CN2899301Y

CN2899301Y - 使用蜂窝无线网络技术的农业监控系统及装置

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Publication number: CN2899301Y
Application number: CNU2006200229613U
Authority: CN
Inventors: 贺冬仙; 杨珀; 贺秋仙
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-05-08
Filing date: 2006-05-08
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2016-05-08

Abstract

提供一种使用蜂窝无线网络技术的农业监控系统，其特征在于：包括多媒体环境监控装置，远程服务器及其终端，所述多媒体环境监控装置通过互联的移动网络GPRS/CDMA和Internet连接远程服务器及其终端。所述多媒体环境监控装置分别连接有环境因子传感器和环境因素控制器。采用该系统不仅能够实现环境因子的实时数据传输，而且在农业生产的现场不需要进行大量布线和复杂的周边环境支持，体积小、功耗低、安装维护简单。还提供一种多媒体环境监控装置，利用该装置能够将移动无线网络资源与有线网络资源整合在一起，从而可以利用传感器技术、视频技术和控制器技术实现对各种环境要素的实时动态检测、无线数据传输、实时无线遥控及实时图像监视。

Description

使用蜂窝无线网络技术的农业监控系统及装置

技术领域

本实用新型涉及适用于农业技术等领域的远程环境监控系统，尤其是一种使用蜂窝无线网络技术的农业监控系统，以及用于该农业监控系统的多媒体环境监控装置。

背景技术

农业生产的网络化信息获取与智能化生产管理是我国“十五”期间工厂化高效农业项目的重点攻关方向，也是我国未来实现数字农业的基础与关键技术之一。随着农业生产技术的普及与推广，环境检测与生产管理的相关技术与相应装置也在不断进步与发展，尤其是设施园艺的环境监控技术得到了长足的发展。目前，我国对农业生产中的光、温、水、气、肥等环境因素综合考虑和实行全面综合的优化管理的技术体系尚未确立。对植物生长与环境的关系、综合环境变化、产量预测等模型分析和栽培专家系统等的研究很多，但是缺少进行环境因子的数据采集、获取和传输乃至环境控制的国产设施设备。而无论哪种环境检测和控制设备，一般都在依靠实地工作站或固定存储器下载数据，很多未能实现实时数据传输，并且设备庞大，连接线路复杂，设备间干扰大。同时，在野外设置也存在供电困难、可靠性差等问题，而亟待加以进一步改进。设施园艺产业的温室推广面积达到200万公顷以上，是世界上推广温室面积最多的国家，但绝大多数的温室蔬菜生产普遍存在产量低、品质差的问题。这主要是因为温室设施的环境调控及管理技术水平低，对各环境因子仅能实现单项调控，综合环境要素不能得到优化控制，实际操作多是生产者凭经验和感觉而具有很大的不确定性。

远程检测是利用网络系统在异地对远程的现场设备实施监视、测试，并根据设备状况进行控制的技术。近年来，随着自动化程度的不断提高，远程监控技术在各行各业的生产过程和监控管理等方面的应用越来越广泛。如工厂、车间、医院、宾馆、交通路口、银行等场所，尤其对一些高温环境、有害气体等场所等，远程监控显得尤为重要。目前的远程监控是使用Wi-Fi(802.11系列)技术进行远程传输，缺点如下：

1、需要大功率电源，对电网依赖性强；

2、传输路径必须无遮挡，远距离传输需要设置多个中继，只能形成地区性局域网，必须经过其它路由才能连接Internet；

3、因有极强的方向性，传输途径容易受到天气和电磁干扰；

另外，在目前的远程控制系统中，由于现场工作环境十分恶劣，对现场PC的稳定性和可靠性有较高的要求，而亟待加以进一步改进。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种使用蜂窝无线网络技术的农业监控系统，采用该系统不仅能够实现环境因子的实时数据传输，而且在农业生产的现场不需要进行大量布线和复杂的周边环境支持，体积小、功耗低、安装维护简单。

本实用新型还提供一种用于上述农业监控系统的多媒体环境监控装置，利用该装置能够将移动无线网络资源与有线网络资源整合在一起，从而可以利用传感器技术、视频技术和控制器技术实现对各种环境要素的实时动态检测、无线数据传输、实时无线遥控及实时图像监视。

本实用新型的技术方案如下：

使用蜂窝无线网络技术的农业监控系统，其特征在于：包括多媒体环境监控装置，远程服务器及其终端，所述多媒体环境监控装置通过互联的移动网络GPRS/CDMA和Internet连接远程服务器及其终端。

所述多媒体环境监控装置分别连接有环境因子传感器和环境因素控制器。

所述多媒体环境监控装置连接有摄像头。

所述多媒体环境监控装置通过蓄电池连接太阳能发电板。

所述远程服务器及其终端通过VPN路由器连接Internet。

用于上述农业监控系统的多媒体环境监控装置，包括壳体和设置于壳体内的环境监控模块，其特征在于：还设置有移动无线路由模块，所述移动无线路由模块和环境监控模块各自连接于有线网络模块，所述移动无线路由模块内设有GPRS/CDMA蜂窝网络模块。

所述移动无线路由模块内还设有虚拟专用网络模块和路由模块，并连接有以太网接口串行接口。

还设置有连接于有线网络模块的视频采集模块，该视频采集模块内设有视频接口和以太网接口。

所述的有线网络模块设置有以太网络接口。

所述环境监控模块连接有传感器接口、控制器接口和以太网接口，并内置有温度传感器。

本实用新型的技术效果如下：

由于本实用新型使用了蜂窝移动无线网络技术，将多媒体环境监控装置通过互联的移动网络GPRS/CDMA和Internet连接远程服务器及其终端，充分利用了移动无线网络技术，使得该系统不仅能够实现环境因子的实时数据传输，而且在农业生产的现场不需要进行大量布线和复杂的周边环境支持，体积小、功耗低、安装维护简单。

由于本实用新型的用于上述农业监控系统的多媒体环境监控装置，采用了移动无线路由模块，并在移动无线路由模块内设有GPRS/CDMA移动无线网络模块，连接于有线网络模块，这就将城市蜂窝无线网络资源与以太网络资源整合在一起，从而可以利用传感器技术、视频技术和控制器技术实现从异地远程对各种环境要素的实时动态检测、无线数据传输、实时无线遥控及实时图像监视。

本实用新型实现了各种环境要素的实时动态检测、无线数据传输、实时无线遥控及实时图像监视，设备体积小，生产成本低，不依赖电网，可靠性高，使用太阳能发电便于在野外大田或其他无人区使用推广。本实用新型具有环境检测与生长检测等信息一体化与集成化；可以实现远程环境控制和作业机械化；技术产品化、低成本化实现的容易性和方便性等特征。在本实用新型构成的无线网络基层上可以扩展其他网络应用。本实用新型的应用，将大大加强对影响生产条件、农业资源的气象灾害和生物灾变的宏观监测与预测警报，有利于提高可控农业生产的精确性和稳定性，从而有效地促进农业信息化，为农业生产领域带来比传统农业高数倍或数十倍的经济效益。以该环境监控装置为基础部件构建大规模超分散检测系统和农业环境灾害预警系统将会促进我国农业的高效生产和农产品价格与品质在国际贸易中的领先地位，对我国经济建设和生态与社会效益有深远的影响。

附图说明

图1为本实用新型使用蜂窝无线网络技术的农业监控系统的结构示意图。

图2为本实用新型多媒体环境监控装置电路组成示意图。

附图标记列示如下：

1-环境监控模块，2-有线网络模块，3-移动无线路由模块，4-视频采集模块，5-电源接口，11-传感器接口，12-控制器接口，13-温度传感器，21-以太网接口，31-虚拟专用网络模块即VPN，32-路由模块，33-串行接口，34-GPRS/CDMA，41-视频接口。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型的技术方案进一步说明。

如图1所示，本实用新型多媒体环境监控装置，它包括壳体，所述的壳体内设置有中央处理模块、视频采集模块4、移动无线路由模块3和有线网络模块2，环境监控模块1通过其传感器接口11连接有传感器，中央处理模块连接有线网络模块2，并且通过控制器接口12连接有控制器，视频采集模块4通过其视频接口41连接摄像头，并且通过网络接口连接有线网络模块，移动无线路由模块3通过移动无线模块连接Internet，移动无线模块支持CDMA和GPRS两种协议，并且通过VPN(虚拟专用网络)实现与远程服务器的双向网络通信，环境监控模块1和视频采集模块4全部通过移动无线路由模块3中的路由模块32实现与远程服务器的通信，有线网络模块2设置有以太网络接口即以太网接口21。壳体内设有电源接口5。

环境监控模块1、视频采集模块4及移动无线路由模块3全部通过有线网络RJ45连接到有线网络模块2，模块间数据传输通过网络实现TCP/IP协议进行数据交换。环境监控模块1可以选用市售型号为H8/3069F的芯片。

环境监控模块(H8/3069F)带有多个传感器接口，可以连接温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器、土壤水分传感器和CO2浓度传感器等模拟信号传感器。

环境监控模块(H8/3069F)带有4个控制器接口，可以连接照明开关控制器、风扇开关控制器、加热开关控制器和CO2开关控制器等开关控制器。

环境监控模块1(H8/3069F)内置一个温度传感器13，可以实时监视装置内部的工作温度。

环境监控模块(H8/3069F)内嵌有数据处理、网络服务和通讯软件。其支持国际上通用的TCP/IP网络协议，负责采集数据，提供标准的WWW服务，通过HTTP协议实时传输数据、配置参数以及更改IP地址。

有线网络模块内设有4～8个以太网络接口，这些接口全部为国际标准网络接口。

电源接口为外接直流电源；由于整个装置耗电仅为3～20W，所以可以使用太阳能电池板作为电源模块。采用太阳能电池板作为电源模块后，整个装置不再需要外接市电来供电，实施非常容易、可靠性高、维护容易。

移动无线路由模块内设有移动无线网络模块34即移动网络GPRS/CDMA模块，可以通过移动网络GPRS/CDMA网络连接Internet，只要有手机信号就可以上网；内设有虚拟专用网络模块31(VPN)，通过这个模块与远程终端和服务器端通过Internet网络建立虚拟链路，实现远程局域网，解决CDMA/GPRS网络只能单向呼叫的问题；内设有路由模块32，环境监控模块1和视频采集模块4通过这个路由模块32实现网间互相访问。其内嵌有操作系统，可实现用户验证和通信等任务，提供标准TCP/IP协议支持，内嵌WWW、Telnet服务，同时可通过内设的串行接口33可以设置路由器内部参数。

视频采集模块内设有视频接口，可以连接1-16路模拟摄像机信号输入和云台信号输出，并且内嵌有视频处理、网络服务和通讯软件，其支持国际标准TCP/IP协议，提供HTTP、FTP、Telnet服务，可以修改内置参数、访问视频数据和视频网络传输。

终端设备可以使用个人计算机(Personal Computer)、便携式电脑(Notebook)、大中型服务器(Server)或采用个人数字助理(PDA)等任何可以浏览网页的电子设备进行数据采集和控制。

将嵌入式系统与Internet结合，对现场设备的检测数据进行远程采集、监视和控制，利用现成的TCP/IP协议和通用网络系统，将信息直接传送到网上，成本低，速度快。通常，将普通的嵌入式系统或设备转换成Web服务器，再加上TCP/IP协议就可以上Internet网。因此，基于嵌入式Internet的网络化远程监控系统的技术日趋成熟，而且必将成为今后远程监控系统的技术主流。嵌入式Web服务器技术和设备具有如下的优点：

1、不需要专用的通信线路，可利用现有的手机移动网络资源；

2、速度快，具有很好的实时性和交互性与可靠性；

3、不仅可以传输数据，还可以传输图像和声音；

4、TCP/IP和HTTP协议是现成而公开且全球通用的，可以使用任意Web浏览器，与操作平台无关；

5、信息可直接反映在网页上，形式可以是数据、图像、表格和语音，实时数据会自动更新，设备的操作将得到及时反馈；

6、所有想收到信息的用户在得到认证后都可以根据自己的需要给予显示和操作。

网络化的远程监控系统是将传感器输出的模拟信号通过嵌入式控制单元转换为数字信号，并进行网络化输出。其主要的设计思想是利用数字信号抗衰减、抗干扰能力强的特点，变模拟信号传输为数字信号进行远程传输，以保证测控系统能够得到可靠的信号。组建移动网络化的监控系统，主要解决以下问题：

1、数据采集单元中加入嵌入式控制单元，负责数据采集、数据缓冲和数据通信；

2、使用移动无线网络和TCP/IP协议进行远程双向通信；

3、使用Internet构建虚拟专用网，解决数据传输和安全问题。

嵌入式网络服务器现阶段主要是采用32位高档单片机，在实时多任务操作系统RTOS的平台上进行软件开发，在嵌入式系统中实现TCP/IP协议处理。通信功能主要通过内嵌系统完成，与用户的交互通过动态网页来实现。动态网页是利用JAVA技术来实现的，它将CPU处理的数据显示在Web页面上，发送给Internet，任意客户端的PC均可利用Web浏览器来阅读数据和进行远程调控，用户返回的信息交给内嵌系统处理。

嵌入式结构是移动无线网络化远程监控系统的核心部分，由A/D转换器、微控制器和网络接口等组成。A/D转换先将采集的模拟信号转换成数字信号，然后通过以太网控制器和TCP/IP协议进行监控信息的远程网络传输，从而完成数据的采集、转化和传输功能。由于本技术是在局域网内通信，可以直接将应用程序中的数据包装成为以太帧格式，调用库函数来实现TCP/IP和UDP/IP Sockets协议栈处理，免去了发送数据从用户空间拷贝到核心空间的操作，增强了系统的实时性，降低了系统的吞吐量。

超文本传输协议HTTP是目前通过Internet进行信息交换的最主要的方式。以HTTP协议为基础，利用Internet网的CGI和SSI技术，在控制器内建立Web服务器，提供网页服务，可以通过Internet远程访问控制器，实现对控制器的监控。UDP协议不需要预先建立和保持连接，具有系统开销小、速度快的特点。基于帧的通信(UDP)，可以和基于流的通信(TCP)互相结合来加强上位服务器性能和提供应用层的通信检验。

Internet通信协议对存储器和运算速度要求较高，所以嵌入式Internet系统的技术难点是如何利用微处理器自身有限的资源对信息进行TCP/IP协议处理，使之变成可以上Internet上传输的IP数据包。因此，选择合适的微处理器是成功地开发嵌入式控制单元的关键。

本实用新型在TCP/IP协议的基础上，采用Client/Server通信模式进行网络化通信编程，即把嵌入式控制单元作为服务器，在嵌入式单元初始化以后，首先打开了一个TCP监听口，当听到一个用户请求后就建立一个TCP管套连接，以实现控制信息(如采样频率、传感器通道数和数据传输的格式等控制数据)的交换传输。之后，将采集的数据源源不断地发给用户端。在数据传输阶段的收发双方建立一条虚拟电路。通过TCP/IP协议族的握手、发送、校验、确认和重置等一系列操作，保证数据的正确到达，同时实时监视控制单元的动作以对控制器的自动复位和重新初始化。

目前，该装置已有多台样机应用在室外大田和无人区的环境检测中，该装置不仅实现了各种环境要素的实时动态检测和无线数据传输，其生产成本是现有同等检测功能的设备成本的1/8～1/5，具有很好的商业应用前景。

如图2所示本实用新型的使用蜂窝无线网络技术的农业监控系统，把需要的各种环境传感仪、摄像机、模拟信号处理回路、外部执行机构控制回路、A/D变换CPU、移动无线局域网、以太网集线器、网络服务器等组合在一起，各部件之间通过以太网连接，再通过移动无线局域网连接到其他无线设备或工作站对其检测数据进行实时动态传输。同时，可以远程操纵通风、降温、灌溉等执行机构，摄像机也可远程操纵和图像处理以得到需要的植物生体有用信息。所有检测数据可直接连接到通用数据库或应用程序，用于环境控制、生长状况监控、植物品质检测、生产管理、病虫害诊断、城市和偏远地区的网络建设或庭园照明或景观美化等实际生产领域和应用领域。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案；因此尽管本说明书参照上述的各个实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或者等同替换；而一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims

1.使用蜂窝无线网络技术的农业监控系统，其特征在于：包括多媒体环境监控装置，远程服务器及其终端，所述多媒体环境监控装置通过互联的移动网络GPRS/CDMA和Internet连接远程服务器及其终端。

2.根据权利要求1所述的使用蜂窝无线网络技术的农业监控系统，其特征在于：所述多媒体环境监控装置分别连接有环境因子传感器和环境因素控制器。

3.根据权利要求1所述的使用蜂窝无线网络技术的农业监控系统，其特征在于：所述多媒体环境监控装置连接有摄像头。

4.根据权利要求1所述的使用蜂窝无线网络技术的农业监控系统，其特征在于：所述多媒体环境监控装置通过蓄电池连接太阳能发电板。

5.根据权利要求1所述的使用蜂窝无线网络技术的农业监控系统，其特征在于：所述远程服务器及其终端通过VPN路由器连接Internet。

6.用于权利要求1-5之一所述的使用蜂窝无线网络技术的农业监控系统的多媒体环境监控装置，包括壳体和设置于壳体内的环境监控模块，其特征在于：还设置有移动无线路由模块，所述移动无线路由模块和环境监控模块各自连接于有线网络模块，所述移动无线路由模块内设有GPRS/CDMA移动无线网络模块。

7.根据权利要求6所述的多媒体环境监控装置，其特征在于：所述移动无线路由模块内还设有虚拟专用网络模块和路由模块，并连接有以太网接口和串行接口。

8.根据权利要求6所述的多媒体环境监控装置，其特征在于：还设置有连接于有线网络模块的视频采集模块，该视频采集模块内设有视频接口。

9.根据权利要求8所述的多媒体环境监控装置，其特征在于：所述的有线网络模块设置有以太网接口。

10.根据权利要求6所述的多媒体环境监控装置，其特征在于：所述环境监控模块连接有传感器接口和控制器接口，并内置有温度传感器。