无线网络蔬菜大棚测控系统

只看该作者 · 2022-12-6 09:18

无线网络蔬菜大棚测控系统
无线智能蔬菜大棚指利用当前先进的物联网技术，将无线智能化控制系统
应用到蔬菜种植大棚上，远距离实时监测农作物生长环境的参数，数据分析后
再结合专家经验，模拟出最适合大棚内农作物的生长环境，最终通过网关控制
系统控制调控机制，进而改变环境参数，从而使农作物达到最佳生长状态，到
达增产的目的。在传统的蔬菜大棚也能进行智能调控达到半自动化水准，可是
通讯方式必须依赖有线，整个系统需要大量布线，初期建设成本和后期维护都
需要大量的费用。当需要增加大棚内的监测点或增设蔬菜大棚时，我们需要重
新布线，再合并网络，这些任务相当繁琐。本文设计的无线智能蔬菜大棚控制
系统利用物联网通信技术，以无线传输为中心，安装、增设节点都很方便，使
用寿命长，并且用电池供电就可以达到需求。

只看该作者 · 2022-12-6 09:28

无线网络蔬菜大棚利用 LORA 和 NB-IOT 通信技术，将无线远程控制应用到
蔬菜种植大棚上，远距离实时监测农作物生长环境，数据分析后再结合专家经
验，模拟出最适合大棚内农作物的生长环境，最终通过远程调控来改变环境参
数，从而使农作物达到最佳生长状态，到达增产的目的
[ 9 ] 。在以前传统的蔬菜
大棚也能进行智能调控达到半自动化水准，可是通讯方式必须依赖有线，整
个系统需要大量布线，初期建设成本和后期维护都需要大量的费用。当需要增
加大棚内的监测点或增设蔬菜大棚时，我们需要重新布线再合并网络，这些任
务相当繁琐。而我们设计的无线智能蔬菜大棚控制系统利用当前物联网通信技
术，以无线传输为中心，安装、增设节点都很方便，使用寿命长，并且用电池
供电就可以达到需求。整个蔬菜大棚测控系统结构框图如图 2-1 所示。

只看该作者 · 2022-12-6 09:28

网络的最底层是我们的检测终端，在蔬菜大棚中，我们在相应的位置安装
无线终端设备，每个大棚中终端设备的数量根据情况不同安放位置和数量也不
同，但目的都是用来检测环境中的参数。中间层是一个网关控制系统，每个蔬
菜大棚基地根据面积大小设置一个或多个网关，网关负责把终端的数据进行汇
集并交付上层服务器进行存储，同时根据服务器传送过来的指令进行环境参数
调控。系统的最上层是我们的服务器，数据上传到服务器进行存贮，最终通过
服务器发送到我们的 PC 端即我们的上位机进行显示，上位机的指令也通过服
务器发送到我们的网关。对于整个蔬菜大棚而言，该系统可实现信息的自动检
测与控制，每个设备终端配备相应的传感器组成对应的无线节点，每个无线节
点可检测各类环境变量，再将数据通过 LORA 网络传输到系统网关核心控制器
进行处理、上传和管理。网关控制器一方面接收终端传送过来的数据，一方面
保持与用户交互，交互方式采用 NB-IOT 云传输服务，用户可通过相应的云服
务器远程登录，实时查看大棚生产状态。

只看该作者 · 2022-12-6 09:31

只看该作者 · 2022-12-6 09:31

测控系统整体构架

只看该作者 · 2022-12-6 09:35

检测终端和网关我们采用 LORAWAN 自组网，网关控制器和网关采用 NB-IOT
通讯方式，我们这样选择的原因有以下几点：
1.LORA 通信在中国属于免费频率阶段，虽然 NB-IOT 也工作在免费频段但
是 NB-IOT 需要专用的 SIM 卡，我们需要向运营商购买相应的服务，当我们的
终端很多时，如果都采用 NB 通讯方式，费用昂贵。
2.检测终端摒弃了传统的有线供电，采用电池供电，那么电池的使用寿命
和终端的功耗相关，使用寿命越长，那么更换电池的频率就很低，因此就要求
终端的功耗低且覆盖范围广。而 LORA 本身功耗低，传输距离远，覆盖区域比
较大。
3.LORA 网络复杂度比较低，我们自组网不需要路由和转发，网络中加入节
点很方便。
4.LORA 对于远程传输来说，数据丢失率比较低。LORA 采用 AES 加密算
法，数据不容易被窃取，而且在我们的应用程序设计中，每一帧数据都会采取
ACK 应答且有重传机制，因此数据的丢失率就比较低。
5.在休眠模式下，LORA 还支持空中唤醒，这为我们用电池给终端供电时提
供了很好的省电方法。
6.在中国，并没有 LORA 基站，只有 NB-IOT 基站，因此我们的数据必须通
过 NB-IOT 方式才能发送到远程监控上位机。

只看该作者 · 2022-12-6 10:05

检测终端整体硬件架构设计及检测仪表选型
检测终端主要负责监测蔬菜大棚中的各个环境参数变量，当采集到数据以
后发送给网关控制器。整个检测终端由 MCU 模块，信号采集模块、通信模块和
电源模块四部分组成。检测终端系统的整体架构如图 3-1 所示。

只看该作者 · 2022-12-6 10:06

信号采集模块：信号采集模块负责采集环境参数数据的工作，模块由两部
分构成，传感器和信号调理电路。传感器检测到的信号经过信号调理电路传给
MCU 进行数据处理，每一个检测终端都设计有 8 路信号采集通道，我们可以根
据实际要求决定用几路采集信号。每一路分别采集大棚中的不同环境参数，在
蔬菜大棚中各环境参数并不会急剧变化，因此我们不需要对数据参数频繁采
样，这样在采样频率不需要很快的情况下，终端大部分时间就可以处于休眠状
态，可大大节省终端功耗。
通信模块：通讯模块负责检测终端与网关的数据交换，主要由 LORA 射频
电路组成。检测终端只做数据采集和发送，不做处理和存储，因此不需要接收
网关的数据。
电源模块：电源模块主要负责终端系统的供电和对传感器的供电，电源采
用外部 24V 电池供电。
考虑到终端系统的供电方案和低功耗要求，传感器选型要在达到性能的要
求下还能满足低功耗要求，在经过反复的筛选和对比，我们选用北京昆仑海岸
传感技术有限公司的环境监测系列传感器，北京昆仑海岸传感技术有限公司主
要为国内外物联网企业提供感知层的传感器和相关服务。除了一些通用型号
外，还有部分传感器需要定制，具体传感器选型及参数如下：
1：温度传感器：JWSL-12-W1
供电方式：DC 24V；
功耗：小于 0.48W；
准确度：温度：±0.5℃；
工作环境：湿度 0%RH~100%RH，温度：-10℃~70℃；
量程：温度：0℃~60℃；
输出信号：4~20mA 或 0~5V (可选)；
2：湿度传感器：JWSL-12-W2
供电方式：DC 24V；
功耗：小于 0.48W；
准确度：湿度±3%RH（5%RH~95%RH，25℃）；
工作环境：湿度 0%RH~100%RH，温度：-10℃~60℃；
量程：湿度：0%RH~100%RH；
输出信号：4~20mA 或 0~5V (可选)；
3：土壤 PH 值传感器：JPH-T-A-1-CO5
供电方式：DC 24V；
功耗：小于 0.3W；
分辨率：0.01 PH；
工作环境：温度：0℃~60℃；
量程范围：0～14PH；
输出信号：4~20mA 或 RS485（可选）；
4：二氧化碳浓度：JQAW-3AC
供电方式：DC 24V；
最大功耗：1.92W；
工作环境：湿度 0%RH~95%RH，温度：0℃~60℃；
量程 0ppm~5000ppm（范围内可选）；
准确度：±3%F·S；稳定性：≤2%F·S；
输出信号：4~20mA 或 0~5V（可选）；
负载能力：电流输出型≤500Ω；
5：照度变送器：ZD-6-VB-H
供电方式：DC 24V；
功耗：0.48uW；
波长测量范围：380nm~730nm；
测量范围：0lux~200000lux；
分辨率：100lux；
输出信号：4~20mA 或 0~5V（可选）；
工作环境：湿度 5%RH~95%RH，温度：0℃~70℃（非结露）；
6：土壤 EC 值传感器：MAGR-05A
供电方式：DC 24V；
功耗：0.6uW；
工作环境：温度：-20℃~70℃
EC 值：0-2dS/m;
土壤的水分：0~100%；
输出信号：4~20mA;

只看该作者 · 2022-12-6 10:12

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只看该作者 · 2022-12-6 11:00

我们公司就是做这个的

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