块和GPS模块与远程中心服务器无线连接；所述的嵌入式触摸屏与监控MCU连接。
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