基于物联网技术的智能农业蔬菜温棚设计改毕业论文Word格式文档下载.docx
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近年来，我国农业讯息化技艺的快速发展为精准农业的推广与实施奠定了前提，而物联网技艺的应用与发展为农业生产环境讯息的获取与调控提供了有力的工具与可靠的保证。
“感知农业”经由在温室内部署的传感器及无线收集、掌控连接点，将传感器收集到的实时环境讯息发送到传感连接点，然后经由有线或无线方式输送到上位机进行解析处理，并给予相应的调控，掌控通风、灌溉、施肥等方式以改善农作物的成长环境［1］。
当下，智能温室工程作为农业现代化的一个关键构成部分，对我国农业的发展具有关键的意义，已经成为我国科技人员研究的关键课题［2］。
随着人们生活水平的提高，温室果蔬种植的规模在我国发展十分迅速，成为城市居民菜篮的主要途径，也是农户增产创收的捷径之一。
然而，温室大棚普遍存在着自动化水平较低、人力消耗大以及水肥资源浪费严重等诸多问题。
1.2国内外研究现状
早在上个世纪末，农业方面的智能化还主要是处于对水肥的掌控，比如智能中央计算机灌溉掌控体系，这个体系主要达到了对农田作业区域的灌溉进行集中掌控，而什么时间浇水还需要人为判断。
在发达国家，温室计算机掌控及管理技艺首先在一些大的农场得到了应用，随后这一技艺迅速发展到世界其他国家，而农业现代化仍然是一些发展中国家的关键国策，因此许多发展中国家也开始对温室计算机掌控技艺和管理技艺进行研究。
在最早开发的温室掌控与管理体系中，美国开发的温室计算机掌控与管理体系可以达到对温室作物成长环境参变量的自动调节，同时能够按照不同作物的成长条件和自身生物特性，自动调控相应设备来调整温室内的气温、干湿程度、光照强度、氮氧肥等环境参变量。
当下，我国的温室大棚主要以农业大棚的形式完成农业生产。
在技艺上，互联网的快速发展促使互联网互连、远程掌控等技艺也发展并应用到了农业监控中。
这方面发展比较快如美国已经在温室生产中应用了全球定位体系、卫星遥感和遥测、无线技艺等高新技艺，据统计，温室使用计算机进行掌控的个体和单位约占总数的四分之三，应用计算机相干设备的农户大约有农户总数的三分之二，除此之外有一小部分农户占总数近三分之一，已经在温室管理中用到了互联网技艺的相干设备。
1.3研究内容
本文首先经由对智能农业果蔬大棚设计的背景、意义以及国内外研究现状的了解。
其次，本文经由对智能农业果蔬大棚进行总体设计，经由对其进行智能掌控，进而需要了解网络的三层、互联网层和操作层的工作原理以及特点。
对智能农叶果蔬大棚进行总体设计后,需要再硬件体系上进行达到,如讯息处理、传感器以及通讯等硬件造作体系；
经由对硬件体系设计后，需用对其设计的体系作用架构，如讯息收集、无线传播、远程监控一级数据分析等作用有所掌握，其作用架构的特点需要进行详细的介绍，如监控作用、管理以及掌控作用。
二、总体设计
果蔬大棚环境内的关键监控讯息在果蔬大棚中，果蔬的健康成长依靠以下3大关键要素［3］:
1）气温。
果蔬的成长发育需要适宜的气温。
理论和实践证明，果蔬大棚内适宜的气温一般为15～30℃，且白天气温一般比夜晚气温高8℃左右。
2）干湿程度。
果蔬大棚内适宜的相对干湿程度，白天为35%左右，夜间为83%。
当相对干湿程度在50%～80%时，果蔬作物成长良好;
相对干湿程度不宜超过80%，实时调节棚内的相对干湿程度是保证果蔬正常成长的关键。
果蔬大棚内的相对干湿程度与气温成负相干，当大棚内气温升高时，相对干湿程度会降低，气温每升高1℃，相对干湿程度下降5%～6%。
当果蔬处于高湿条件下时，会诱发病害，因此需要调节土壤干湿程度掌控空气干湿程度。
3）碳酸气。
碳酸气是植物进行光合作用和制造营养物质的关键原料，其供给水平量的高低将直接影响光合作用的质量和强度。
在农业生产中，可以经由喷洒碳酸气或通风来调节大棚内的碳酸气浓度［4］。
经由监控、调控大棚内温干湿程度及其碳酸气浓度等环境讯息，可以为果蔬的成长营造最佳的人工环境，大幅度提高果蔬的产量和品质。
为了指导生产和使管理者精确有效地进行大棚环境调控，建立物联网环境监控体系以实时监控大棚内环境参变量的变化是十分必要的［5］。
体系主要由4个部分构成，分别是上位机软件、主掌控板、大棚掌控板和大棚收集板，如图1所示
1.1主掌控板
主掌控板主要由ALIENTEKSTM32板、无线移动通信板块及USB串行端口板块构成，如图2所示。
主掌控板负责对两个大棚传递上来的讯息进行处理，打包之后发送给上位机，同时还负责将上位机下达的指令传递给两个温室大棚。
1.2大棚掌控板
大棚掌控板主要由STC89C55单片微控制器、12864LCD显示、光耦、继电器，以及无线移动通信板块构成，如图3所示。
大棚掌控板负责掌控大棚内部装置以及转发大棚收集板收集上来的数据，一旦收到主掌控板发送的信号，大棚掌控板将对相应的装置进行掌控。
1.3收集板
大棚收集板主要由STC89C55单片微控制器、空气温干湿程度传感器、光照强度传感器、土壤干湿程度传感器、无线移动通信板块和供电电源构成，如图4所示。
大棚收集板负责收集温室内各个部分数据，之后经由无线传送给掌控板。
1.4监控体系整体结构设计
其中，网络的三层取用了典型的分簇型OSL。
该结构由众多感知连接点构成，感知连接点之间经由无线连接构成感知互联网。
感知互联网由Sink连接点、簇头连接点和感知连接点3种类型的连接点构成。
Sink连接点作为网络的三层的网关连接点，簇头连接点经由单跳或多跳路由方式与Sink连接点进行数据通讯。
感知连接点达到讯息的感知，并把感知讯息经由无线输送向簇头传送。
感知连接点经由各种类型的传感器（ＲFID、传感器、二维码等）对物质属性、环境状态等讯息进行分布式的讯息获取与状态辨认，并针对具体感知任务，以协同处理的方式多种类、多角度、多尺度地对讯息进行实时计算与掌控。
互联网层由输送连接点构成，输送连接点的数量可根据需要设置。
输送连接点以无线互联网（2G/3G/4G）或有线互联网（DSL/PON）的输送方式将网络的三层获取的讯息输送到智能处理层;
智能处理层主要的任务是完成讯息的收集、存储、分类辨认与显示、智能处理与调控参变量反馈等作用［7－8］。
三、硬件设计
3.1硬件设计的特点
根据感知连接点的特性以及大棚环境监控体系的实际需求，设计监控体系的硬件结构如图2所示。
讯息感知主板是达到监控体系作用的核心;
环境讯息感知板块达到环境讯息的监控;
通讯板块经由GPＲS方式与上位机进行通讯;
设备掌控板块达到对环境讯息的精确调控。
除此之外，硬件结构中还附加了液晶显示板块以实时显示环境讯息参变量。
图2监控体系硬件结构设计
讯息感知主板是以C8051F410单片微控制器为中心掌控板块设计的，包括输入输出口（I/O）的扩展、键盘、LED显示电路的扩展及硬件时钟电路等。
单片微控制器内部的指令序列存储器用来存放监控指令序列、收集指令序列、显示指令序列、通讯指令序列以及自动掌控设备指令序列等，外部数据存储器SＲAM用来存放体系连续监控所收集的数据。
C8051F410单片微控制器功耗低、单片微控制器资源丰富、指令执行速度快，同时还兼容8051单片微控制器，具有片内上电复位、VDD监控器、看门狗定时器和时钟振荡器，是能够独立工作的片上体系。
3.2处理板块
体系核心处理器选取增强型高性能、低费用、低功耗的嵌入式芯片STM32F103C8T6构成嵌入式网关体系，该芯片拥有ARMCortex－M3内核，2个12位us级的A／D转换器（16通道），12通道DMA掌控器，2通道12位D／A转换器，最多高达112个的快速I／O端口，2个IIC接口，5个USART接口，3个SPI接口，2个与IIS复用。
CAN接口（2．0B）。
CC2530与STM32单片微控制器相连也非常简单，仅将CC2530的TX和RX与USART的TXD和RXD两个引脚相接即可达到数据的收发。
3.3传感器板块
3.3.1传感器分类
果蔬大棚内环境讯息的感知首先应完成空气环境讯息的感知，包括大棚内气温讯息感知、干湿程度讯息感知和碳酸气浓度讯息感知。
3.3.2各类传感器特点
3.3.2.1温干湿程度讯息感知
空气温干湿程度讯息监控选用了SHT15数字温干湿程度传感器。
SHT15传感器是一款由多个传感器板块构成的全校准、数字输出相对湿气温的传感器，取用了工业级CMOS技艺，工作可靠、稳定。
芯片包括校准的相对气温和干湿程度传感器，内部与1个14位的A/D转换器相连，传感器还有1个I2C总线串行接口电路。
SHT15传感器的特点如下:
抗温、抗压，工作电势差为2.4～5．5V，可全量程标定;
干湿程度量化界限为0～100%ＲH，量化精度为±
2%ＲH，响应时间为4s;
气温量化界限达到－40～123．8℃，量化精度为±
0．4℃，响应时间为5s。
图3SHT15传感器电路连接图
由于SHT15的干湿程度输出特性呈一定的非线性，因此为了补偿干湿程度传感器的非线性以获取准确数据，可按如下公式修正干湿程度值ＲHh［10］，即
其中，SOＲH为传感器相对干湿程度量化值，系数取值为:
，
。
实际的量化气温在一定界限内变化，所以应考虑干湿程度传感器的气温系数，按如下公式对环境气温讯息T进行补偿，有
其中，
3.3.2.2碳酸气浓度讯息感知
碳酸气讯息监控取用TGS4161碳酸气传感器。
它是一种固态电化学型气体敏感元件，具有体积小、长寿命、低费用、低功耗等特点，检测界限为350～10000×
10－6，工作电势差为5V。
TGS4161在探测碳酸气浓度时，内部的电化学反应到达平衡的时间大约为12h，正负两极间的电势差与气温有关，需要对气温进行补偿，传感器的响应时间约1．5min。
碳酸气传感器的电路连接图，如图4所示。
在信号调理电路中，加入1个高阻抗带偏置电流的放大器TLC272，然后将获取的讯息经由PC1端口传送到单片微控制器进行A/D转换。
单片微控制器需要对收集到的信号经过相应计算与变换，以达到对碳酸气浓度真实值的准确检测［11］。
图4TGS4161传感器电路连接图
3.4通讯板块
感知连接点的讯息输送板块设计选用了CC1100。
CC1100板块功耗低、费用低，可以在多个频率波段工作，并且内置频率补偿作用。
CC1100的工作电势差为3．3V，主要参变量和信号的输送与收集经由SPI接口掌控。
其本身内置收集信号强度（ＲSSI）作用，方便路由选取，还能够自动选取信号质量较好的连接点来输送数据，可以有效降低数据重传与碰撞次数，提高数据的输送效率［12］。
图5为CC1100无线输送板块的电路连接图。
CC1100板块经由4线SPI兼容接口（SI，SO，SCLK和CSn）与C8051F410单片微控制器相连，进行相应配置。
在SCLK的第1个上升沿，信号必须变低［13－15］。
图5CC1100无线输送板块电路连接图
四、体系作用架构
4.1讯息收集
4.1.1讯息收集技艺
讯息收集技艺以传感器技艺为前提构建而成,它可以在最短的时间内,帮您把最新的讯息从不同的传感器上收集下来,并在进行分类和统一格式后,第一时间之内把讯息及时发布到自己的站点上去。
从而提高讯息及时性和节省或减少工作量。
4.1.2讯息收集原则
1）可靠性原则2）完整性原则3）实时性原则
4）准确性原则5）易用性原则6）计划性原则
7）预见性原则
4.2无线传播
4.2.1无线传播技艺
无线输送（Wirelesstransmission）是指利用无线技艺进行数据输送的一种方式。
无线输送和有线输送是对应的。
随着无线技艺的日益发展，无线输送技艺应用越来越被各行各业所接受。
无线图像输送作为一个特殊使用方式也逐渐被广大用户看好。
其安装方便、灵活性强、性价比高等特性使得更多行业的监控体系取用无线输送方式，建立被监控点和监控中心之间的连接。
4.2.2无线传播特点
在100MHz以上的频段内，电波几乎按直线传播，因此它们可以被聚集成窄窄的一束。
经由抛物线形状的天线，可以把所有的能量集中于一小束，从而获得极高的信噪比，但是发射端和收集端的天线必须精确地相互对齐。
而且，这种方向性也允许多个排成一行的发射器与多个排成一行的收集器进行通讯，只要它们的空间排有规律，相互之间就不会干扰。
由于微波按照直线传播，所以，如果两个塔相距太远，那么地球而本身就会阻挡传播路径。
因此，中间每隔一段距离就需要一个中继器。
塔越高，则微波能走的距离越远。
中继器之间的距离大致上与踏高的平方根成正比。
与低频无线电报不同的是，微波并不能够很好的穿透建筑物。
而且，即使微波在发射起处已经聚集起来了，但是在空中仍然会有一些发散。
在一定条件下，会产生路径衰减的效果。
总之，微波通讯被广泛应用于长途电话通讯、移动电话、电视转播，以及其他出现频谱严重短缺的应用领域。
它比光纤有几个关键的优点。
最主要的优点就是不需要路权。
而且微波相对比较廉价，如建设两个简单的塔很容易。
4.3监控体系软件作用设计
4.3.1感知连接点软件设计
感知连接点需要对环境讯息进行感知和输送，其软件设计主要包含单片微控制器板块初始化、传感器数据收集和数据处理与输送3个部分。
单片微控制器板块初始化部分的指令序列需要设置单片微控制器的引脚作用、寄存器状态、时钟频率，以及各作用板块的工作参变量;
传感器数据收集部分完成环境讯息的收集，读取碳酸气浓度模拟量和温干湿程度数字量;
除此之外指令序列中还添加了定时作用、极限值报警作用和中断，保证了稳定、可靠和安全的数据收集过程;
数据的处理与输送部分将收集到的数据讯息由无线输送板块转发到输送连接点，并由输送连接点进行相应的补偿、变换，最终经由GPＲS发送到上位机［16－17］。
软件设计框图，如图6所示。
3．2上位机软件体系设计网络的三层的讯息经由GPＲS与上位机通讯，达到数据的无线远程输送。
上位机数据的收集和处理是由运行在监控中心的WEB服务器的一系列配套软件构成的。
该板块主要包括数据收集、数据存储，以及基3．1感知连接点软件设计感知连接点需要对环境讯息进行感知和输送，其软件设计主要包含单片微控制器板块初始化、传感器数据收集和数据处理与输送3个部分。
该板块主要包括数据收集、数据存储，以及依据WEB的数据管理和诊断分析软件［18－19］。
其中，部分指令序列依据微软公司的．net平台开发，以C#语言进行编定程序，并结合了MSSQLServer数据库对数据管理［20］。
图7为上位机软件体系作用设计的数据处理框图。
对设备和数据的监控、管理取用了多种模式:
监控中心的服务器和互联网中的个人计算机、手机等移动设备及LED电子屏幕等，经由用户与服务器的交互操作和自动分析，将数据列表、曲线、图像等形式展示给用户。
除此之外，讯息收集WEB端结合了专家体系，经由对获取讯息的判断，指导环境调控设备进行相应的参变量设置，达到设备的开启和关闭，以及高温和低温的自动预警和报警，从而达到有效的远程监控和智能管理。
4.4专家体系设计
专家体系主要由知识库、综合数据库、推理机、解释体系和用户接口等部分构成。
作用设计流程如图8所示。
其中，知识库中储存了果蔬大棚中植物成长环境讯息的相干专家知识和经验;
综合数据库用于存贮专家体系当前所要处理对象的一些事实，包括初始状态的讯息参变量，以及推理过程中得到的其他中间参变量讯息和推理结果;
推理机会将实时获取的数据，结合知识库中的知识和经验，推断得出一定的解决策略;
解释体系会对推理的结果进行解释，并输出相应调控参变量;
用户接口即为达到专家体系和用户交互的界面，用户可以经由窗口、图形和菜单，获得体系的推理结果。
五、作用板块
5.1监控作用
温室监控子体系的作用是监控温室的自然因素、种植设备工作状态以及传感器参变量。
监控的主要参变量有温室气温、碳酸气浓度、干湿程度、光照强度、传感器工作状态和自动设备工作状态等。
主要设备有传感器、无线互联网和监控摄像头等。
工作流程:
①搭建并安装相应传感器设备;
②在单片微控制器编定程序作用下，自主完成数据收集;
③经由不同的传感设备收集温室中的各个数据状态，并达到数据保存［3］。
5.2掌控作用
智能种植掌控子体系的作用:
①达到自动化设备的开关掌控;
②掌控设备工作时长;
③达到设备与互联网互动。
设备有排风扇、加湿器、气温掌控器、传感器、电磁阀和互联互联网等。
①种植因素不正常或者达不到最佳配比的状态下，讯息分析子体系会给服务器中心传达设备掌控指令，改变种植因素请求;
②服务器进行相应设备掌控，如在干湿程度过高状态下，应经由传感设备，打开排风扇设备，进行风力灌溉，降低干湿程度;
③进行电磁阀传感掌控，计算风量，从而获取数据，合理掌控设备工作时间。
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