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一、項目背景
近年來，溫室大棚種植為提高人們的生活水平帶來極大的便利，得到了迅速的推廣和應(yīng)用。種植環(huán)境中的溫度、濕度、光照度、CO2濃度等環(huán)境因子對作物的生產(chǎn)有很大的影響。傳統(tǒng)的人工控制方式難以達(dá)到科學(xué)合理種植的要求，目前國內(nèi)可以實現(xiàn)上述環(huán)境因子自動監(jiān)控的系統(tǒng)還不多見，而引進(jìn)國外具有多功能的大型連棟溫室控制系統(tǒng)價格昂貴，不適合國情。
針對目前大棚發(fā)展的趨勢，提出了一種大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。根據(jù)大棚智能監(jiān)控的特殊性，需要傳輸大棚現(xiàn)場參數(shù)給管理者，并把管理者的命令下發(fā)到現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備，同時又要使上級部門可隨時通過互連網(wǎng)或者手機(jī)信息了解區(qū)域大棚的實時狀況。基于GPRS的智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)使這些成為可能。
二、項目分析
2.1 系統(tǒng)組成
2.1.1大棚現(xiàn)場采集控制終端
大棚現(xiàn)場采集控制終端負(fù)責(zé)24小時采集溫室內(nèi)溫度、濕度、光照、土壤溫度、土壤濕度、CO2濃度、葉面濕度、露點溫度等環(huán)境參數(shù)。
2.1.2無線傳輸設(shè)備
廈門四信IP MODEM F2103采用標(biāo)準(zhǔn)的232/485通信接口，只要內(nèi)置一張GPRS數(shù)據(jù)卡就能和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信，和大棚現(xiàn)場采集終端通過232/485連接后，將采集終端送上來的數(shù)據(jù)原封不動的通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理中心。F2103的通用性強(qiáng)，即插即用，體積小巧安裝使用簡單便捷，無需太多專業(yè)技能，而且針對不同的工程情況可選擇不同的網(wǎng)絡(luò)IP MODEM,型號規(guī)格為F2X03。
2.1.3數(shù)據(jù)管理中心
數(shù)據(jù)中心對現(xiàn)場實時采集的溫室內(nèi)溫度、濕度、光照、土壤溫度、土壤濕度、CO2濃度、葉面濕度、露點溫度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析處理，不僅進(jìn)行完成的統(tǒng)計做出相應(yīng)的統(tǒng)計報表，并做出趨勢分析，且以直觀的圖表和曲線的方式顯示給用戶，并根據(jù)種植作物的需求提供各種聲光報警信息。當(dāng)溫濕度超過設(shè)定值的時候，自動開啟或者關(guān)閉指定設(shè)備。
2.2 系統(tǒng)總架構(gòu)
首先用232/485先將大棚數(shù)據(jù)采集終端和F2103連接起來，將SIM卡插進(jìn)F2103中，給F2103上電即可，此時F2103會自動連接到數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器一般通過固定IP、ADSL、APN的形式接入網(wǎng)絡(luò)。無線傳輸設(shè)備F2103通過GPRS網(wǎng)絡(luò)連接到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心服務(wù)器主機(jī)，與中心建立TCP/IP連接后開啟透明數(shù)據(jù)通道。當(dāng)采集終端需要上報數(shù)據(jù)的時候?qū)?shù)據(jù)直接送往串口，此時F2103就會把收到的數(shù)據(jù)原封不動地發(fā)送到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器主機(jī)。當(dāng)數(shù)據(jù)中心下發(fā)的命令或數(shù)據(jù)通過通道傳輸?shù)紽2103后，F(xiàn)2103通過串口送到采集終端，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)雙向透明傳輸。
2.3系統(tǒng)實現(xiàn)功能
1：可在線實時24小時連續(xù)的采集和記錄監(jiān)測點位的溫度、濕度、風(fēng)速、二氧化碳、光照、空氣潔凈度、供電電壓電流等各項參數(shù)情況，以數(shù)字、圖形和圖像等多種方式進(jìn)行實時顯示和記錄存儲監(jiān)測信息，監(jiān)測點位可擴(kuò)充多達(dá)上千個點。
2：可設(shè)定各監(jiān)控點位的溫濕度報警限值，當(dāng)出現(xiàn)被監(jiān)控點位數(shù)據(jù)異常時可自動發(fā)出報警信號，報警方式包括：現(xiàn)場多媒體聲光報警、網(wǎng)絡(luò)客戶端報警、電話語音報警、手機(jī)短信息報警等。上傳報警信息并進(jìn)行本地及遠(yuǎn)程監(jiān)測，系統(tǒng)可在不同的時刻通知不同的值班人員；
3：數(shù)據(jù)集中器提供USB接口，在沒有配監(jiān)控電腦或監(jiān)控電腦損壞、癱瘓，可隨時用U盤導(dǎo)出將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)至其它電腦。
4：數(shù)據(jù)集中器端提供具有信號輸出協(xié)議的端口，可接通信設(shè)備（GPRS IP MODEM等）進(jìn)行無線傳輸。
5：溫濕度監(jiān)控軟件采用標(biāo)準(zhǔn)windows 98/2000/XP全中文圖形界面，實時顯示、記錄各監(jiān)測點的溫濕度值和曲線變化，統(tǒng)計溫濕度數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)、最大值、最小值及平均值，累積數(shù)據(jù)，報警畫面。
6：監(jiān)控主機(jī)端利用監(jiān)控軟件可隨時打印每時刻的溫濕度數(shù)據(jù)及運(yùn)行報告。
7：強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與通訊能力，采用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，局域網(wǎng)內(nèi)的任何一臺電腦都可以訪問監(jiān)控電腦，在線查看監(jiān)控點位的溫濕度變化情況，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。系統(tǒng)不但能夠在值班室監(jiān)測，領(lǐng)導(dǎo)在自己辦公室可以非常方便地觀看和監(jiān)控。
8：系統(tǒng)可擴(kuò)充多種記錄數(shù)據(jù)分析處理軟件，能進(jìn)行繪制棒圖、餅圖，進(jìn)行曲線擬合等處理，可按TEXT格式輸出，也能進(jìn)入EXCEL電子表格等office的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
9：控制軟件的編制采用軟件工程管理，開放性與可擴(kuò)充性極強(qiáng)，由于采用硬件功能的軟件化的系統(tǒng)設(shè)計思想及系統(tǒng)硬件的模塊化、通訊網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計，系統(tǒng)可根據(jù)需要升級軟件功能與擴(kuò)展硬件種類。
10：系統(tǒng)設(shè)計時預(yù)留有接口，可隨時增加減硬軟件設(shè)備，系統(tǒng)只要做少量的改動即可，可以在很短的時間內(nèi)完成。可根據(jù)政策和法規(guī)的改變隨時增加新的內(nèi)容。
11：設(shè)備改進(jìn)、檢修過程中及檢修完成后，均不需要停止或重新啟動機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)。
12：系統(tǒng)都均做可靠行接地，以防靜電。
三、項目架構(gòu)實施
3.1 F2103與大棚現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端的連接
一個大棚里面會有多個傳感器采集點，通過485將采集數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯聚到集成采設(shè)備，工業(yè)集采設(shè)備采用232/485通信方式與無線通信模塊F2103進(jìn)行連接，對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行集中輪詢后將數(shù)據(jù)通過串口送往F2103。
 
3.2 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)接入方式分析
1.專線接入
中心采用APN專線， 所有點都采用內(nèi)網(wǎng)固定IP客戶中心通過一條2M APN專線接入移動公司GPRS網(wǎng)絡(luò)，雙方互聯(lián)路由器之間采用私有固定IP地址進(jìn)行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯(lián)路由器之間采用GRE隧道。為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于GPRS專網(wǎng)的SIM卡才能進(jìn)入專網(wǎng)APN，防止其他非法用戶的進(jìn)入。
用戶在內(nèi)部建立RADIUS服務(wù)器，作為內(nèi)部用戶接入的遠(yuǎn)程認(rèn)證服務(wù)器（或在APN路由器內(nèi)，啟用路由器本地認(rèn)證功能）。只有通過認(rèn)證的用戶才允許接入，用以保證用戶內(nèi)部安全。
用戶在內(nèi)部建立DHCP服務(wù)器（或在APN路由器內(nèi)，啟用DHCP功能），為通過認(rèn)證的用戶分配用戶內(nèi)部地址。移動終端和服務(wù)器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進(jìn)行隔離，并在防火墻上進(jìn)行IP地址和端口過濾。此種方案無論實時性，安全性和穩(wěn)定性較前一種方案都有大大提高，適合于安全性要求較高、數(shù)據(jù)點比較多、實時性要求較高的應(yīng)用環(huán)境。在資金允許的情況下之最佳組網(wǎng)方式。
2. ADSL撥號連接（動態(tài)公網(wǎng)IP地址）
中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)動態(tài)IP+DNS解析服務(wù)的。客戶先與DNS服務(wù)商聯(lián)系開通動態(tài)域名，IP MODEM先采用域名尋址方式連接DNS服務(wù)器，再由DNS服務(wù)器找到中心公網(wǎng)動態(tài)IP，建立連接。此種方式可以大大節(jié)約公網(wǎng)固定IP的費(fèi)用，但穩(wěn)定性受制于DNS服務(wù)器的穩(wěn)定，所以要尋找可靠的DNS服務(wù)商。此種方案適合小規(guī)模應(yīng)用。
3. 通過固定公網(wǎng)IP連接
中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP服務(wù)的。此種方案先向INT ERNET運(yùn)營商申請ADSL等寬帶業(yè)務(wù)，中心有公網(wǎng)固定IP的。IP MODEM直接向中心發(fā)起連接。運(yùn)行可靠穩(wěn)定，推薦此種方案。
3.3 數(shù)據(jù)中心軟件平臺構(gòu)建
中心端軟件的構(gòu)建有多種方式，對于傳入數(shù)據(jù)的方式的不同，我們提供不同的軟件來幫助客戶快速地實現(xiàn)中心端的數(shù)據(jù)接收和現(xiàn)場設(shè)備的管理。
目前四信提供三種方式的中心接口：
1.首先是對于組態(tài)軟件，目前很多組態(tài)軟件廠家已經(jīng)集成了我們的驅(qū)動了，可以直接配置使用；
2.對于后臺中心軟件只讀串口數(shù)據(jù)的情況，提供一個虛擬串口軟（TCP2COM），利用虛擬串口軟件可以將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串口數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)利用無線公網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)且又對現(xiàn)有系統(tǒng)不做修改的完美結(jié)合。
3.在客戶想要開發(fā)自己的數(shù)據(jù)中心是，此時我公司會提供一個動態(tài)鏈接庫，利用動態(tài)鏈接庫客戶可以很輕松的與傳輸通道進(jìn)行對接，同時會提供一個的數(shù)據(jù)中心DEMO軟件，不僅開放源碼還全程協(xié)助客戶進(jìn)行自己數(shù)據(jù)中心軟件和功能的開發(fā)。客戶可能通過動態(tài)鏈接庫快速開發(fā)一個靈活的，穩(wěn)定的，功能齊全的終端管理和數(shù)據(jù)交互的中心軟件。
下圖為后臺中心管理軟件：
四、方案特點
1. 大棚基地基本位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，因此采用覆蓋廣泛的GPRS網(wǎng)絡(luò)，而且F2103的高信號捕捉，必要是采用高增益天線，可確保網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。
2. 一般大棚種植者卻是專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)管理員，如果監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題則會帶來許多不便，四信IP MODEM采用高性能工業(yè)級處理器以及看門狗等安全機(jī)制設(shè)計，保證IP MODEM 萬一通信中斷也會自行檢測然后自動斷電重啟，保證IP MODEM 永遠(yuǎn)在線，通信鏈路永遠(yuǎn)正常。
3. IP MODEM 采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)串口通信，即插即用，且高規(guī)格的模具設(shè)計，體積小巧方便維護(hù)，工程人員無需太多專業(yè)知識，在短時間內(nèi)即可是系統(tǒng)運(yùn)行。
4. 在國家大力推行三農(nóng)政策的環(huán)境下，市場對大棚種植的需求迅猛增長，且規(guī)模也在不斷的擴(kuò)大，采用F2103GPRS或者APN組網(wǎng)可靈活解決項目點不斷增加的需求，可隨時對現(xiàn)有的系統(tǒng)新增監(jiān)控點而且對現(xiàn)有系統(tǒng)部產(chǎn)生任何影響。
5. 多中心設(shè)計，可同時設(shè)置5個中心監(jiān)控采集現(xiàn)場，避免因某個中心網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定或者關(guān)閉導(dǎo)致無法對礦井現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控而產(chǎn)生安全隱患。
6. 如果大棚監(jiān)測參數(shù)需要臨時修改的話，如果每次都要去現(xiàn)場那是一件非常費(fèi)時費(fèi)力的事情，在此F2103進(jìn)行人性化工程設(shè)計，可是工程人員無需到現(xiàn)場就可以遠(yuǎn)程直接對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的配置，達(dá)到時間和人力的合理利用。
7. 四信F2103采用高規(guī)格材料選配，可在 -25~+65ºC、 相對濕度 95%(無凝結(jié))環(huán)境下正常工作。
五、小結(jié)
大棚種植應(yīng)用越來越廣泛，實現(xiàn)了高效率的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，借助無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)很好的解決了大棚種植維護(hù)難的現(xiàn)象。無線遠(yuǎn)程監(jiān)控的應(yīng)用在大棚種植領(lǐng)域得到了充分的體現(xiàn)，相信無線監(jiān)控的應(yīng)用在其他領(lǐng)域也會得到更多的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)的價值在不斷的體現(xiàn)。
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