CN203241793U - 一种基于物联网的农业生产监控及管理系统 - Google Patents

一种基于物联网的农业生产监控及管理系统 Download PDF

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Abstract

一种基于物联网的农业生产监控及管理系统，包括有：信息采集及网络通信模块，包括有信息采集模块、至少一个无线传感采集器、及ZigBee/GPRS网关或ZigBee/3G网关，所述信息采集模块包括有农业环境信息传感器、IP摄像机及RFID无线射频识别装置；功能执行模块；及综合信息控制管理系统，包括有监控中心及云服务器。本实用新型可实现对农业生产、决策管理、经营流通等领域进行数字化设计、可视化表达及智能化控制，可按照不同需求构建不同的操作平台，实现农产品在流通过程中的信息获取和数据共享，生产中精细管理和无公害监测，生产后进入流通环节安全溯源。

Description

一种基于物联网的农业生产监控及管理系统
技术领域
本实用新型涉及农业物联网领域，特别是一种基于物联网的农业生产监控及管理系统。 
背景技术
我国农业正处于传统农业向现代农业转型时期，农业生产由粗放型经营向集约化经营方式的转变，全面实践这一新技术体系的转变，物联网技术将发挥独特而重要的作用，经过几年的发展，国内初步开始形成农业物联网的一些具体应用。以信息传感设备，无线传感网，互联网和智能信息处理为核心的农业物联网，可以实现对土壤，农作物，及其生态环境从宏观到微观的实时监测，可以提高农业生产经营精细化管理水平，可实现农产品与食品安全可追溯，可以构建各种服务平台。但是目前在精细化管理方面主要是对信息采集的高效性，全面性（包括作物信息，农田环境信息，农机作业信息等）和低成本化，易维护性（包括远程工况监测和故障监测诊断），以及基于信息和计算机处理的智能化管理决策模型，无公害食品安全的源头监测等等，都存在一定缺陷，在国内，农业物联网的应用层方面，主要是根据农业产业不同构建不同的体系，如大田的，设施园艺，水产养殖等，各体系结构差异较大，系统之间兼容性差，感知数据和各种服务难以共享，提供平台也较单一。 
实用新型内容
本实用新型的主要目的是克服现有技术的缺点，提供一种可实现对农业生产、决策管理、经营流通等领域进行数字化设计、可视化表达及智能化控制的基于物联网的农业生产监控及管理系统。 
本实用新型采用如下技术方案： 
一种基于物联网的农业生产监控及管理系统，包括有： 
信息采集及网络通信模块，包括有信息采集模块、至少一个无线传感采集器、及ZigBee/GPRS网关或ZigBee/3G网关，所述信息采集模块包括有农业环境信息传感器、IP摄像机及RFID无线射频识别装置，所述无线传感采集器及ZigBee/GPRS网关或ZigBee/3G网关均包括有主控板及连接于主控板的ZigBee无线数传模块和通信接口，所述ZigBee/GPRS网关或ZigBee/3G网关还包括有连接于主控板的由GPRS或3G嵌入GPS定位装置形成的GPRS+GPS或3G+GPS双合一模块； 
功能执行模块，包括有至少一个功能执行单元； 
及综合信息控制管理系统，包括有监控中心及云服务器。 
优选地，所述农业环境信息传感器包括有土壤含水率传感器、土壤PH值传感器、空气温度传感器、空气湿度传感器及日照时间检测装置，所述土壤含水率传感器采用FDR型，所述空气温度传感器及空气湿度传感器采用微型防护型温湿度探头，采用两线数字输出，所述土壤PH值传感器采用高精度PH电极。 
优选地，所述功能执行模块包括有喷溉执行单元及用于控制喷溉执行单元的无线阀门控制器。 
所述无线阀门控制器由控制及驱动电路、连接于控制及驱动电路的ZigBee无线数传模块、喷溉受控机构及小容量电池和连接于小容量电池的简易太阳能控制器组成。 
优选地，所述无线传感采集器和ZigBee/GPRS网关或ZigBee/3G网关的主控板采用ARM主板，无线传感采集器和ZigBee/GPRS网关或ZigBee/3G网关还包括有外接于ARM主板的移位告警电路、门禁电路、太阳能控制器及蓄电池，无线传感采集器和ZigBee/GPRS网关或ZigBee/3G网关的ARM主板通过SPI接口或RS485接口连接土壤含水率传感器、土壤PH值传感器、空气温度传感器、空气湿度传感器及喷溉执行单元，通过RS-232接口连接ZigBee无线数传模块，所述ZigBee/GPRS网关 或ZigBee/3G网关的ARM主板通过IP摄像机接口连接IP摄像机，通过RS-232接口连接GPRS+GPS或3G+GPS双合一模块，所述日照时间检测电路连接于太阳能控制器，通过太阳能板的电压输出情况判断日照时间。 
优选地，多个无线传感采集器可通过一个ZigBee/GPRS网关或ZigBee/3G网关接入移动通信网络，GPRS以TCP/IP方式无缝连接互联网，ZigBee/GPRS网关或ZigBee/3G网关也可连接现场计算机以实现实时监测及精细化控制，所述ARM主板通过TCP/IP接口模块实现接入互联网，可通过USB接口实现与移动设备连接。 
所述移动设备为计算机、智能手机或平板电脑，均可实现远程监控。 
优选地，所述监控中心采用触摸屏进行显示与控制，所述触摸屏采用所述门禁电路的信号作为供电控制信号，以减少整机的功耗，所述监控中心还连接有短信网关。 
优选地，所述RFID无线射频识别装置外接于监控中心计算机，RFID无线射频识别装置中的电子标签附在被识别农产品包装的表面或内部，可实现产品生产溯源。 
优选地，所述云服务器包括有数据库服务器、GIS服务器及Web服务器，所述Web服务器采用B/S模式。 
由上述对实用新型的描述可知，与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果： 
第一，土壤含水率传感器采用FDR型，可以直接埋入土壤中使用且不受腐蚀，能保证较长的使用寿命；空气温湿度传感器采用微型防护型温湿度探头，具有非常高的一致性，可以适应室外各种环境工作，具有较高的精度； 
第二，设置有移位告警电路和门禁电路，可防止节点受到人为的破坏； 
第三，GPRS+GPS或3G+GPS双合一模块采用GPS技术进行定位，可根据区间要 素的空间变量数据，精确设定最佳施肥、播种、喷溉、喷药除虫等多种操作，可实现变量施肥、喷溉及喷药等，实现精细农业生产，可减少因过量施肥、喷药未经作物完全吸收就渗透到地表与扩散到江河、湖泊而造成的环境污染，同时，还可对无公害农作物基地农药含量进行实时监测，以保证绿色无公害食品在源头有效控制； 
第四，采用IP摄像机对农作物的病虫害进行拍摄，远程监视分析，利用GPS技术实现监测农作物长势和虫害迁飞路线、种群及危害程度，可以提供区域的流行虫害实际分布； 
第五，采用触摸屏进行显示与控制，操作简单、方便，同时，触摸屏采用门禁电路的信号作为供电控制信号，以减少整机的功耗； 
第六，采用无线阀门控制器，可大大减少无线传感采集器的投入，从而大幅度降低整个系统的费用投入； 
第七，设置RFID无线射频识别装置，同时与GPS定位装置相结合，可对农作物的生产者、品名、品种、等级、净重、收获期、农田代码及生产包装等信息实现溯源，同时，可记录药物使用情况，提供种植基地的土壤信息，实现无公害绿色食品在源头得以控制。此外，通过RFID无线射频识别装置在农作物阶段性出产和销售，建立一整套管理，把RFID无线射频识别装置中的电子标签附在被识别农产品包装的表面或内部，产品可拥有进入国内外市场的“身份证”，实现产品生产溯源，给有地方特色农产品带来品牌效应，同时提高农产品物流管理能力、质量监督能力和可追溯能力； 
第八、在监控中心设有短信网关，可以实现气象信息预警，可以预订当地的气象短信，以便随时知道气象信息，通知管理人员作出防灾准备，该短信网关还可以用于激活无线传感网WSN的GPRS网关，以减少在线流量费用； 
总之，本实用新型可实现对农业生产、决策管理、经营流通等领域进行数字化 设计、可视化表达及智能化控制，可按照用户的不同需求构建不同的操作平台，如农田种植，温室大棚，设施园艺等，实现农产品在流通过程中的信息获取和数据共享，实现农产品在生产中精细管理和无公害监测，在生产后进入流通环节安全溯源。本实用新型基于云模式的农村科技信息服务综合平台构建，以实现互联网设备共享，公共信息共享，专家互动，服务软件共享以及农户管理，可以提供信息查询、信息发布、电子商务等多种业务。该平台支持建立虚拟化远程专家视频互动服务中心，可以为一个市、县、企业单独建立专家虚拟服务器，以提供各种咨询服务。此外，本实用新型充分利用了互联网的优势，加快了蔬菜农残数据的采集与发布，基于Web、GIS的蔬菜安全生产和观光农业的建设，均可在本实用新型的架构下扩展。 
附图说明
图1是本实用新型具体实施方式的基于物联网的农业生产监控及管理系统的整体架构图； 
图2是本实用新型具体实施方式的无线传感采集器主机的结构框图； 
图3是本实用新型具体实施方式的ZigBee/GPRS网关的结构框图； 
图4是本实用新型具体实施方式的ARM主板的结构框图； 
图5是本实用新型具体实施方式的无线阀门控制器的结构框图。 
图中：1.无线传感采集器，2.ZigBee/GPRS网关，3.IP摄像机，4.RFID无线射频识别装置，5.土壤含水率传感器，6.土壤PH值传感器，7.空气温度传感器，8.空气湿度传感器，9.日照时间检测装置，10.ARM主板，11.zigbee无线数传模块，12.GPRS+GPS双合一模块，13.喷溉执行单元，14.无线阀门控制器，15.监控中心，16.云服务器，17.控制及驱动电路，18.喷溉受控机构，19.小容量电池，20.简易太阳能控制器，21.移位告警电路，22.门禁电路，23.太阳能控制器，24.蓄电池，25.SPI接口，26.移动通信网络，27.互联网，28.短信网关，29.数据库服务器， 30.GIS服务器，31.Web服务器。 
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本实用新型作进一步的描述。 
参照图1、图2、图3、图4和图5，本实用新型的一种基于物联网的农业生产监控及管理系统，包括有：信息采集及网络通信模块，包括有信息采集模块、至少一个无线传感采集器1、及ZigBee/GPRS网关2，所述信息采集模块包括有农业环境信息传感器、IP摄像机3及RFID无线射频识别装置4，所述农业环境信息传感器包括有土壤含水率传感器5、土壤PH值传感器6、空气温度传感器7、空气湿度传感器8及日照时间检测装置9，所述无线传感采集器1及ZigBee/GPRS网关2均包括有ARM主板10及连接于ARM主板10的ZigBee无线数传模块11和通信接口，所述ZigBee/GPRS网关2还包括有连接于ARM主板10的由GPRS嵌入GPS定位装置形成的GPRS+GPS双合一模块12；功能执行模块，包括有喷溉执行单元13及用于控制喷溉执行单元13的无线阀门控制器14；及综合信息控制管理系统，包括有监控中心15及云服务器16。 
参照图1、图2、图3和图4，所述土壤含水率传感器5采用FDR型，实现对土壤水分监测，在可靠性与测量速度上，其与TDR型和FD型土壤水分传感器相比具有更大的优势，以环氧树脂密封胶灌封，可以直接埋入土壤中使用且不受腐蚀，能保证较长的使用寿命，测量范围0～100%，测量精度3%FSD。所述空气温度传感器7及空气湿度传感器8采用微型防护型温、湿度探头，采用两线数字输出，具有非常高的一致性、采用铜烧结网的防护，可以适应室外各种环境工作，具有较高的精度，其中：湿度测量精度：±1.8%RH，温度测量精度：±0.3℃。所述土壤PH值传感器6采用高精度PH电极，实现对土壤PH值的监测，支持标准MODBUS RTU/ACSII工业数据总线协议，具有外部命令校准，自动温度补偿等功能，防护等 级IP54。所述日照时间检测装置9通过太阳能板的电压输出情况判断日照时间。采用总线技术，可以根据需要增加无线传感采集器1及ZigBee/GPRS网关2的外挂传感器。 
参照图1和图5，所述无线阀门控制器14由控制及驱动电路17、连接于控制及驱动电路17的ZigBee无线数传模块11、喷溉受控机构18及小容量电池19和连接于小容量电池19的简易太阳能控制器20组成，根据监测土壤和空气的参数，当需要对农作物进行喷溉时，即发出指令给分布在各田间给水管道的无线阀门控制器14进行同步自动喷灌，当空气和土壤的指标正常时，发出停止喷灌指令给无线阀门控制器14，控制器停止喷灌。采用该无线阀门控制器14进行分布式喷灌，可大大减少无线传感采集器1的投入，从而大幅度降低整个系统的费用投入。 
参照图1、图2、图3和图4，所述无线传感采集器1和ZigBee/GPRS网关2还包括有外接于ARM主板10的移位告警电路21、门禁电路22、太阳能控制器23及蓄电池24，通过设置移位告警电路21及门禁电路22可防止节点受到人为的破坏。无线传感采集器1和ZigBee/GPRS网关2的ARM主板10通过SPI接口25或RS485接口连接土壤含水率传感器5、土壤PH值传感器6、空气温度传感器7、空气湿度传感器8及喷溉执行单元13，通过RS-232接口连接ZigBee无线数传模块11，所述ZigBee/GPRS网关2的ARM主板10通过IP摄像机接口连接IP摄像机3，通过RS-232接口连接GPRS+GPS双合一模块12，所述日照时间检测电路9连接于太阳能控制器23，通过太阳能板的电压输出情况判断日照时间。所述无线无线传感采集器1和ZigBee/GPRS网关2还外接有2.4GHz天线，GPS天线及GPRS天线。 
参照图3，所述IP摄像机3可对农作物的病虫害进行拍摄，远程监视分析，利用GPS技术实现监测农作物长势和虫害迁飞路线、种群及危害程度，可以提供区域的流行虫害实际分布。 
参照图1、图2、图3和图4，多个无线传感采集器1可通过一个ZigBee/GPRS网关2接入移动通信网络26，GPRS以TCP/IP方式无缝连接互联网27，ZigBee/GPRS网关2也可连接现场计算机以实现实时监测及精细化控制，所述ARM主板10通过TCP/IP接口模块实现接入互联网27，可通过USB接口实现与移动设备连接。所述移动设备为计算机、智能手机或平板电脑，均可实现远程监控。 
参照图1和图3，所述信息采集及网络通信模块与功能执行模块共同构成无线传感网络WSN。所述GPRS+GPS双合一模块12采用兼容设计，可以采用GPS+WCDMA或GPS+CDMA2000方式进行数据传输。GPRS+GPS双合一模块12实现的功能是：GPRS可以提供端到端的、广域的无线IP连接，使用GPRS后，数据可以实现分组发送和接收，用户总是在线且按流量计费，大大地降低了服务成本。可实现对无线传感网络WSN的采集信息进行远程传输，同时在远程对无线传感网络WSN实施远程控制。GPRS+GPS双合一模块12采用GPS技术进行定位，可根据区间要素的空间变量数据，精确设定最佳施肥、播种、喷溉、喷药除虫等多种操作，可实现变量施肥、喷溉及喷药等，实现精细农业生产，可减少因过量施肥、喷药未经作物完全吸收就渗透到地表与扩散到江河、湖泊而造成的环境污染，同时，还可对无公害农作物基地农药含量进行实时监测，以保证绿色无公害食品在源头有效控制。 
为克服频繁重复的数据请求及数据包传输效率低，通信费用较高，设备响应延时及传输的间隔时间限制等问题，本实用新型采用主动轮询的方式对数据进行采集，当远程计算机发请求信号，GPRS及时把预先采集数据上传（暂存储在FLASH）；采用有告警信息主动上传的方法，当出现采样值超限、状态位改变等异常现象，可以及时告警并主动上传。本实用新型还可以利用GPRS在远程计算机上根据无线传感网络WSN相关的具体应用进行远程升级或软件配置，由无线传感采集器1和ZigBee/GPRS无线网关2组成多跳自组织网（基于802.15.4协议），其网络组网有 三种方式：星型网，链状网，网状网，均可通过远程GPRS设置。同时，本实用新型中的GPRS也可采用3G代替，也可升级扩展到4GLTE移动网络。 
参照图1、图2和图3，所述监控中心15采用触摸屏进行显示与控制，可实现实时采集数据的显示和参数设置。所述触摸屏采用所述门禁电路22的信号作为供电控制信号，以减少整机的功耗，所述监控中心15还连接有短信网关28。 
参照图1，所述RFID无线射频识别装置4外接于监控中心15计算机，通过RFID无线射频识别装置4，对农作物的生产者，品名，品种，等级，净重，收获期，农田代码，生产包装等信息实现溯源，还可记录药物使用情况，同时与GPS技术相结合，提供种植基地的土壤信息，实现无公害绿色食品，可在ARM主板10扩展接入喷药在线监测设备，保证无公害食品在源头得以控制。另外，利用RFID无线射频识别装置4在农作物阶段性出产和销售，建立一整套管理，把RFID无线射频识别装置4中的电子标签附在被识别农产品包装的表面或内部，产品可拥有了进入国内外市场的“身份证”，实现产品生产溯源，给有地方特色农产品带来品牌效应，同时提高农产品物流管理能力、质量监督能力和可追溯能力。 
参照图1，所述云服务器16包括有数据库服务器29、GIS服务器30及Web服务器31，所述Web服务器31采用B/S模式。Web服务器31可以用来发布生产管理，安全溯源与服务平台，采用Web服务器31以及互联网27，可将采集的信息如空气温湿度，土壤含水率，土壤PH值等，和处理信息发布在网上，以供查询。GIS服务器30接受来自Web服务器31的请求，处理GIS图形和事件，再将处理结果传给Web服务器31。此外，基于Web的蔬菜农药残留检测网络监控系统充分利用了互联网27的优势，加快了蔬菜农残数据的采集与发布。基于Web、GIS的蔬菜安全生产和观光农业的建设，均可在本实用新型的架构下扩展。 
本实用新型设计基于云模式的农村科技信息服务综合平台构建，以实现互联网 27设备共享，公共信息共享，专家互动，服务软件共享以及农户管理。基于云模式的平台可以提供多种业务，通过农业专家系统、电子邮件、QQ聊天、QQ虚拟农场，IP摄像机3，RSS、远程视频培训、宽带视频互动、电子公告、语音、短信等方式进行信息查询、信息发布（包括气象信息、土壤信息、基地场景，农业观光，施肥配方、病虫害状况，种子信息，土地政策、农产品市场分析预测及食品溯源）、电子商务等等业务。该平台支持建立虚拟化远程专家视频互动服务中心，可以为一个市、县、企业单独建立专家虚拟服务器，以提供各种咨询服务。 
上述仅为本实用新型的一个具体实施方式，但本实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均应属于侵犯本实用新型保护范围的行为。 

Claims (10)

1.一种基于物联网的农业生产监控及管理系统，其特征在于：包括有： 
信息采集及网络通信模块，包括有信息采集模块、至少一个无线传感采集器、及ZigBee/GPRS网关或ZigBee/3G网关，所述信息采集模块包括有农业环境信息传感器、IP摄像机及RFID无线射频识别装置，所述无线传感采集器及ZigBee/GPRS网关或ZigBee/3G网关均包括有主控板及连接于主控板的ZigBee无线数传模块和通信接口，所述ZigBee/GPRS网关或ZigBee/3G网关还包括有连接于主控板的由GPRS或3G嵌入GPS定位装置形成的GPRS+GPS或3G+GPS双合一模块； 
功能执行模块，包括有至少一个功能执行单元； 
及综合信息控制管理系统，包括有监控中心及云服务器。 
2.如权利要求1所述的一种基于物联网的农业生产监控及管理系统，其特征在于：所述农业环境信息传感器包括有土壤含水率传感器、土壤PH值传感器、空气温度传感器、空气湿度传感器及日照时间检测装置，所述土壤含水率传感器采用FDR型，所述空气温度传感器及空气湿度传感器采用微型防护型温湿度探头，采用两线数字输出，所述土壤PH值传感器采用高精度PH电极。 
3.如权利要求2所述的一种基于物联网的农业生产监控及管理系统，其特征在于：所述功能执行模块包括有喷溉执行单元及用于控制喷溉执行单元的无线阀门控制器。 
4.如权利要求3所述的一种基于物联网的农业生产监控及管理系统，其特征在于：所述无线阀门控制器由控制及驱动电路、连接于控制及驱动电路的ZigBee无线数传模块、喷溉受控机构及小容量电池和连接于小容量电池的简易太阳能控制器组成。 
5.如权利要求3所述的一种基于物联网的农业生产监控及管理系统，其特征在于：所述无线传感采集器和ZigBee/GPRS网关或ZigBee/3G网关的主控板采用 ARM主板，无线传感采集器和ZigBee/GPRS网关或ZigBee/3G网关还包括有外接于ARM主板的移位告警电路、门禁电路、太阳能控制器及蓄电池，无线传感采集器和ZigBee/GPRS网关或ZigBee/3G网关的ARM主板通过SPI接口或RS485接口连接土壤含水率传感器、土壤PH值传感器、空气温度传感器、空气湿度传感器及喷溉执行单元，通过RS-232接口连接ZigBee无线数传模块，所述ZigBee/GPRS网关或ZigBee/3G网关的ARM主板通过IP摄像机接口连接IP摄像机，通过RS-232接口连接GPRS+GPS或3G+GPS双合一模块，所述日照时间检测电路连接于太阳能控制器，通过太阳能板的电压输出情况判断日照时间。 
6.如权利要求5所述的一种基于物联网的农业生产监控及管理系统，其特征在于：多个无线传感采集器可通过一个ZigBee/GPRS网关或ZigBee/3G网关接入移动通信网络，GPRS以TCP/IP方式无缝连接互联网，ZigBee/GPRS网关或ZigBee/3G网关也可连接现场计算机以实现实时监测及精细化控制，所述ARM主板通过TCP/IP接口模块实现接入互联网，可通过USB接口实现与移动设备连接。 
7.如权利要求6所述的一种基于物联网的农业生产监控及管理系统，其特征在于：所述移动设备为计算机、智能手机或平板电脑，均可实现远程监控。 
8.如权利要求5所述的一种基于物联网的农业生产监控及管理系统，其特征在于：所述监控中心采用触摸屏进行显示与控制，所述触摸屏采用所述门禁电路的信号作为供电控制信号，以减少整机的功耗，所述监控中心还连接有短信网关。 
9.如权利要求1所述的一种基于物联网的农业生产监控及管理系统，其特征在于：所述RFID无线射频识别装置外接于监控中心计算机，RFID无线射频识别装置中的电子标签附在被识别农产品包装的表面或内部，可实现产品生产溯源。 
10.如权利要求1所述的一种基于物联网的农业生产监控及管理系统，其特征在于：所述云服务器包括有数据库服务器、GIS服务器及Web服务器，所述Web服 务器采用B/S模式。 
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