基于ZigBee与WiFi的植物工厂环境数据采集系统设计.pdf

第 null 期 nullnull 年 null 月 无 线互联科技 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull null nullnull null nullnull 基 金项目 吉林省发展和改革委员会项目 项目名称 面向植物工厂的物联网信息融合基础平台及其关键 技术研究 项目编号 nullnullnullnullnull nullnull 作者简介 李丹 nullnull 男 吉 林吉林人 副教授 博士研究生 研究方向 电气工程 计算机应用技术 基 于 ZigBee 与 WiFi 的植物工厂环境数据 采集系统设计 李 丹 王 涛 吉林农业科技学院 吉 林 吉林 nullnullnull 摘要 随着信息技术高速发展和物联网技术在农业农村的普及应用 数字农业设备的研发逐渐成为农 业信息化产业关注的热门研究领域 在此背景下 文章设计了一种基于农业物联网的植物工厂环境 精准采集系统 文章阐述了以 nullnullnullnull nullnullnullnullnull 模块为核心的系统功能总体结构 阐述了以 nullnullnullnull 和 nullnullnullnull 为核心元件的硬件系统结构 阐述了 nullnullnullnullnullnull 协议栈和 nullnullnullnullnull 平台的设计结构 经过调试 与运行 本文设计的系统能够准确地 实时地采集植物工厂的环境参数数据 关键词 植物工厂 nullnullnullnull 协议 nullnullnullnull 协议 中图分类号 nullnullnull 文献标志码 null 0 引言 人类文明发展至今 最能体现智慧结晶的无疑是 人们为提升生活水平作出的努力 一切发展都源于 生活并服务于生活 中国是农业生产大国 虽然传统 农业与先进技术相结合取得了高产 但也面临着许多 挑战 我国庞大的人口基数 辽阔的国土 复杂的山 势地形 参差不齐的农业知识水平等 使得农业发展 不平衡 随着社会经济发展 物联网已经深入人们的 生活 智能化 简单化 高效化逐渐成为新时代的主 题 给农业发展带来了新的契机 建设智慧农业 提 高农业的质量 提升生产力和竞争力已成为大势 所趋 null 植 物工厂中作物正常生产的前提是拥有合适的 生长环境 环境的温度 湿度和土壤 null 等参数与作物 生长直接相关 目前 温室中的温度和湿度的测量和 控制大多是由人工完成的 其缺点是测量和控制的准 确性差 因此 本文提出设计一种适应复杂环境的植 物工厂数据精准采集系统 根据温室的实际情况 相 关人员采集各种实时数据 将环境数据传输到用户手 机端或服务器端 可根据数据的分析 显示 对温室进 行相关控制 进而实现智能农业生产和现代化农业 生产 null 1 系 统整体设计 在基于 nullnullnullnull 与 nullnullnullnull 的植物工厂环境数据采集 整体系统中 nullnullnullnull nullnullnullnullnull 模块为核心设备 负责对异 构网络进行融合 nullnullnullnull 终端节点负责提供数据来 源 系统整体设计如图 null 所示 nullnullnullnull 终端节点 null 至 nullnullnullnull 终端节点 N 负责完成植物工厂环境物理参 数的采集工作 同时完成采集数据的清洗和滤除噪声 等初始数据处理的工作 初始处理的环境参数通过 nullnullnullnull 协议的无线通信形式汇集到 nullnullnullnull nullnullnullnullnull 模 块 本地工作站可以实时查询到 N 个 nullnullnullnull 终端节 点的采集数据 控制 nullnullnullnull 网络节点的工作状态 nullnullnullnull nullnullnullnullnull 模块的 nullnullnullnull 部分将本地 nullnullnullnull 协议汇 集的数据转发到 nullnullnullnullnull 互联网上 一方面 nullnullnullnullnull 平台可以查询并存储 nullnullnullnull 采集的历史数据 同时 可以完成环境参数的整理分析与图形比对 另一方 面 农户可以用手机 nullnull 查询当前植物工厂的环境物 理参数 作物的生长情况 null 图 null 系 统整体设计 nullnullnull 第 null 期 nullnull 年 null 月 无 线互联科技 网络互联 nullnull null nullnull null nullnull 2 硬 件系统设计 系统硬件核心采用两款芯片 系统核心采用 nullnullnullnullnullnullnull 芯片作为 nullnullnullnull 协议通信的数据处理芯 片 采用 nullnullnullnull 芯片作为 nullnullnullnull 协议通信数据处理 芯片 nullnullnullnullnullnullnull 芯片外观小巧 可编程 抗干扰能力 强 连接稳定 还具有 nullnull 的单周期内核 可单周期 访问主 null null 特殊功能寄存器等 拥有很多强大外 设 如模数转换器 nullnullnull 协处理器 nullnull null 等 不仅 如此 nullnullnullnullnullnullnull 的无线射频模块与 nullnullnullnull nullnull nullnull null 标准兼容 对数据包还有地址识别和过滤的功能 null 芯片可用于两路串口通信 一 路用于 nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull 和 null null 另外一路用于 nullnull nullnullnull 系统可采用 null nullnullnull null 的电源为 nullnullnullnullnullnullnull 供电 也可以外接电 池或者使用充电宝 nullnullnullnullnullnullnull 不仅支持 nullnullnullnull nullnullnull 显示屏 nullnullnull 液晶屏等显示器 还支持多种传 感器 如温湿度 超声波 烟雾传感器等 具备 nullnullnullnull 接收 头 null nullnull 红外发射等红外收发功能 支 持 nullnullnull 工业通信等 3 软件系统设计 系统软件主要实现的功能有数据提取 异构网络 融合和 nullnullnullnullnull 平台搭建 null null 数据提取 系统的主要数据来源是由若干 nullnullnullnull 终端节点 采集而完成 终端节点收到数据后 将数据打包成 nullnullnullnull nullnull nullnull null 物理层帧的形式并发送给 nullnullnullnull null nullnullnullnull 模块 nullnullnullnull nullnullnullnullnull 模块收到终端发送的 nullnullnullnull nullnull nullnull null 物理层帧后 会对其逐一处理 拆掉头部和 校验字段 获得应用层的数据 null null null 异 构网络融合 nullnullnullnull nullnullnullnullnull 模块与 nullnullnullnull 终端采集节点都适 用于 null nullnullnullnull 协议栈 nullnullnull 操作系统 模块在获得 应用 层 的 数 据 后 将 以 nullnull 指令的形式发送给 nullnullnullnull 芯片 进而完成异构网络之间协议数据的转 换 当 nullnullnullnull 在 nullnullnull null 模式下工作时 系统可通过 nullnull 连接 nullnullnullnullnull 并向平台服务器上传 下载数据包 通过 nullnullnullnullnull 还可将信息发送给 nullnull 可对温室的环 境进行实时监控 在 nullnull 端同样可实现联网检测芯片 状态并传达指令 通过设计 当发现异常时 系统会 提醒 null null nullnullnullnullnull 平台搭建 nullnullnullnullnull 生态开放云平台是中国移动基于物联网 发展独家打造的 平台由于使用 nullnullnullnullnull 云平台 大 大降低了开发难度 不仅如此 云平台还对系统的功 能和稳定性提供保护服务 为设备连接 设备管理 数 据传输 数据接收提供数据点 nullnullnull 接口 nullnullnullnullnull 平 台能适应各种网络环境和网络协议 如 nullnullnullnull 和 nullnullnullnull 协议 还可适应各种传感器和通信网络 作为 连接和数据传输中心 本系统采用 nullnullnullnull 协议进行 通信 这是一种适用于网络环境糟糕 对硬件设备要 求较低的通信协议 nullnullnullnull 协议基于 nullnullnullnullnullnull 协议 能用简短的代码提供稳定 可靠的信息服务 这样可 以使系统更加简洁化 广泛化 null 使 用的具体流程为 进入官网进行信息注册 选 择多协议接入 进行添加产品 完善设备信息 接入 nullnullnullnull 协议 与代码相对应 null添加设备 硬件接入和 应用开发 在完成相关设置后 在对应的设备状态下 用户 将 nullnull nullnullnullnull nullnullnull 函数中集成的数据打包发送 到 nullnullnullnullnull 平 台 nullnullnullnullnull 平台会收到实时数据情 况 与此同时 当 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 执 行 nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull 函 数接收到的控制命令后 操作者就可 对其发送相关命令 进而达到控制设备的功能 实时 的数据还可以用扇形图 折线图 条状图等图形的形 式直观地显示 本文设计的系统在本单位工程研究中心的智能 温室大棚中运行 系统对环境参数每 null nullnullnull 进行一 次采集与运算 整体系统运行约 null 年的时间 数据采 集效果良好 文章列举了 nullnull 年 null 月 null 日与 null 日 两个不同时间段的光照度 土壤温度和土壤湿度数据 采集情况 如表 null 所示 表 null 植物工厂环境参数采集 日 期与时间 光照度 nullnullnull 土壤温度 nullnull 土壤湿度 nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnull null nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnull null nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnull null nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnull 第 null 期 nullnull 年 null 月 无 线互联科技 网络互联 nullnull null nullnull null nullnull 4 结 语 伴随智能农业的发展需求 本文设计了一种基于 nullnullnullnull 与 nullnullnullnull 通信为基础的智能温室数据处理系 统 系统采用 nullnullnullnull 主控芯片 nullnullnullnull 与 nullnullnullnull 网关芯片作为网关系统 将单独的一个 nullnullnullnull 节点 作为数据源 实现各种数据采集 系统通过 nullnullnullnull 网络与物联网的连接 可实现温室的动态数据跟踪 在数据异常情况下 系统通过 nullnull 端与 nullnull 对温室作 出干预 使各项数据更加有利于植物生长 同时 由 节点采集到的环境还可以通过 nullnullnullnull 协议上传到 nullnullnullnullnull 平台 通过数据处理后 能在 nullnull 端与手机端 查看更加系统化 科学化的数据 系统将数据专业化 汇总 个性化显示 逐一记录后 使传统的粗放生产变 为精细农作 进一步拓展农业功能 整合资源 建设融 合生产 生态为一体的智能温室大棚 用户使用手机可实时查看数据或者控制传感器 通过 nullnullnullnull 协议实现各种传感器或者控制器的无线 通信功能 nullnullnullnull 网关最主要的作用是将 nullnullnullnull 网 络和以太网 因特网实现了融合通信 将各个 nullnullnullnull 节点的信息传输到网络服务器 云服务器或手机服 务器 该系统数据展示基于 nullnullnullnullnull 云平台 可通过云 网关和 nullnull 远程控制 它还可以在电脑和移动设备 上显示和存储来自多个终端节点的数据 系统稳定 可靠 价格合理 使用方便 可以同时收集多个数据 该代码很容易重复使用和移植 可以很容易地扩展到 其他数据收集项目 基于 nullnullnullnull 与 nullnullnullnull 的植物工厂环境数据采集系 统 可以对农业生产中的温室进行实时远程监控 降 低劳动成本 提高温室生产效率 该系统还具有高度 的可扩展性 因为它可以连接外部控制器进行环境管 理和环境数据收集 同时 低成本和易于操作有利于 普通农民学习和掌握 有助于促进农业的现代化 参考文献 null 闫浩然 张贺龙 王建强 null基于物联网的智能温室 大棚控制系统设计 null null农机使用与维修 nullnullnullnull null nullnullnullnull null 任 玲 夏俊 翟旭军 等 null基于农业物联网技术的智 能温室系统实现 null null南方农机 nullnull null null nullnullnull null 胡 开明 刘薇 付志坚 null基于物联网智能温室大棚 控制系统的设计 null null自动化技术与应用 nullnull null null nullnullnull null 邢 玲玲 null基于物联网的智能温室大棚监控系统研 究 null null电子制作 nullnull null null nullnullnull null 刘 雨娜 高春琦 null基于物联网的北方智能温室番茄 栽培的调控规程 null null北方园艺 nullnull null nullnull nullnullnullnull null 左 志宇 谭洁 毛罕平 等 null基于物联网的微型植物 工厂智能监控系统设计 null null农机化研究 nullnull null null nullnullnull 编 辑 王永超 nullnull null null nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull null nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull null nullnullnull null nullnullnullnull null null null nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnull null nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnull null null nullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnull nullnull null nullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull null nullnull null nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnull null nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull null nullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull null nullnull nullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull null nullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnull null nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull null null nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnull null nullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnull nullnull null nullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull null nullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull