基于物联网技术的智能农业蔬菜温棚设计改论文.docx
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基于物联网技术的智能农业蔬菜温棚设计改论文
基于物联网技术的智能农业蔬菜温棚设计
摘要:
当下随着我国科学技艺的进步,我国农业的现代化也得到了快速的发展。
在农业生产的管理方面,从最初的计算机掌控,到现在的依据物联网技艺的智能农业,智能农业果蔬大棚体系设计也越来越多的被研发出来。
在我国,农村的农业果蔬大棚数量不断增加,大部分的农业果蔬大棚还处于人工管理模式。
取用计算机技艺构建的果蔬大棚由于布线多,能耗大,使得管理费用过高。
本文在研究物联网的前提上,提出了一种依据物联网技艺的智能农业果蔬大棚体系设计,体系依据物联网结构进行设计,取用传感器技术艺和通讯技艺,并且对体系作用架构进行分析,同时对作用板块进行研究。
关键词:
农业果蔬大棚;物联网技艺;传感器技艺;通讯技艺
DesignofIntelligentAgriculturalVegetableGreenhouseBasedonInternetofThingsTechnology
Abstract:
Atpresent,withtheprogressofscienceandtechnologyinourcountry,themodernizationofagricultureinourcountryhasalsobeendevelopedrapidly.Inthemanagementofagriculturalproduction,fromtheinitialcomputercontroltotheintelligentagriculturebasedontheInternetofThingstechnology,thedesignofintelligentagriculturegreenhousesystemhasbeenmoreandmoredeveloped.InChina,thenumberofagriculturalfruitandvegetablegreenhousesinruralareasisincreasing,andmostofthemarestillinmanualmanagementmode.Thefruitandvegetablegreenhouseconstructedbycomputertechnologyhastoomuchwiringandenergyconsumption,whichmakesthemanagementcosttoohigh.OnthepremiseofresearchingtheInternetofThings,thispaperputsforwardanintelligentagriculturalgreenhousesystemdesignbasedonthetechnologyoftheInternetofThings.ThesystemisdesignedaccordingtothestructureoftheInternetofThings,usingsensortechnologyandcommunicationtechnology,andanalyzingthesystem'sfunctionarchitecture,atthesametime,researchingthefunctionplate.
Keywords:
Agriculturalfruitandvegetablegreenhouse;InternetofThingstechnology;Sensortechnology;CommunicationTechnology
一、绪论5
1.1研究背景5
1.2国内外研究现状5
1.3研究内容6
二、总体设计6
2.1主控制板7
2.2大棚控制板7
2.3收集板8
2.4感知系统整体结构设计8
三、硬件设计9
3.1硬设备设计9
3.2传感器板块10
3.2.1传感器分类10
3.2.2各类传感器特点10
3.3通讯板块12
四、信息系统结构13
4.1信息采集13
4.1.1信息采集技术13
4.1.2信息采集原则13
4.2无线传播14
4.2.1无线传播技术14
4.2.2无线传播特点14
4.3感知系统软件功能设计14
4.3.1感知连接点软件设计14
4.4植物生长专家系统16
4.4.1数据监测与分析16
4.4.2植物生长数据跟随16
4.4.3植物生长分析自学习16
4.4.4智能控制系统16
4.4.5专家系统17
五、功能板块17
5.1温室监控17
5.2开关控制18
5.3智能管理18
六、结论18
致谢18
参考文献19
一、绪论
1.1研究背景
目前,随着中国经济的发展和科学技术的进步,工业发展迅速,农业作为工业的前提,迫切需要相应的发展速度。
中国是一个农业大国,但农村的农民数量在不断减少,原来的小规模个体种植模式也将转变为大规模的种植管理模式,农业将趋于规模化,由少数人完成农业生产。
要完成少数人的农业生产任务,主要任务必须是科学技术。
在当今世界,物联网技术的发展和崛起为农业的智能和信息奠定了技术前提。
现代农业正在变得越来越大规模,提高效率,减少传统的人员经营是未来农业发展的要求。
农业的智能化和信息化也是农业未来的发展方向。
近年来,我国农业信息化技术的快速发展为精准农业的推广和实施奠定了基础,而iot技术的应用和发展为农业生产的获取和调控提供了有力的工具和可靠的保障。
环境信息。
“农业感知”通过部署传感器和温室无线采集,控制点,传感器收集实时环境信息发送到传感器连接点,然后通过电缆或无线方式进行PC分析处理,并对通风,灌溉,施肥等进行相应的调控,以改善作物的生长环境。
目前,智能温室项目作为农业现代化的重要组成部分,对我国农业的发展具有重要意义,已成为中国科学家的一个重要课题。
随着人民生活水平的提高,我国温室果蔬种植规模迅速发展,成为城镇居民种植蔬菜筐的主要途径,也是农民增产和收入的捷径之一。
但是,温室存在许多问题,如自动化程度低,人力消耗高,水和肥料资源严重浪费。
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。
目前,我国温室主要以农业温室的形式完成农业生产。
在技术上,互联网的迅速发展导致了互联网互联和远程控制技术在农业监测中的发展和应用。
这方面比较快。
例如,美国在温室生产中使用高科技技术,如全球定位系统、卫星遥感遥测和无线技术。
据统计,使用计算机控制温室气体排放的个人和单位约占总量的四分之三。
使用计算机相关设备的农民约占农民总数的三分之二。
此外,近三分之一的农民是少数农民,互联网技术相关设备已用于温室管理。
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。
对智能农业果蔬大棚进行总体设计后,需要再硬设备体系上进行达到,如信息处理、传感器以及通讯等硬设备造作体系;经由对硬设备体系设计后,需用对其设计的体系作用架构,如信息收集、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
果蔬温室环境监测的关键信息是果蔬温室。
水果和蔬菜的健康生长取决于三个关键因素:
1)温度。
水果和蔬菜的生长和发育需要适当的温度。
理论和实践证明,温室的适宜温度一般为15-30℃,白天的温度一般比夜间高约8℃。
2)干燥和潮湿。
温室的相对干湿度白天约为35百分比,夜间约为83百分比。
当相对干湿度在50百分比至80百分比之间时,水果和蔬菜生长良好,相对干湿度不应超过80百分比。
温室内相对干燥和湿度是保证水果和蔬菜正常生长的关键。
温室的相对湿度和干燥度与温度呈负相关。
当温室温度升高时,相对干湿度降低。
随着温度的升高,相对干湿度降低5百分比-6百分比。
当水果和蔬菜处于高湿度时,会诱发疾病。
因此,有必要调节土壤的干燥和湿度以控制空气的干燥和湿度。
3)碳酸盐气体。
碳酸盐气体是植物光合作用和养分生产的重要原料。
供应水平将直接影响光合作用的质量和强度。
在农业生产中,温室中CO2的浓度可以通过喷洒CO2或通风来调节。
通过监测和控制温室内温度,湿度和CO2浓度等环境信息,可以为水果和蔬菜的生长创造最佳的人工环境,大大提高果蔬的产量和质量。
为了引导生产,使管理者能够准确有效地控制温室环境,有必要建立物联网环境监测系统,实时监测温室环境参数的变化。
体系主要由4个部分构成,分别是上位机软件、主控制板、大棚控制板,如图1所示
2.1主控制板
主控制板主要由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。
主控制板的工作是将不同大棚反馈上来的信息做出反应,处理后传递给上位机,并且给两个大棚做出上位机传达的指令。
2.2大棚控制板
大棚控制板主要由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。
大棚控制板的工作是处理和发送大棚收集板得到的数据,一旦收到主控制板发送的信号,大棚控制板将对相应的装置进行掌控。
2.3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。
2.4感知系统整体结构设计
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。
三、硬件设计
3.1硬设备设计
根据感知连接点的特点和温室环境监测系统的实际需要,监测系统的硬件结构设计如图2所示。
信息感知的主板是监控系统的核心;环境信息感知委员会实现对环境信息的监测;通信板通过GPRS与主机通信;并且设备控制板实现了对环境信息的精确控制。
此外,LCD面板被添加到硬件结构中以实时显示环境信息参数。
图2监控体系硬设备结构设计
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设备时钟电路等。
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传感器板块
3.2.1传感器分类
果蔬大棚内环境信息的感知首先应完成空气环境信息的感知,包括大棚内气温信息感知、干湿程度信息感知和碳酸气浓度信息感知。
3.2.2各类传感器特点
3.2.2.1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。
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,,。
3.2.2.2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。
它是一种体积小、寿命长、成本低、功耗低的固态电化学气体传感器,检测限为350~10000×10-6,工作电位差为5V,当TGS4161检测到碳酸气浓度时,内部电化学反应达到平衡约12小时。
正负极之间的电位差与温度有关。
温度需要补偿。
传感器的响应时间约为1.5分钟。
碳酸气传感器的电路连接图,如图4所示。
图4TGS4161传感器电路连接图
3.3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、信息系统结构
4.1信息采集
4.1.1信息采集技术
信息采集技术以传感器技艺为前提构建而成,它可以在最短的时间内,帮您把最新的信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,第一时间之内把信息及时发布到自己的站点上去。
从而提高信息及时性和节省或减少工作量。
4.1.2信息采集原则
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无线传播技术
无线传输是一种使用无线技术的数据传输形式。
无线传输和电缆传输是匹配的。
随着无线技术的发展,无线技术的应用在各个领域都越来越被接受。
无线图像传输在用户中也越来越受欢迎,作为一种特殊的使用方式。
安装方便、灵活性和高成本使更多部门的监测系统能够访问无线传输系统,并建立控制站和控制中心之间的联系。
4.2.2无线传播特点
在超过100兆赫的频率上,波几乎是直线传输的,所以它们可以聚集成一个窄波束。
通过卫星天线,你可以把所有的能量集中在一个小光束上,这样你就能得到一个高水平的噪音比率,但是发射端和收集端的天线必须精确地对齐。
此外,这种定向允许在一条线的多个发射装置和一条线的多个收集器之间进行通信,而不需要它们之间的干扰,只要它们的空间发射是有规律的。
当微波在直线上传输时,如果两个塔太分开,地球本身就会阻塞传输路径。
因此,它需要一个定时的中继器。
塔越高,微波炉就越远。
中继器之间的距离与它的平方根成正比。
与低频无线电不同的是,微波并没有穿透大楼。
此外,即使微波在发射点聚集,空气中也可能有一定的散射。
在某些条件下,路线会减少。
简而言之,微波通信在长途电话、移动电话、电视传输和其他应用中被广泛使用,在这些应用中,频谱存在严重缺陷。
与光纤相比,它有几个关键的优势。
主要的好处是你不需要访问权。
微波炉相对便宜,就像建造两个简单的塔。
4.3感知系统软件功能设计
4.3.1感知连接点软件设计
传感器连接点需要环境信息的感知和传输,其计算机设计主要由三个组成部分组成:
单板微控制器板的初始化、传感器数据的收集和数据的处理和传输。
指令序列的开始部分板块的单片机单板需要设立的作用开始单片机单徽章,国家注册,频率时钟参考变量和工作acción.B)每板组件的处理和数据传输所搜集的信息传送的徽章的无线传输点的连接,利用相应的传播补偿,转换,最终,从GPS传输到上升。
计算机程序的设计如图6所示。
上位机软件系统设计网络的三层信息通过GPS与上位机通信,并允许数据无线传输。
上位机数据的收集和处理包括在监视中心的web服务器上运行的一系列计算机程序。
该板块主要包括数据收集、数据存储和基于Web的数据管理和诊断分析软件。
其中一些指令是基于MicrosoftNet平台的,它们是用公司的C35语言编写的,并在mssqlserver数据库的上下文中管理数据。
图7为高级计算机系统功能设计的数据处理方案。
为控制、管理和设备管理和数据模型:
使用各种监测中心服务器和网络、个人电脑和手机等移动设备LED电子显示屏等,有用户数据列表的形式,曲线、图像等。
通过用户和服务器的交互和自动分析。
此外,web模块的信息收集系统结合专家,实现有效的监测和远程诊断智能管理,通过获取信息、指导设备的控制环境变量、开放和相应的参考,并关闭该设备的警报和提醒自动高温和低。
4.4植物生长专家系统
4.4.1数据监测与分析
小屋温室设施农业是一个更复杂的气候数据的整个系统可以实时控制的传感器安装在通过基于点关键系统的分析和理解的实时变化,土壤温度、土壤湿度环境光,二氧化碳的含量和温度和湿度环境中关键分。
实时分析进行植物生长在小屋温室通过制订一个模型的农业灌溉和季节性模型的比较分析,产生一个预测和理解的变化趋势与预测的增长的植物。
4.4.2植物生长数据跟随
在全球模型系统建立后,通过某些技术算法进行加权计算,以评估目前的植物生长状况和有关设施的数据,并进行适当的可预测分析。
这一评估模型是温室气体放大器系统的接口,该系统通过已经确定的接口将分析结果传送给温室气体放大器控制系统。
从长远来看,一些经过验证的长期结论也可以提高其作为分析基础的优先地位。
4.4.3植物生长分析自学习
植物生长评估分析模型是一种根据某些规则被删除的操作,是一种开放的系统,随时都可以调整,因此可以建立一种自我学习系统来进行实时改进。
自学系统通过对数据库中的相关数据和视频进行分析比较,评估植物生长分析模型的运作效率,在系统分析的基础上改进植物生长分析模型,并定期监测植物生长情况。
改进的效果,显示系统能够不断地发展。
由于植物生长线在不断变化,系统的分析模式也不可避免地要进行实时调整。
所以你必须自己学习。
4.4.4智能控制系统
植物生长和智能控制两大系统间匹配其实是需要很大的数据量的,一些比较频繁的数据是通过接口直接传输的,一些关于系统的、结构性数据是通过数据库传输的。
和植物生长系统相似,智能控制系统也需要依靠经验分析,并且也需要根据植物实际生长的变化不断进化。
智能控制的自学习系统就由此而来。
主要是针对植物生长状态改变过程设计。
当智能系统给出输出改变指令时,需要相关设备的响应(施肥设备、灌溉设备、遮挡紫外线设备、温湿度调节空调设备、黑光灯具设备等),从而改变温室大棚内土壤及气候变化(通过专家系统可让此类植物达到最佳生长环境)。
4.4.5专家系统
投入专家系统的主要目的是进行经验库管理,因为关于植物生长分析和控制控系统的自学习系统会在较长的时间产生大量的经验规则,每个规则的生成、校验、投放和撤销是一个庞大的系统。
涉及到多优先级管理、经验规则判断裁定,经验的演化等等,需要一个大系统进行协调和汇总。
而汇总的规则等也需要很多结合实际总结出来的经验,这就是专家系统的强项。
五、功能板块
5.1温室监控
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。
5.2开关控制
智能种植控制子体系的作用:
①达到自动化设备的开关控制;②控制设备工作时长;③达到设备与互联网互动。
设备有排风扇、加湿器、气温控制器、传感器、电磁阀和互联互联网等。
工作流程:
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控制指令,改变种植因素请求;②服务器进行相应设备控制,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进行电磁阀传感控制,计算风量,从而获取数据,合理掌控设备工作时间。
5.3智能管理
体系中协调器的作用是组建互联网。
当设备通电后,初始化并建立互联网,为整个体系建立合法的传感器收集连接点并收集和发送收集到的数据,在组网成功后,协调器起到数据转移的作用。
为了减少功耗,ZigBee无线移动通信指令序列在空闲时处于睡眠状态,工作时经由中断的方式唤醒。
六、结论
本文以果蔬大棚监控体系为研究对象,设计了一种物联网大棚环境监控体系。
该体系达到了对作物成长环境信息的精确感知,并结合了专家体系的科学判别与反馈调控,为大棚环境中的果蔬营造了适宜成长的人工环境,管理者还可以经由多种方式对大棚内的设备和数据实施远程、实时监控与管理。
以讯息感知技艺为前提的“精准”农业是一种关键的现代农业生产形式和管理模式,是当今农业发展的潮流,也是未来农业发展的趋势。
因此,笔者所设计的依据物联网的果蔬大棚环境监控体系不仅可以为当下果蔬大棚环境信息的监控提供了一种可行可靠的应用模式,还可以为物联网技艺在其他农业生产中的应用提供借鉴。
致谢
时间飞逝转眼间我的毕业设计就完成了,回首做毕业设计的时光,,在这接近半年的时间,我从毕业设计中学到了很多东西,也感受到了很多情谊。
在这里,我首先要感谢我的指导老师,如果没有老师的耐心指导,也不可能完成我的毕业设计。
每当我在做设计的过程中遇到困难时,老师总是能把我们忽略的问题拿出来,并且更深入的对我们进行提问,虽然我有些时候无法回答老师提的问题,但是老师也悉心给我讲解,直到我完全理解为止。
在我做毕业设计期间,老师对待我们的毕业设计认真负责,看待问题也能够深入浅出,一些复杂的问题能够用浅显易懂的语言表达出来。
我做的毕业设计是依据物联网技艺的智能停车场管理体系设计,其中涉及到理论设计,当我有问题时,老师都耐心为我解决问题。
在设计制作毕业设计的几个月中,在老师的指导下,我查阅了很多与设计相干的资料,同时关注了很多专业网站。
从中学会了很多知识,再加上大学四年以来所
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