CN206515716U

CN206515716U - 一种基于物联网的温室系统

Info

Publication number: CN206515716U
Application number: CN201621475505.4U
Authority: CN
Inventors: 张文梅; 廖福保; 刘建成; 刘光壮; 姚曙光; 崔楠
Original assignee: Guangdong Agriculture Industry And Commerce Vocationl Technical College
Current assignee: Guangdong Agriculture Industry And Commerce Vocationl Technical College
Priority date: 2016-12-30
Filing date: 2016-12-30
Publication date: 2017-09-22
Anticipated expiration: 2026-12-30

Abstract

本实用新型公开了一种基于物联网的温室系统，包括上位机模块和下位机模块，上位机模块包括互联网模块和Web客户端、移动控制端和服务器，下位机模块包括协调器节点、控制节点和信息采集节点，协调器节点采用Zigbee协调器，控制节点包括Zigbee控制节点以及分别连接在Zigbee控制节点上的风机、喷水灌溉设备、加热器和卷帘门，信息采集节点包括Zigbee传感器节点以及连接在Zigbee传感器节点上的温度传感器、湿度传感器和光照传感器，服务器通过串行通信模块与Zigbee协调器相连接；本实用新型具有布局、操作灵活的特点，融合多种操作管理模式，便于管理、稳定可靠，低成本低功耗，具有良好的通用性和可扩展性。

Description

一种基于物联网的温室系统

技术领域

本实用新型属于温室系统技术领域，具体涉及一种基于物联网的温室系统。

背景技术

目前，世界设施农业已经发展到较高水平，形成了成套的技术、完整的设施设备和生产规范，并在向无人化、智能化、网络化和无线化方向发展。而我国设施农业研究始于20世纪80年代后期，经过几十年的发展，取得了很大的发展。但是与设施农业比较发达的国家相比，仍有较大的差距，主要表现在：(1)设施水平低下；(2)机械化程度低；(3)环境监控系统的技术含量低，智能化、自动化程度不高，难以满足现代农业生产的实际需求。

在我国可持续发展战略指导下，开发低价位、先进实用的现代农业控制系统及有效的管理系统已经成为我国现代农业发展所面临的重要课题。

实用新型内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本实用新型提供一种布局、操作灵活、低成本低功耗且具有良好通用性和可扩展性的基于物联网的温室系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于物联网的温室系统，包括上位机模块和下位机模块，所述的上位机模块包括互联网模块和分别连接在互联网模块上的Web客户端、移动控制端和服务器，所述的下位机模块包括协调器节点、控制节点和信息采集节点，所述的协调器节点采用Zigbee协调器，所述的控制节点包括Zigbee控制节点以及分别连接在Zigbee控制节点上的风机、喷水灌溉设备、加热器和卷帘门，所述的信息采集节点包括Zigbee传感器节点以及分别连接在Zigbee传感器节点上的温度传感器、湿度传感器和光照传感器，所述的服务器通过串行通信模块与Zigbee协调器相连接。

所述的服务器内设置有系统控制模块。

所述的Zigbee控制节点与风机、喷水灌溉设备、加热器和卷帘门之间分别设置有10A接触器、电磁阀、继电器和步进电机，所述的Zigbee控制节点通过驱动用集成电路控制10A接触器和电磁阀。

所述的Zigbee协调器、Zigbee传感器节点和Zigbee控制节点均采用CC2530芯片。

所述的驱动用集成电路采用ULN2803。

本实用新型的有益效果是：

1、布局灵活。本实用新型采用Zigbee无线组网技术，有效避免了有线布线造成的线路杂乱和移动不便，可将信息采集节点与控制节点根据场地需要灵活放置，降低维护成本和扩建成本。

2、便于管理。系统控制模块将采集数据与操作记录保存到数据库，同时为管理人员提供农作物生产相关参数的设定调节入口，有利于科学决策。

3、低成本低功耗。本实用新型基于物联网体系结构，采用主流的Zigbee无线组网技术，节能低耗，自动感知农作物生活环境参数，自动调节控制设备，降低人工成本；能够根据种植田面积灵活增加节点模块，不会因为监测点过多而使布线复杂，降低系统维护运营成本。

4、融合多种操作管理模式。本实用新型不仅开发了传统的桌面管理系统和Web管理系统，还设计了智能手机管理软件，能够利用手机进行远程操作管理，使控制更加灵活和人性化。

5、良好通用性和可扩展性。本实用新型通过核心的无线组网功能和系统控制模块，增加无线信息采集节点，或者改变相应的信息采集节点和底层终端控制设备，就能实现系统扩展或适应新的应用领域。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的硬件框图；

图3 为本实用新型的系统软件框图；

图4为本实用新型的终端节点工作流程。

各附图标记为：1—Web客户端，2—互联网模块，3—移动控制端，4—服务器，5—系统控制模块，6—串行通信模块，7—Zigbee协调器，8—Zigbee传感器节点，9—Zigbee控制节点，10—种植田，11—温度传感器，12—湿度传感器，13—光照传感器，14—风机，15—喷水灌溉设备，16—加热器，17—卷帘门，18—步进电机，19—继电器，20—其他传感器，21—驱动用集成电路，22—电磁阀，23—10A接触器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

参照图1—图2所示，本实用新型公开了一种基于物联网的温室系统，包括上位机模块和下位机模块，所述的上位机模块包括互联网模块2（即internet）和分别连接在互联网模块2上的Web客户端1、移动控制端3和服务器4。上位机模块分为两部分，其功能都是实现数据的存储，数据的显示，以及控制功能。

1、Web 站点服务

Web页面能将后台采集到的数据进行生动的显示，同样具备控制功能，这样的话，就能具备远程控制能力了，只要能上网，就能访问Web页面，也就能进行控制。

2、桌面控制程序

桌面控制程序部署在服务器4，负责将Zigbee协调器7收到的数据存入数据库中，同样的，也提供了数据显示以及控制功能。

上位机模块的控制提供了智能控制和手动操作，能够根据需要，进行实时地控制。

所述的下位机模块包括协调器节点、控制节点和信息采集节点，所述的协调器节点，主要是组网，对信息采集节点的数据收集，并根据采集到的数据，发送相应的控制指令给控制节点；所述的控制节点，主要是对PC端Zigbee协调器7发出的数据进行相应的控制，其中的控制包括风机14、喷水灌溉设备15、加热器16和卷帘门17的启动，步进电机18的操纵等；所述的采集节点，这里主要有两个采集数据的节点：温度传感器11和湿度传感器12 负责收集温、湿度，光照传感器13 负责收集光照强度数据，周期性的采集信息；所述的协调器节点采用Zigbee协调器7，所述的控制节点包括Zigbee控制节点9以及分别连接在Zigbee控制节点9上的风机14、喷水灌溉设备15、加热器16和卷帘门17，所述的信息采集节点包括Zigbee传感器节点8以及分别连接在Zigbee传感器节点8上的温度传感器11、湿度传感器12和光照传感器13，所述的Zigbee传感器节点8上还可以连接其他传感器20，所述的服务器4通过串行通信模块6与Zigbee协调器7相连接。

所述的服务器4内设置有系统控制模块5。

所述的Zigbee控制节点9与风机14、喷水灌溉设备15、加热器16和卷帘门17之间分别设置有10A接触器23、电磁阀22、继电器19和步进电机18，所述的Zigbee控制节点9通过驱动用集成电路21控制10A接触器23和电磁阀22。

所述的Zigbee协调器7、Zigbee传感器节点8和Zigbee控制节点9均采用CC2530芯片。

所述的驱动用集成电路21采用ULN2803。

使用时，搭建一个温室环境，在其中设置Zigbee传感器节点8和Zigbee控制节点9，采用无线组网技术，实时采集影响作物生长的环境参数并传递给系统控制模块5，系统控制模块5对数据分析处理，根据植物生长需求发送控制指令给Zigbee控制节点9，进一步驱动控制设备来调节环境参数，从而实现温室大棚的智能控制。

其中本实用新型是基于先进的物联网系统架构，实现温室大棚环境参数自动采集与调节控制，自动为农作物生长提供适宜的生长环境。本实用新型利用Zigbee技术构建无线传感网，应用多线程技术、web service技术设计桌面管理软件和WEB管理系统，还开发基于Android的移动终端管理软件，使系统控制管理更加灵活。

本实用新型包括感知层设计、传输层设计和应用层设计，感知层设计采用Zigbee技术，将系统所需传感器与Zigbee传感器节点8组合构造无线信息采集节点，实现底层无线感知网；传输层设计传感器采集的农田参数通过Zigbee传感器节点8无线传递给Zigbee协调器7，再经串口通信模块6传输给PC机系统控制模块5，PC机系统控制模块5分析处理接收的数据，将控制指令经Zigbee协调器7无线传输给农田现场的Zigbee控制节点9；应用层设计采用PC端系统控制模块5将接收到的采集信息保存到数据库，根据农业专家策略发送控制指令自动调节农田环境参数，移动控制端3基于Webservice技术和Android平台，供用户随时随地查看农田环境参数并进行控制管理。

图3 为本实用新型的系统软件框图，包括上层管理系统和底层信息采集与控制软件。图4为本实用新型的终端节点工作流程。根据图3、图4所示，本实用新型的主要数据结构设计为：

一、PC端的串口助手

1）必须有一条线程能够实时地扫描数据库的指令字段，一旦指令字段有数据，就马上通过串口发送给Zigbee协调器7。

控制指令的格式：

1.1) AThhllHhhllIhhhlll 数据从高到低

A表示自动控制，T表示温度，H表示湿度，I表示光照强度。

后面的hhll 表示自动控制的上下限，即如果超过上下限，那么自动处理。

注：光照越强，I越小。

例如： AT4030H4030I100050

表示如果温、湿度或是光照超过上面设置的范围，那么Zigbee协调器7会自动发送控制指令给控制节点做出处理。

1.2） PNX （本次修改）

表示手动控制指令

注：在设置手动控制之前，必须取消自动控制，即手动与自动是互斥的控制按钮。

P表示操作的对象（指令的前缀）；

N表示控制的类型：

1表示风机14，2表示喷水灌溉设备15，3表示加热器16，4表示卷帘门17。

X表示操作的目的：

1 表示开，0 表示关。

例如：P41 , 表示卷帘门17开。 P21，表示开喷水灌溉设备15。

2）能够将Zigbee协调器7通过串口发送过来的数据，保存到数据库。

2.1) 收到传感器数据，存入数据库。

2.2）收到反馈指令，存入数据库，并在Web页面进行提示。

串行通信模块6发送控制指令出去之后，就开始计时，如果超过1分钟，没有收到反馈信息的话，就提示操作失败。

二、Zigbee协调器7（Zigbee协调器7发送的数据信息来自PC端串口助手发送的串口信息）。

1）收到控制指令：

1.1）收到AThhllHhhllIhhhlll 指令

表示自动控制，也就是Zigbee协调器7在收到传感器的数据信息时，先进行判断，如果满足触发条件，则自动发送控制指令给控制节点，让控制节点进行工作。

1.1.1）将全局变量Auto置1。

1.1.2）将指令中的数据取出来，依次存放到TH,TL,HH,HL,IH,IL中。

1.3）收到 PNX 指令。

1.3.1）将全局变量Auto清零。

1.3.2）将控制指令发送出去。

: SAMPLEAPP_CONTROL_CLUSTERID 9

2）收到传感器的数据（本次修改）

2.1）判断全局变量Auto的值，如果为0，则直接将收据发给串口。

2.2）如果为1，则进行判断。

温度超过设定的值：用LED模拟。

发给控制节点：

如果大于温度：关加热器16，指令 P30

如果小于温度：开加热器16，指令 P31

湿度超过设定的值：风机14开或是喷水灌溉设备15关闭。

发给控制节点：

如果大于湿度：喷水灌溉设备15关，开风机14，指令PH11 。

如果小于湿度：喷水灌溉设备15开，关风机14，指令PH21。

光照超过设定的值：卷帘门17的转动。

发给控制节点：

如果光照太小了：正向转动，指令格式： P41.

如果光照太大了：逆向转动，指令格式： P40。

每次转动的角度是45°。

注：光照的数据必须是三位的数据，不足三位的数据，前面补零。

2.3）不管如何，都发送传感器数据给Zigbee协调器7。

格式： ThlHhlIhhhlll。

2.4) 收到反馈信息（本次修改）。

格式：YCX。X表示反馈信息的种类类型。

X：1表示风机14，2表示喷水灌溉设备15，3表示加热器16，4表示卷帘门17。

YC1，表示控制节点已经成功处理风机14了。

三、控制节点

1）为了确保控制节点与Zigbee协调器7之间信息的连续通讯，所以控制节点会周期性地发送测试数据给Zigbee协调器7，如果连续超过三次发送数据失败，则让控制节点重新启动。

指令格式：TN

验证ID SAMPLEAPP_CONTROL_CLUSTERID 9

时间间隔：1秒发送一次，如果超过三次发送失败，则重新启动连接入网。

2）收到控制指令的识别处理(本次修改）。

指令格式：PNX

P表示操作的对象（指令的前缀）；

N表示控制的类型：

0表示取消操作，1表示风机14，2表示喷水灌溉设备15，3表示加热器16，4表示卷帘门17；

X表示操作的目的：

1 表示正向，2 表示逆向。

例如： P41 表示卷帘门17正向；P21表示开喷水灌溉设备15.

3）发送反馈信息 (本次修改）

当控制节点收到控制信息，并作出处理后，发送一个反馈信息给Zigbee协调器7。

格式： YCX。X表示反馈信息的种类类型。

YC1表示控制节点已经成功处理风机14了。

四、传感器的数据处理。

1）发送给上位机模块的数据格式：M1THLHHLI123

1是机器号，HL是两位的温湿度数据,T表示温度，H表示湿度，I 表示光照强度。

光照强度越大，I越小。

2）发送周期：

默认的发送周期是：一秒发送一次。

SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_TIMEOUT = 1000。

3) 传感器收集的数据

温度传感器11和湿度传感器12收集温、湿度信息；

光照传感器13收集光照信息。

操作灵活。

根据 IDC最新数据显示，在2013年第三季度的智能手机领域，Android 手机的市场份额为 75%。开发基于Android平台的手机端控制软件，为工作人员随时随地查看管理农田信息提供更便捷的方式。

稳定可靠。

无线组网最担心节点中途掉线不能继续工作，本实用新型特别设计了“心跳包”检测程序，如果某节点15秒或设定时间没有收到联络信号，就自主启动重新联网，确保传感器节点和控制节点正常接入网络，大大提高了系统工作的稳定性和可靠性。

自定义通信协议。

根据网络传输检测原理，开发了“心跳包”信号检测程序，实现无线传感器节点和无线控制节点有效自检自恢复，从而保证无线传感网终端节点工作可靠性。

布局灵活。

本实用新型采用Zigbee无线组网技术，有效避免了有线布线造成的线路杂乱和移动不便，可将信息采集节点与控制节点根据场地需要灵活放置，降低维护成本和扩建成本。

便于管理。

系统控制模块将采集数据与操作记录保存到数据库，同时为管理人员提供农作物生产相关参数的设定调节入口，有利于科学决策。

低成本低功耗。

本实用新型基于物联网体系结构，采用主流的Zigbee无线组网技术，节能低耗，自动感知农作物生活环境参数，自动调节控制设备，降低人工成本；能够根据种植田面积灵活增加节点模块，不会因为监测点过多而使布线复杂，降低系统维护运营成本。

融合多种操作管理模式。

本实用新型不仅开发了传统的桌面管理系统和Web管理系统，还设计了智能手机管理软件，能够利用手机进行远程操作管理，使控制更加灵活和人性化。

良好通用性和可扩展性。

本实用新型通过核心的无线组网功能和系统控制模块，增加无线信息采集节点，或者改变相应的信息采集节点和底层终端控制设备，就能实现系统扩展或适应新的应用领域。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种基于物联网的温室系统，其特征在于：包括上位机模块和下位机模块，所述的上位机模块包括互联网模块（2）和分别连接在互联网模块（2）上的Web客户端（1）、移动控制端（3）和服务器（4），所述的下位机模块包括协调器节点、控制节点和信息采集节点，所述的协调器节点采用Zigbee协调器（7），所述的控制节点包括Zigbee控制节点（9）以及分别连接在Zigbee控制节点（9）上的风机（14）、喷水灌溉设备（15）、加热器（16）和卷帘门（17），所述的信息采集节点包括Zigbee传感器节点（8）以及分别连接在Zigbee传感器节点（8）上的温度传感器（11）、湿度传感器（12）和光照传感器（13），所述的服务器（4）通过串行通信模块（6）与Zigbee协调器（7）相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的温室系统，其特征在于，所述的服务器（4）内设置有系统控制模块（5）。

3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的温室系统，其特征在于，所述的Zigbee控制节点（9）与风机（14）、喷水灌溉设备（15）、加热器（16）和卷帘门（17）之间分别设置有10A接触器（23）、电磁阀（22）、继电器（19）和步进电机（18），所述的Zigbee控制节点（9）通过驱动用集成电路（21）控制10A接触器（23）和电磁阀（22）。

4.根据权利要求3所述的一种基于物联网的温室系统，其特征在于，所述的Zigbee协调器（7）、Zigbee传感器节点（8）和Zigbee控制节点（9）均采用CC2530芯片。

5.根据权利要求4所述的一种基于物联网的温室系统，其特征在于，所述的驱动用集成电路（21）采用ULN2803。