摘 要

我國正處于經(jīng)濟發(fā)展階段，在經(jīng)濟建設(shè)中出現(xiàn)了許多問題。我國土地資源非常豐厚，但是因為人口眾多，人均占有量卻非常低。在全球的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中我國作為佼佼者，需要在如今經(jīng)濟發(fā)展時期針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問題展開研究。通過不受任何氣候等客觀條件影響的溫室來改變植物生產(chǎn)環(huán)境，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)量，而且可以解決如今我國可利用土地資源的情形下無法過多進行種植活動。
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時若想要得到預計的高產(chǎn)高質(zhì)作物，就需要未知物提供適宜其健康生長的如陽光，二氧化碳等。由此可見，農(nóng)業(yè)良好生產(chǎn)的條件十分苛刻，以往溫室無法為植物提供健康環(huán)境，因為在其內(nèi)部建設(shè)中有許多干擾因素，而且對于溫室溫度的掌控很難自由準確的把握。本文研究內(nèi)容將對以往溫室技術(shù)進行改良并增加通過ZigBee系統(tǒng)控制的無線技術(shù)，對溫室進行徹底改良。通過增加可控系統(tǒng)對溫室做到可以人工自由掌握。
通過采用ZigBee無線系統(tǒng)，充分考慮作物生產(chǎn)條件，為其提供適宜生活環(huán)境，如為作物提供充足陽光，適宜溫度、濕度，通過無線技術(shù)，減少以往繁雜的操作步驟，節(jié)約生產(chǎn)成本。本系統(tǒng)可以準確完美的對棚內(nèi)具體數(shù)據(jù)進行采集，并通過無線傳輸?shù)娇傁到y(tǒng)中，以便對棚內(nèi)信息做到了如指掌，實現(xiàn)作物健康成長和打到預期生產(chǎn)目標。
關(guān)鍵詞：溫室；數(shù)據(jù)采集；ZigBee；PLC控制  
 
ABSTRACT

China is in a stage of economic development, there were many problems in economic construction. China is rich in land resources, but because of the large population, and per capita consumption is very low. China as a leader in the agricultural areas in the world, needed for agricultural production problems during the period of economic development. Through without any effect of objective conditions of climate change in greenhouse vegetable production environment, increase agricultural production, and can solve the case of China's land resources available today cannot be too much for gardening.

Agricultural production if it wants to get the expected high yield and high quality crops, you need to provide suitable for the healthy growth of unknowns such as sunlight, carbon dioxide, and so on. This shows that the onerous terms of good agricultural production, greenhouse, unable to provide a healthy environment for the plant in the past because there were many disturbing factors in its internal construction, free and greenhouse temperature control is difficult to accurately grasp. The content of this article will be improving on past greenhouse technology and increased through ZigBee wireless system control technology, the greenhouses were completely modified. By adding you can greenhouse control system can do manual free grasp.
Through the use of ZigBee wireless systems, taking full account of crop production conditions, and to provide suitable living conditions, such as ample sunshine for crops, appropriate temperature and humidity, through wireless technology, reducing the previous complicated steps, save production costs. This system can be exactly perfect for Studio specific data collection and wirelessly to the total system in order to know all about Studio information, crop growth and the expected production targets.
Keywords: Greenhouses; Data Acquisition; ZigBee; PLC Control

目    錄

目    錄 3
第1章 緒論 1
1.1 研究背景與意義 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 3
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 4
1.3 本文研究內(nèi)容 5
第2章 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)概述 7
2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 7
2.1.1 物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生背景 8
2.1.2 物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)體系 9
2.2 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 10
2.2.1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò) 10
2.2.2 ZigBee協(xié)議棧 10
2.3 本章小結(jié) 12
第3章 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案 13
3.1 需求分析 13
3.1.1 系統(tǒng)功能性分析 13
3.1.2 系統(tǒng)性能需求分析 14
3.2 系統(tǒng)技術(shù)可行性分析 15
3.3 系統(tǒng)設(shè)計思想與架構(gòu) 17
3.3.1 系統(tǒng)設(shè)計思想 17
3.3.2 系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu) 17
3.4 系統(tǒng)設(shè)計流程 18
3.5 本章小結(jié) 20
第4章 無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計及實現(xiàn) 21
4.1 關(guān)鍵器件的選型 21
4.1.1 zigbee芯片選型 21
4.1.2 數(shù)字溫濕度傳感器選型 25
4.1.3 空氣溫度、光照度和二氧化碳濃度傳感器 27
4.2 傳感器模塊設(shè)計 28
4.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計 30
4.3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件設(shè)計 30
4.3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件設(shè)計 31
4.4 執(zhí)行控制電路設(shè)計 32
4.5 本章小結(jié) 33
第5章 監(jiān)控管理中心軟件設(shè)計及實現(xiàn) 34
5.1 開發(fā)平臺架構(gòu) 34
5.2 系統(tǒng)運行環(huán)境 34
5.3 監(jiān)控管理中心軟件總體設(shè)計 35
5.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計 38
5.5 上位機軟件設(shè)計 40
5.5.1 數(shù)據(jù)管理軟件功能設(shè)計 40
5.5.2 數(shù)據(jù)管理軟件界面設(shè)計 41
5.5.3 串口通信控件設(shè)計 43
5.5.4 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計 45
5.6 功能模塊設(shè)計與實現(xiàn) 46
5.6.1 信息管理模塊設(shè)計與實現(xiàn) 46
5.6.2 環(huán)境數(shù)據(jù)管理模塊設(shè)計與實現(xiàn) 49
5.6.3 視頻圖像管理模塊設(shè)計與實現(xiàn) 51
5.6.4 預警信息管理模塊設(shè)計與實現(xiàn) 54
5.6.5 自動化設(shè)備管理模塊設(shè)計與實現(xiàn) 57
5.6.6 任務(wù)管理模塊設(shè)計與實現(xiàn) 59
5.7 數(shù)據(jù)庫與Web服務(wù)器部署 61
5.8 本章小結(jié) 62
第6章 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試 63
6.1 數(shù)據(jù)采集模塊的調(diào)試 63
6.2 ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)調(diào)試 63
6.3 FFD與協(xié)調(diào)器通信模塊的調(diào)試 64
6.4 監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試 65
6.5 本章小結(jié) 65
第7章 總結(jié)與展望 67
參考文獻 69
致    謝 73

第1章 緒論

1.1 研究背景與意義
隨著社會經(jīng)濟水平的提高，我國在設(shè)施農(nóng)業(yè)的投入巨大，發(fā)展速度極快，涉及到的總面積也越來越大�，F(xiàn)代化溫室作為設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展壯大的代表，也因其獨有的特點迅速發(fā)展起來，規(guī)模也越來越大。如今，我國已經(jīng)研發(fā)出應對不同地域出現(xiàn)的不同氣候的溫室構(gòu)造，但是在實踐中出現(xiàn)了其他問題。由于溫室系統(tǒng)中記錄氣候參數(shù)大多引自國外，數(shù)據(jù)域?qū)嶋H生產(chǎn)情況存在較大的差異，使得消耗的能源非常多，使得現(xiàn)代化溫室生產(chǎn)成本非常高，有時會因為無法獲得相應利潤而選擇放棄生產(chǎn)[1]。
在日本，加拿大等設(shè)施園藝發(fā)達的國家中，都研發(fā)了適合本國生長的園藝植物的生長模型，使用較為先進的環(huán)境調(diào)控技術(shù)來降低溫室能耗，以節(jié)約生產(chǎn)成本，獲得最大利潤。根據(jù)國外對現(xiàn)代溫室問題的處理方法，我國也應建立以模型為基礎(chǔ)的溫室環(huán)境調(diào)控技術(shù)，對改善溫室能耗高，成本高等問題，是我國的現(xiàn)代化溫室調(diào)控具有明顯的改善，為將來的發(fā)展堅定基礎(chǔ)[2]。我國對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理做出在2050年完成農(nóng)業(yè)與現(xiàn)代化科技的結(jié)合，完善每一個功能，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的精準化。
數(shù)字信息化的進步為人們社會生活提供了許多便捷，也日益影響著世界經(jīng)濟格局，也已經(jīng)全面滲透到人們生活當中。各個國家利用這一發(fā)展趨勢也逐步將其利用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中。農(nóng)業(yè)的信息科技化深深影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，使農(nóng)業(yè)在這種改革之下慢慢變成新型農(nóng)業(yè)模式。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的每一個環(huán)節(jié)中都運用數(shù)字信息化模式，通過科學手段控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全過程[3]。目前，農(nóng)業(yè)從以往傳統(tǒng)模式向全智能模式轉(zhuǎn)變，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的最終形態(tài)和必須經(jīng)歷的過程。
通過制造溫室環(huán)境可以在不可能生產(chǎn)的物品的環(huán)境下進行生產(chǎn)，通過改變影響作物生長的光照，二氧化碳等因素來制造溫室環(huán)境[4]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中光照強度直接影響作物的光合作用強度，即在固定時間內(nèi)作物固定面積所接收的熱量，通常用lux表示出。對作物生產(chǎn)影有巨大影響的是二氧化碳。一種作物能否順利進行光合作用，在光照等其他影響作物因素適中時，二氧化碳濃度起決定作用。
通常作物在進行光合作用時，當其他因素穩(wěn)定狀態(tài)下，光照的強度將直接影響光合作用大小[5]。在作物生長時，溫度起到了關(guān)鍵作用。溫度不僅影響作物的最終產(chǎn)量，也影響作物的生長速度，而且溫度的高地還影響作物的健康。作物生長必須保持適中的溫度，不能過高，也不能過低。當作物所受溫度過低，會使作物出現(xiàn)冷害和凍害兩種情況。而溫度過高引起作物受到損害的情況相對較少。作物在進行生長時可以吸收大氣中的二氧化碳，使大氣中二氧化碳含量趨于穩(wěn)定，通過吸收二氧化碳來進行自身的光合作用為其生長[6]。
在作物生長時，不可能完全依靠二氧化碳的擴散作用完成，通過使空氣自由流動，使大量二氧化碳經(jīng)過作物頁面來提高光合作用的強度。通過這一原則，在進行大量生產(chǎn)時對作物栽培距離要用所把握，使作物生產(chǎn)環(huán)境中的空氣可以自由流通[7]。所以在設(shè)計溫室環(huán)境中設(shè)立監(jiān)測系統(tǒng)來測定溫室中出現(xiàn)的情況十分有利于作物產(chǎn)量和質(zhì)量，對溫室中所反映的數(shù)據(jù)進行準確處理，會對溫室中作物生長情況有充足的信息，利于對其進行科學化管理[8]。如果在監(jiān)測時采用以往的人工監(jiān)測會導致大量人力資源的浪費，增加生產(chǎn)成本，很難做到作物反應數(shù)據(jù)上的統(tǒng)一和有效管理。面對這一情況，若在溫室農(nóng)業(yè)中安置一種經(jīng)濟實用，可以監(jiān)測大量環(huán)境參數(shù)的系統(tǒng)，將會大大減少溫室設(shè)計成本，也有利于其在農(nóng)業(yè)中的發(fā)展[9]。反應一個國家的社會經(jīng)濟情況的基礎(chǔ)信息是該國農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量大小會直接影響著國家未來經(jīng)濟發(fā)展計劃，也影響國家民生問題。對國家種植領(lǐng)域中有效管理具有非常重要的意義[10]。在設(shè)計溫室環(huán)境時需要根據(jù)在實踐中出現(xiàn)的問題，比如監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計上要具有前沿性和實效性，及時對作物生長進行實時監(jiān)測，分析環(huán)境中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)、對作物產(chǎn)生的影響。這種方式不僅對國家，而且對農(nóng)民生產(chǎn)生活都具有非常重要的意義[11]。
如今的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域隨著科學，信息化時代的進步也加入了新鮮的血液，導致落后的，效率低的生產(chǎn)方式無法滿足生產(chǎn)需要。物聯(lián)網(wǎng)的加入使得農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有了新的機遇。未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢是新型的，是高校高產(chǎn)的，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的改變要以信息化農(nóng)業(yè)發(fā)展，提高農(nóng)業(yè)在生產(chǎn)時的科學技水平，改變生產(chǎn)方式，使農(nóng)業(yè)在如今新型環(huán)境下緊跟社會發(fā)展步伐[12]。在溫室環(huán)境的監(jiān)測中充分對所出現(xiàn)的環(huán)境參數(shù)進行分析，通過無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，通過系統(tǒng)分析，使用系統(tǒng)的人員可以對溫室內(nèi)情況一目了然，提高作物上產(chǎn)量。
以往的溫室中需要安裝大量的傳感器來監(jiān)測內(nèi)作物的生產(chǎn)狀況，但是在本文設(shè)計的系統(tǒng)中采用無線傳感器對棚內(nèi)數(shù)據(jù)進行實時采集[13]。這種無線傳感器操作十分簡單，而且設(shè)計范圍廣，根據(jù)棚內(nèi)的變化得到相應的數(shù)值，對溫室環(huán)境發(fā)展具有重要的經(jīng)濟意義。從發(fā)展的角度觀看溫室發(fā)展情況，通過采用本監(jiān)測系統(tǒng)，全方位利用農(nóng)業(yè)信息科學技術(shù)，使得農(nóng)業(yè)發(fā)展趨于現(xiàn)代化，不僅為農(nóng)民帶來了許多便捷，也為社會經(jīng)濟發(fā)展帶來的不菲的效益。

第7章 總結(jié)與展望

本文主要致力于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。本文主要工作如下： 

綜合了國內(nèi)外設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，通過分析和比較國內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)存在的不足。根據(jù)已有的技術(shù)條件，得出了設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)設(shè)計的理論依據(jù)。鑒于傳統(tǒng)技術(shù)暴露出的不足以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的諸多優(yōu)點和它的迅速發(fā)展和普及，提出了使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。對系統(tǒng)進行功能需求分析，通過用例圖展現(xiàn)軟件的功能，給出用例分析。給出設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)軟件的開發(fā)流程。重點闡述了數(shù)據(jù)庫的設(shè)計、分析軟件的整體框架，給出各個子功能模塊的詳細設(shè)計方案。綜合國內(nèi)已有的農(nóng)業(yè)傳感器、傳輸與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的特點。以經(jīng)濟性、可靠性以及易擴展性為準則，給出了系統(tǒng)集成方案。根據(jù)需求分析，制定系統(tǒng)測試用例，給出測試結(jié)果。測試表明，本文設(shè)計的設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)滿足實際應用需求。
針對設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用，還需要重點解決設(shè)施農(nóng)業(yè)綜合感知、設(shè)施農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)倉庫關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)低成本、高可靠的農(nóng)業(yè)傳感器與數(shù)據(jù)采集終端、搭建更健全的農(nóng)業(yè)氣象、土肥、植保、農(nóng)技等數(shù)據(jù)倉庫。
（1）設(shè)施農(nóng)業(yè)綜合感知系統(tǒng)開發(fā) 
農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是集各種傳感器、協(xié)同感知、協(xié)同信息處理、無線網(wǎng)絡(luò)通信與應用服務(wù)的綜合信息系統(tǒng)，涉及農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)信息獲取�，F(xiàn)有的傳感器與數(shù)據(jù)采集終端，特別是作物環(huán)境信息（土壤營養(yǎng)、水質(zhì)、重金屬等）、作物本體信息、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)監(jiān)測等傳感器與滿足農(nóng)業(yè)復雜環(huán)境的低成本、高可靠數(shù)據(jù)采集終端產(chǎn)品距離實際需求還有很大差距。因此，需在梳理國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，通過產(chǎn)學研用聯(lián)合攻關(guān)、引進消化國外先進技術(shù)，突破溫室環(huán)境、作物本體等信息獲取的傳感器與數(shù)據(jù)采集終端共性關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)適用于國情的農(nóng)用傳感器與信息獲取終端設(shè)備，建立設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)支撐體系。
（2）設(shè)施農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)倉庫關(guān)鍵技術(shù)研究 
通過感知層獲取的空氣、土壤、氣象、植物病蟲害等信息，需要進行進一步的加工、處理。因此要研究多源農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的抽取、轉(zhuǎn)換、清洗以及裝載技術(shù)，整合分布在各地的數(shù)據(jù)資源以及感知層獲取的信息資源，，建設(shè)氣象數(shù)據(jù)倉庫、土壤類型與施肥數(shù)據(jù)倉庫、植物保護數(shù)據(jù)倉庫，集成農(nóng)作物品種選擇、病蟲害診斷、施肥決策等知識模型建立農(nóng)業(yè)專業(yè)服務(wù)知識倉庫，為設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)與知識支撐。
 
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