用于大棚的无线温度监控系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种用于大棚的无线温度监控系统，包括测量模块、控制模板、管理模块和用户手机；所述测量模块、控制模板和管理模块通过无线传感网络连接在一起；所述管理模块通过移动通信网与用户手机连接。本系统通过测量模块测量得到温度数据，将温度数据通过无线传感网络（ZigBee）上传至管理模块，如果温度超过上限，则报警器进行报警，同时利用移动通信网将报警信息发送给管理人员手机。管理模块可按用户手机设定好的温度将控制指令发送给控制模块进行温度控制，从而实现了可以随时随地灵活控制大棚温度的目的。
【专利说明】用于大棚的无线温度监控系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于温度监控【技术领域】，尤其是一种用于大棚的无线温度监控系统。【背景技术】
[0002]当前，我国正在大力发展设施农业，它是通过采用现代农业工程技术，改变自然环境，为动植物生产提供相对可控制甚至最适宜的温度、湿度、光照、水肥等环境条件，而在一定程度上摆脱对自然环境的依赖进行有效生产的农业，具有高投入、高技术含量、高品质、高产量、高效益等特点，是最有活力的农业新产业。设施农业是现代农业技术与工程技术的集成(主要设施以温室和塑料大棚为代表)，涉及建筑、材料、机械、环境、自动控制、品种、栽培、管理等多种学科和多种系统，是农业现代化的重要组成部分。广义设施农业包括设施栽培和设施养殖，狭义设施农业一般是指设施栽培。狭义设施农业，即设施栽培，可充分发挥作物的增产潜力，增加产量，改善品质，并能使作物周年生长，在有限的空间中生产出高品质的作物。设施农业工程技术包括温室设施(大棚、日光温室、智能温室等)及机械设备两部分。
[0003]近几年来，我国的设施农业发展已经起步，但是设施农业规模不大，水平不高，缺乏像荷兰、以色列那样的高科技投入、高资金投入、超高效益的高度集约型工厂化设施农业，与目前发达国家的设施农业发展还有很大差距，与国内各个地区的设施农业发展相比也存在一定差距。目前设施内的机械化作业水平仍很低，劳动强度大，工作环境差，效率低而且作业质量差，与发达国家相比存在很大差距，是综合设施技术中的薄弱环节，对设施技术的进一步发展已构成约束。
[0004]农业大棚是设施农业的重要组成部分，实现对农业大棚的监控，可以为农业精细化提供支撑，以达到提高生产效率、提升农产品品质以及降低生产成本的目的。随着计算机技术、通信技术、网络技术、电子技术等科学技术的飞速发展，大棚监控技术得到了长足的发展，国内外对大棚监控的研究已经取得一定成果。近年来，温室大棚种植为提高人们的生活水平带来极大的便利，得到了迅速的推广和应用。种植环境中的温度等环境因子对作物的生产有很大的影响。传统的人工控制方式难以达到科学合理种植的要求，目前国内可以实现上述环境因子自动监控的系统还不多见，而引进国外具有多功能的大型连栋温室控制系统价格昂贵，不适合国情。
[0005]提高对农业大棚的监控能力，一直以来，都是自动控制、通信、计算机等领域重点研究的方向。随着科技的不断进步，实时监控在农业现代化监控领域越来越被人们重视。农业监控通过对需监控区域内的温度等信息进行监控，为农业精细化提供支撑，以达到提高生产效率、提升农产品品质以及降低生产成本的目的。
[0006]目前，农业大棚温度监控系统的发展现状:对于采用有线传输的大棚监控系统，具有线路多、布线复杂、维护困难等缺点，在很多特定区域无法顺利使用；绝大多数的监控系统是处于封闭环境的自成系统，没有实现信息资源的共享；系统中的每个监控点无自组织功能和自愈能力，维护工作量大，不利于系统升级；现有的监控系统自动化程度不高，有些控制功能仍然依靠人工完成，无远程报警功能。随着以太网通讯技术、无线传感器网络技术以及嵌入式技术的发展，越来越多的新技术被应用到农业自动化领域，被应用到农业监控领域当中，并且很多新技术显示出了良好的适应性和发展前景。
[0007]ZigBee技术是一种新兴的无线网络技术，具有短距离、低速率、低功耗、低延时和网络的自组织、自愈能力等特点。一个ZigBee网络通常有三种结点:控制节点、路由器节点和终端节点。ZigBee有其无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。因此能够可靠的传输大棚中测量子节点采集的温度信息，执行器能够可靠的接收大棚管理节点发送的控制指令。
【发明内容】
[0008]本实用新型的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种硬件结构简单、体积小、设备可靠性高，组成简单的ZigBee无线传感网络能够实现对大棚中温度的准确、稳定、可靠的监控、无线采集与传输，温度测量数据传输准确、可靠，有较好的应用价值的用于大棚的无线温度监控系统。
[0009]本实用新型实现目的的技术方案是:
[0010]一种用于大棚的无线温度监控系统，包括测量模块、控制模板、管理模块和用户手机；
[0011]所述测量模块由无线模块、测量子节点和温度传感器构成，所述温度传感器的输出信号向测量子节点的一端输入，该测量子节点的另一端与无线模块连接，该无线模块通过无线传感网络与管理模块相连接；
[0012]所述控制模块由控制子节点、无线模块和温度控制系统构成，控制子节点的一端与无线模块连接，无线模块通过无线传感网络与管理模块相连接，管理模块的输入信号通过无线模块输入控制子节点；所述温度控制系统与控制子节点的另一端连接，控制子节点的输出信号输入温度控制系统；
[0013]所述管理模块由大棚管理节点、无线模块、报警器和GSM模块组成，所述无线模块与大棚管理节点连接，大棚管理节点的输出信号分别向报警器和GSM模块输入，GSM模块通过移动通信网与用户手机相连接；GSM模块的GSM数据通过GSM短消息发送到用户手机上，用户的控制信息通过GSM模块发送到大棚管理节点；
[0014]所述测量模块、控制模板和管理模块通过无线传感网络连接在一起，无线传感网络实现测量子节点、控制子节点和大棚管理节点之间的短程通信。
[0015]而且，所述测量子节点由ZigBee终端节点、SP1、MCU和I2C构成，所述SP1、I2C分别与MCU连接，SPI与ZigBee终端节点连接；ZigBee终端节点接收大棚管理节点的查询指令，ZigBee终端节将查询指令输入SPI，SPI将查询指令输入MCU，然后MCU通过I2C从温度传感器中读出温度数据，再将采集的温度数据发送给ZigBee终端节点，并发送给大棚管理节点。
[0016]而且，所述大棚管理节点由ZigBee协调器、SP1、MCU、RS232和I/O构成，MCU分别与SP1、RS232、I/0连接；1/0与报警器连接，MCU通过I/O 口控制报警器；RS232与GSM模块连接，RS232将GSM数据传输至GSM模块，MCU通过RS232发送报警信息；MCU通过SPI发送查询指令和控制指令，接收温度信息和确认信息，SPI与ZigBee协调器相连接，ZigBee协调器与控制子节点、测量子节点进行通信联系，ZigBee协调器将接收到的读出数据输入SPI，SPI将接收到的写入数据输入ZigBee协调器。
[0017]而且，所述控制子节点由ZigBee终端节点、SP1、MCU、I/O和RS485总线构成，SPI和I/o分别与MCU连接，ZigBee终端节点与SPI连接，I/O与RS485总线连接；ZigBee终端节点通过无线模块与大棚管理节点进行通信联系，ZigBee终端节点读取大棚管理节点的数据后，向SPI输入信号，SPI接收ZigBee终端节点发送的控制指令后将信号输入MCU，MCU处理完毕后向SPI发送确认指令，SPI再向ZigBee终端输入写入指令数据；1/0的输出信号通过RS485总线向温度控制系统输入，实现对温度的控制。
[0018]而且，所述无线模块为ZigBee终端无线模块。
[0019]本实用新型的优点和有益效果为:
[0020]1、本系统通过测量模块测量得到温度数据，将温度数据通过无线传感网络(ZigBee)上传至管理模块，如果温度超过上限，则报警器进行报警，同时利用移动通信网将报警信息发送给管理人员手机。管理模块可按用户手机设定好的温度将控制指令发送给控制子节点进行温度控制，从而实现了可以随时随地灵活控制大棚温度的目的。
[0021]2、本系统对大棚中的温度信息进行实时的监测与有效的控制，使用多网融合技术，将ZigBee技术和GSM (全球移动通信)技术相互融合，达到互相访问，并运用到大棚的监控系统中，可以实现大棚中温度信息的采集，无线传输，远程监测，还可以控制大棚中的机械设备，具有很强的实用性。该系统涉及的传感技术、无线传感网络技术、GSM技术等诸多学科领域，属于多学科交叉性研究，将各学科集成创新，具有一定的学术价值。
[0022]3、本系统可以适应现代农业发展的要求，实现了现代农业大棚的智能化监控。该系统既解决了大棚现场数据信息的自动获取问题，又可以远程智能监控农业大棚的执行系统，满足了管理的要求，节省了大量的人力物力。该系统成本低廉，实用性强，对同类设计有重要的借鉴作用。该系统可以扩展到各类温室的监控，应用前景非常广泛，大幅度提升了大棚信息采集和管理的水平，为设施农业的建设和发展作出了贡献。
[0023]4、本系统可以将生物一环境一工程结合成有机的整体，真正发挥设施农业的作用，实现高产、优质、高效。以提高生产效率为中心、增加经济效益为目的，以科技为先导，坚持传统技术与现代化技术相结合，推广应用与科学研究相结合，因地制宜合理选择不同档次的发展模式，加强管理，完善服务，提高档次和水平。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本实用新型的系统连接方框图；
[0025]图2为本实用新型的测量子节点的硬件电路图；
[0026]图3为本实用新型的大棚管理节点的硬件电路图；
[0027]图4为本实用新型的控制子节点的硬件电路图。
【具体实施方式】
[0028]下面通过具体实施例对本实用新型作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本实用新型的保护范围。[0029]本实用新型的总体思路如下:
[0030]针对目前农业大棚温度监控技术的现状，本实用新型将多网融合技术引入到对大棚的温度监控中，使用温度传感器监测大棚中作物的温度信息；使用ZigBee技术无线传感网络将监测到的环境信息传输到大棚管理节点，同时大棚中的执行器接收指令，控制报警器进行报警；使用移动通信网将报警信息通过GSM短消息发送到用户手机上；多技术集成创新，形成远程无线大棚监控系统。
[0031]一种用于大棚的无线温度监控系统，如图1所示，包括测量模块、控制模板、管理模块和用户手机；
[0032]所述测量模块由无线模块、测量子节点和温度传感器构成，所述温度传感器的输出信号向测量子节点的一端输入，该测量子节点的另一端与无线模块连接；该无线模块通过无线传感网络与管理模块相连接。
[0033]所述控制模块由控制子节点、无线模块和温度控制系统构成，该控制子节点的一端与无线模块连接，该无线模块通过无线传感网络与管理模块相连接，将管理模块的输入信号通过无线模块输入控制子节点；所述温度控制系统与控制子节点的另一端连接，控制子节点的输出信号输入温度控制系统。
[0034]所述管理模块由大棚管理节点、无线模块、报警器和GSM模块组成，所述无线模块与大棚管理节点连接，大棚管理节点的输出信号分别向报警器和GSM模块输入d_GSM模块通过移动通信网与用户手机相连接；GSM模块的GSM数据通过GSM短消息发送到用户手机上，用户的控制信息通过GSM模块发送到大棚管理节点，大棚管理节点可按用户手机设定好的温度将控制指令发送给控制节点进行温度控制。
[0035]所述测量模块、控制模板和管理模块通过无线传感网络(ZigBee)连接在一起，无线传感网络技术实现了测量子节点、控制子节点和大棚管理节点之间的短程通信；所述管理模块通过移动通信网与用户手机连接；
[0036]本实用新型中的无线模块为ZigBee终端的无线模块。
[0037]本系统的数据通信协议设定如下:
[0038]⑴大棚管理节点与测量子节点、控制子节点之间通信的通信协议；
[0039]⑵GSM与大棚技术人员和/或管理人员之间通信的通信协议。
[0040]如图2所示，所述测量子节点由ZigBee终端节点、同步串行接口(SPI)、微控制单元(MCU)和两线式串行总线接口(I2C)构成，所述SP1、I2C分别与MCU连接，SPI与ZigBee终端节点连接；ZigBee终端节点接收大棚管理节点的查询指令，ZigBee终端节将查询指令输入SPI，SPI将查询指令输入MCU，然后MCU通过I2C从温度传感器中读出温度数据，再将采集的温度数据发送给ZigBee终端节点，并发送给大棚管理节点。
[0041]该ZigBee终端节点的一端与大棚管理节点进行通信联系，ZigBee终端节点的另一端与SPI直接连接，ZigBee终端节点将接收到的读出数据输入SPI，SPI将接收到的写入数据输入ZigBee终端节点；该I2C与温度传感器直接连接，温度传感器将读出的温度数据输入至I2C中；该ZigBee终端节点还可以作为路由器，转发其他节点发送的信息；微控制单元不工作时进入低功耗状态。
[0042]如图3所示，所述大棚管理节点由ZigBee协调器、同步串行接口(SPI)、微控制单元(MCU)、RS232和输入输出端口(I/O)构成，该MCU分别与SP1、RS232、I/O连接；1/0与报警器连接，MCU通过I/O 口控制报警器；RS232与GSM模块连接，RS232将GSM数据传输至GSM模块，MCU通过RS232发送GSM数据；MCU通过同步串行接口( SPI)接口发送查询指令和控制指令，接收温度信息和确认信息，SPI与ZigBee协调器相连接，ZigBee协调器与控制子节点、测量子节点进行通信联系，ZigBee协调器将接收到的读出数据输入SPI，SPI将接收到的写入数据输入ZigBee协调器。微控制单元(MCU)不工作时进入低功耗状态。
[0043]如图4所示，所述控制子节点由ZigBee终端节点、同步串行接口(SPI)、微控制单元(MCU)、输入输出端口( I/O)和RS485总线构成，SPI和I/O分别与MCU连接，ZigBee终端节点与SPI连接，I/O与RS485总线连接；该ZigBee终端节点通过无线模块与大棚管理节点进行通信联系，ZigBee终端节点读取大棚管理节点的数据后，向SPI输入信号，SPI接收ZigBee终端节点发送的控制指令后将信号输入MCU，MCU处理完毕后向SPI发送确认指令，SPI再向ZigBee终端输入写入指令数据；1/0的输出信号通过RS485总线向温度控制系统输入，从而实现对温度的控制。其中，ZigBee终端还可以作为路由器，转发其他节点发送的信息；微控制单元不工作时进入低功耗状态。
[0044]本用于大棚的无线温度监控系统的工作原理如下:
[0045]微控制单元(MCU)用于控制整个系统的运转，微控制单元(MCU)发送查询指令，接收测量子节点发送的温度数据；MCU发送控制指令，接收控制子节点的执行确认信息，可以给用户发送报警信息，也可控制报警器进行报警。
[0046]在实际使用中，可以在每个大棚的耳房中配有一个控制子节点，在每个大棚中每隔30米放置一个测量子节点，大棚管理节点放置在处于中心位置的大棚中。
【权利要求】
1.一种用于大棚的无线温度监控系统，其特征在于:包括测量模块、控制模板、管理模块和用户手机； 所述测量模块由无线模块、测量子节点和温度传感器构成，所述温度传感器的输出信号向测量子节点的一端输入，该测量子节点的另一端与无线模块连接，该无线模块通过无线传感网络与管理模块相连接； 所述控制模块由控制子节点、无线模块和温度控制系统构成，控制子节点的一端与无线模块连接，无线模块通过无线传感网络与管理模块相连接，管理模块的输入信号通过无线模块输入控制子节点；所述温度控制系统与控制子节点的另一端连接，控制子节点的输出信号输入温度控制系统； 所述管理模块由大棚管理节点、无线模块、报警器和GSM模块组成，所述无线模块与大棚管理节点连接，大棚管理节点的输出信号分别向报警器和GSM模块输入，GSM模块通过移动通信网与用户手机相连接；GSM模块的GSM数据通过GSM短消息发送到用户手机上，用户的控制信息通过GSM模块发送到大棚管理节点； 所述测量模块、控制模板和管理模块通过无线传感网络连接在一起，无线传感网络实现测量子节点、控制子节点和大棚管理节点之间的短程通信。
2.根据权利要求1所述的用于大棚的无线温度监控系统，其特征在于:所述测量子节点由ZigBee终端节点、SP1、MCU和I2C构成，所述SP1、I2C分别与MCU连接，SPI与ZigBee终端节点连接；ZigBee终端节点接收大棚管理节点的查询指令，ZigBee终端节将查询指令输入SPI，SPI将查询指令输入MCU，然后MCU通过I2C从温度传感器中读出温度数据，再将采集的温度数据发送给ZigBee终端节点，并发送给大棚管理节点。
3.根据权利要求1所述的用于大棚的无线温度监控系统，其特征在于:所述大棚管理节点由 ZigBee 协调器、SP1、MCU、RS232 和 I/O 构成，MCU 分别与 SP1、RS232、I/O 连接；1/0与报警器连接，MCU通过I/O 口控制报警器；RS232与GSM模块连接，RS232将GSM数据传输至GSM模块，MCU通过RS232发送报警信息；MCU通过SPI发送查询指令和控制指令，接收温度信息和确认信息，SPI与ZigBee协调器相连接，ZigBee协调器与控制子节点、测量子节点进行通信联系，ZigBee协调器将接收到的读出数据输入SPI，SPI将接收到的写入数据输入ZigBee协调器。
4.根据权利要求1所述的用于大棚的无线温度监控系统，其特征在于:所述控制子节点由ZigBee终端节点、SP1、MCU、I/O和RS485总线构成，SPI和I/O分别与MCU连接，ZigBee终端节点与SPI连接，I/O与RS485总线连接；ZigBee终端节点通过无线模块与大棚管理节点进行通信联系，ZigBee终端节点读取大棚管理节点的数据后，向SPI输入信号，SPI接收ZigBee终端节点发送的控制指令后将信号输入MCU，MCU处理完毕后向SPI发送确认指令，SPI再向ZigBee终端输入写入指令数据；1/0的输出信号通过RS485总线向温度控制系统输入，实现对温度的控制。
5.根据权利要求1或4所述的用于大棚的无线温度监控系统，其特征在于:所述无线模块为ZigBee终端无线模块。
【文档编号】G05B19/418GK203386080SQ201320440613
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年7月23日 优先权日:2013年7月23日
【发明者】张锐, 李达, 王以忠, 彭一准, 牛霆葳, 姚晓龙, 豁保强 申请人:天津科技大学