李勝　劉娜　王彥等

摘要：根據(jù)外部信息網(wǎng)與內(nèi)部測(cè)控網(wǎng)及其交互方式的不同，比較分析了3種典型的物聯(lián)網(wǎng)溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)方案，分別是成本較低、簡(jiǎn)便、維護(hù)少的串行總線/以太網(wǎng)方案，以現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器和Web中央服務(wù)器為核心進(jìn)行智能控制的基于Web的方案，充分利用無(wú)線通信技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)/3G網(wǎng)絡(luò)方案。3種方案很好地將測(cè)控網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)融合，達(dá)到了溫室網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能溫室；測(cè)控

中圖分類號(hào)：S126；TP393.03 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）19-4822-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.19.043

Abstract： According to the external information network， internal monitoring network， and the differences in interactive mode between them， this article analyzed three kinds of plan of typical greenhouse intelligent monitoring system based on internet of things： plan of serial bus/ethernet that is low cost， simple and less maintenance； plan based on web that can intelligently control the greenhouse with the field server and web central server as the core； plan of wireless sensor network/3G network that fully use wireless communication technology. It indicated that they all made good fusion of measuring and control network with internet， achieving the aim of remote network monitoring of greenhouse.

Key words： internet of things； greenhouse； monitoring and control

物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)各種信息傳感設(shè)備，如傳感器、射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外傳感器、激光掃描器、氣體感應(yīng)器等各種裝置與技術(shù)，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程，采集其聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種需要的信息與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)成的一個(gè)巨大的網(wǎng)絡(luò)。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人、所有物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理與控制[1]。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)是互聯(lián)網(wǎng)，不過(guò)用戶端不僅局限于個(gè)人電腦，而是延伸到任何需要實(shí)時(shí)管理的物品與物品之間[2]。

傳統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)多采用私有協(xié)議，彼此間難以互通，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不透明，靈活性、擴(kuò)充性不佳。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，智能控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是走向開放，尤其是智能控制與互聯(lián)網(wǎng)的融合是其中一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。

物聯(lián)網(wǎng)智能溫室系統(tǒng)是將物聯(lián)網(wǎng)信息傳感設(shè)備及控制平臺(tái)、互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)及終端、視頻監(jiān)控平臺(tái)及終端以及農(nóng)業(yè)自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備組合起來(lái)，從遠(yuǎn)程獲取溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)、遠(yuǎn)程自動(dòng)操作控制外部配套設(shè)備、遠(yuǎn)程診斷農(nóng)作物病變3個(gè)方面入手，進(jìn)行系統(tǒng)配置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、適時(shí)、便捷的控制功能[3]。結(jié)合中國(guó)的實(shí)際情況，從農(nóng)業(yè)、農(nóng)村、農(nóng)民的實(shí)際需要出發(fā)，利用目前前沿的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、有線和無(wú)線傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、GPRS/3G等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)等為廣大農(nóng)戶提供多種類型的集數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和業(yè)務(wù)管理的溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)，使分散的溫室的遠(yuǎn)程監(jiān)控與無(wú)處不在的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密的結(jié)合起來(lái)，服務(wù)“三農(nóng)”。

目前的物聯(lián)網(wǎng)智能溫室系統(tǒng)外部信息網(wǎng)絡(luò)主要是采用GPRS、3G移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)或有線的以太網(wǎng)通過(guò)TCP/IP協(xié)議接入Internet。內(nèi)部測(cè)控網(wǎng)絡(luò)一般采用基于串行總線的集散控制網(wǎng)絡(luò)、各種現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)或Zigbee無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)具體應(yīng)用選擇不同的內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)及其網(wǎng)絡(luò)間交互方式，產(chǎn)生了各種不同的智能溫室系統(tǒng)。本研究對(duì)比分析了3種有代表性的物聯(lián)網(wǎng)智能溫室系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。

1 系統(tǒng)構(gòu)建方案

目前中國(guó)建設(shè)的連棟溫室面積多在1～4 km2。這類溫室面積適中，對(duì)溫室的智能控制有比較迫切的需求。如何為這類溫室提供可靠、經(jīng)濟(jì)的智能監(jiān)控系統(tǒng)成為研究的重點(diǎn)。

1.1 串行總線/以太網(wǎng)方案

串行總線/以太網(wǎng)方案綜合利用目前比較成熟的數(shù)字傳感器技術(shù)、串行總線技術(shù)、嵌入式技術(shù)、TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，為以較低的成本實(shí)現(xiàn)溫室的網(wǎng)絡(luò)智能控制提供了可行的方案。該智能監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)為遠(yuǎn)程PC，下位機(jī)包括單片機(jī)數(shù)據(jù)采集終端、繼電器控制電路等，下位機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口模塊直接接入以太網(wǎng)。該方案的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。該方案是采用高速以太網(wǎng)作為上層信息網(wǎng)的核心，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，底層控制網(wǎng)仍然采用低速的串行總線網(wǎng)絡(luò)。基于LPC2132Z主控芯片的數(shù)據(jù)采集終端起到了嵌入式網(wǎng)關(guān)的作用。RS232主要用于系統(tǒng)調(diào)試，也可以與采用RS232通訊方式的設(shè)備相連。RS485作為網(wǎng)關(guān)的輸入輸出通道。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口模塊與以太網(wǎng)相連，由遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)發(fā)送任務(wù)請(qǐng)求或由采集系統(tǒng)主動(dòng)傳遞數(shù)據(jù)給遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備與Internet的互聯(lián)[4]。

該方案具有布線簡(jiǎn)單、使用方便、系統(tǒng)控制器穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，所需維護(hù)少等特點(diǎn)。采用有線方式很好地克服了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力差、受障礙物影響大、信號(hào)傳輸不可靠、經(jīng)常需要更換電池等缺點(diǎn)。對(duì)于傳感器數(shù)量不多且位置較為集中的溫室是一種較為經(jīng)濟(jì)的方案。

此外，很多方案也將網(wǎng)絡(luò)接口模塊設(shè)計(jì)成支持無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將有線的傳感器連接方式改為無(wú)線方式。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器/Web服務(wù)器方案

以太網(wǎng)/串行總線的混合控制網(wǎng)絡(luò)通過(guò)嵌入式網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)TCP/IP協(xié)議到串行總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而達(dá)到高速的以太網(wǎng)和相對(duì)低速現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間互連的目的。但是嵌入式網(wǎng)關(guān)的具體實(shí)現(xiàn)方法非常復(fù)雜和困難，而且協(xié)議的轉(zhuǎn)換和信息的收發(fā)途徑?jīng)Q定了其相對(duì)低下的通信效率[5]。將這些工作交給上位機(jī)溫室現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器來(lái)處理是一種較好的解決辦法。

現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器方案的上層信息網(wǎng)由Web中央服務(wù)器和現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器兩層服務(wù)器組成。中央服務(wù)器一方面向溫室現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器傳遞來(lái)自客戶的請(qǐng)求和控制指令，另一方面將溫室的各種環(huán)境信息反饋給網(wǎng)絡(luò)用戶?，F(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器主要負(fù)責(zé)控制溫室現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，使其不僅能夠按照用戶的控制指令實(shí)現(xiàn)設(shè)備的開關(guān)等控制，而且還可以脫離用戶自主完成默認(rèn)的控制任務(wù)，同時(shí)還發(fā)送溫室環(huán)境信息?？蛻舳藙t僅僅需要瀏覽器，無(wú)需安裝任何軟件，即可在Internet上通過(guò)訪問(wèn)中央服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程溫室的控制。該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示[6]。

溫室現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)由溫室現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器（上位機(jī)）、溫室控制器（下位機(jī)）、繼電器箱、各種傳感器和加溫調(diào)濕等設(shè)備組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示[6]。溫室現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器中運(yùn)行著溫室管理和控制程序，由數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、默認(rèn)控制邏輯及網(wǎng)絡(luò)通信4部分組成。用戶控制信息和溫室環(huán)境信息由中央服務(wù)器傳遞。無(wú)連接或網(wǎng)路中斷、阻塞時(shí)，溫室現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器執(zhí)行內(nèi)部默認(rèn)的控制策略[6]。

很多系統(tǒng)采用的是“操作者—Internet—遠(yuǎn)程設(shè)備”的體系結(jié)構(gòu)，將Web中央服務(wù)器的功能集成到了客戶端和現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器上。這樣的結(jié)構(gòu)不利于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整和溫室的集群管理。

1.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)/3G網(wǎng)絡(luò)方案

該方案為中國(guó)電信的智能大棚方案[3]，主要分為大棚現(xiàn)場(chǎng)、采集傳輸、業(yè)務(wù)平臺(tái)和終端展現(xiàn)4層架構(gòu)，如圖4所示。

大棚現(xiàn)場(chǎng)主要負(fù)責(zé)大棚內(nèi)部環(huán)境參數(shù)的采集和控制設(shè)備的執(zhí)行。傳感器的數(shù)據(jù)上傳有Zigbee模式和RS485模式兩種，RS485模式中數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)有線的方式傳送，涉及大量的通訊布線。在Zigbee傳輸模式中，傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee發(fā)送模塊傳送到Zigbee中心節(jié)點(diǎn)上，用戶終端和一體化控制器間傳送的控制指令也通過(guò)Zigbee發(fā)送模塊傳送到中心節(jié)點(diǎn)上，省卻了通訊線纜的部署工作。中心節(jié)點(diǎn)再經(jīng)過(guò)邊緣網(wǎng)關(guān)將傳感器數(shù)據(jù)、控制指令封裝并發(fā)送到位于Internet上的系統(tǒng)業(yè)務(wù)平臺(tái)。用戶可以通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚現(xiàn)場(chǎng)的傳感器參數(shù)，控制大棚現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)設(shè)備。Zigbee模式具有部署靈活、擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)。

控制系統(tǒng)主要由一體化控制器、執(zhí)行設(shè)備和相關(guān)線路組成，通過(guò)一體化控制器可以自由控制各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)執(zhí)行設(shè)備，包括噴水系統(tǒng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)等，噴水系統(tǒng)可支持噴淋、滴灌等多種設(shè)備，空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)可支持卷簾、風(fēng)機(jī)等設(shè)備。

采集傳輸部分主要將設(shè)備采集到的數(shù)值傳送到服務(wù)器上，現(xiàn)有大棚設(shè)備支持3G、有線等多種數(shù)據(jù)傳輸方式，在傳輸協(xié)議上支持IPv4現(xiàn)網(wǎng)協(xié)議及下一代互聯(lián)網(wǎng)IPv6協(xié)議。

業(yè)務(wù)平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)用戶提供智能大棚的所有功能展示，主要功能包括環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)空間/時(shí)間分布、歷史數(shù)據(jù)、超閾值告警和遠(yuǎn)程控制5個(gè)方面。用戶還可以根據(jù)需要添加視頻設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能。上述功能均可以讓用戶通過(guò)瀏覽器實(shí)時(shí)觀看。

系統(tǒng)能夠通過(guò)PC機(jī)IE瀏覽器（IE7.0版本以上）、Android操作系統(tǒng)（2.0.1版本以上）智能3G手機(jī)實(shí)時(shí)訪問(wèn)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)，能夠?qū)r(nóng)業(yè)大棚卷簾、噴淋等設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

該方案較適于多座溫室的規(guī)?；渴?，對(duì)于規(guī)模較小的示范性溫室也能起到很好的展示作用。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

2 結(jié)論

比較分析了3種典型的基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室智能測(cè)控方案。它們都將傳感器網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)很好地融合在一起，并各具特色。由于溫室的環(huán)境、規(guī)模、投資等因素各有不同，具體的智能監(jiān)控方案不盡相同，需要針對(duì)不同的情況采用不同的內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其交互方式。如何構(gòu)建更加簡(jiǎn)單、開放、經(jīng)濟(jì)的物聯(lián)網(wǎng)智能溫室系統(tǒng)值得我們繼續(xù)深入研究。

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