專利名稱：基于ZigBee、3G網(wǎng)絡(luò)的溫室無線遠(yuǎn)程植物生理生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于無線傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種能夠同時測量多種植物生理生態(tài)參數(shù)的溫室遠(yuǎn)程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
目前，溫室環(huán)境調(diào)控能力普遍不強，智能化水平低，植物生理生態(tài)信息獲取與傳輸手段落后。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)和管理軟件以歷史數(shù)據(jù)庫、專家經(jīng)驗、知識模型為基礎(chǔ)，缺乏以實時信息為基礎(chǔ)的農(nóng)情監(jiān)測功能，系統(tǒng)的決策缺乏實時性，滯后的信息很難適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的時變性特點。目前，隨著移動終端設(shè)備的普及，以及3G技術(shù)的不斷完善，無線訪問帶寬不斷提高，3G技術(shù)不斷應(yīng)用于各個行業(yè)領(lǐng)域，各行業(yè)利用先進(jìn)的無線技術(shù)，將自己的領(lǐng)域不斷創(chuàng)新，提出新的無線解決方案。3G技術(shù)作為一種先進(jìn)的無線通信技術(shù)，比起以往的 2G通信技術(shù)具有帶寬明顯增大、數(shù)據(jù)傳輸速度明顯提升、數(shù)據(jù)傳輸更加安全可靠等優(yōu)點。為各種遠(yuǎn)程實時數(shù)據(jù)的采集、設(shè)備的遠(yuǎn)程控制奠定了基礎(chǔ)。農(nóng)田信息的分布式數(shù)據(jù)傳輸具有如下要求數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)點多、數(shù)據(jù)換數(shù)量不大、設(shè)備成本低、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、安全性高、設(shè)備體積小、不便放置較大的充電電池或者電源模塊、用電池供電、地形復(fù)雜、需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋等特點。因此，要選擇一種合適的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)并得到最好性價比的無線傳輸系統(tǒng)。ZigBee這種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是滿足農(nóng)田信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴堰x擇。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種基于ZigBee、3G網(wǎng)絡(luò)的溫室無線遠(yuǎn)程植物生理生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其用以解決現(xiàn)有溫室作物技術(shù)信息遠(yuǎn)距離傳輸能力弱，控制效果較差，在可擴展性、可靠性和實時性方面存在不足等問題，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線監(jiān)測測定點的土壤溫度、水分，葉片溫度、光合作用、莖稈生長等植物生理生態(tài)參數(shù)。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取以下設(shè)計方案一種基于ZigBee、3G網(wǎng)絡(luò)的溫室無線遠(yuǎn)程植物生理生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其包括遠(yuǎn)程控制終端，該遠(yuǎn)程控制終端包括連接了 3G網(wǎng)絡(luò)的PC機以及PC機內(nèi)部運行存儲數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)庫、決策支持系統(tǒng)；通信鏈路，包括ZigBee近距離無線通訊網(wǎng)絡(luò)以及3G遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)采集終端，包括一組采集植物生理生態(tài)參數(shù)的傳感器；供電模塊，用于為儀器提供工作電源；ZigBee子節(jié)點模塊，包含有用于各傳感器數(shù)據(jù)采集的ZigBee子節(jié)點，與所述供電模塊連接；用于匯集各測定子結(jié)點采集的植物生理生態(tài)參數(shù)的ZigBee中心主節(jié)點，與所述供電模塊連接；[0013]上述的一組采集植物生理生態(tài)參數(shù)的傳感器至少包括下面?zhèn)鞲衅髦械囊环N用于測試測定點溫室室溫的室溫傳感器；用于測試測定點土壤溫度的土壤溫度傳感器；用于測試測定點土壤水分的土壤水分傳感器；用于測試測定點葉片溫度的葉片溫度傳感器；用于測試測定點溫室光照的光合作用傳感器；用于測試測定點植物生長的莖稈生長速率傳感器；各采集植物生理生態(tài)參數(shù)的傳感器均與所述ZigBee子節(jié)點模塊連接。所述的ZigBee子節(jié)點采用JN5139模塊，模塊內(nèi)置一款32位RISC處理器，并集成有2. 4GHz頻段的IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)器。所述的3G無線模塊采用 CDMA2000 EVDO DTU,CDMA2000 EVDO DTU 內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn)的 TCP/ IP協(xié)議棧，支持透明數(shù)據(jù)傳輸。本實用新型的優(yōu)點是1)通過將Zigbee技術(shù)的短距離無線通信和3G業(yè)務(wù)相結(jié)合，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)采集的遠(yuǎn)程控制和傳輸。因而解決了信息傳輸?shù)膬蓚€問題(1)溫室和管理者之間的遠(yuǎn)程，高速通信；(2)分布式的溫室局域網(wǎng)通信。2)設(shè)備成本低、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、安全性高、設(shè)備體積小。3)本實用新型中ZigBee節(jié)點采用JN5139模塊，它是一款兼容IEEE802. 15. 4的低功耗、低成本的無線微型控制器。模塊具有超低功耗設(shè)計，在啟用休眠功能后，兩節(jié)7號電池可以使用長達(dá)半年左右。4)本實用新型中 3G 無線模塊，采用 CDMA2000 EVDO DTU, CDMA2000 EVDO DTU 內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議棧，支持透明數(shù)據(jù)傳輸。

圖1為本實用新型基于ZigBee、3G網(wǎng)絡(luò)的溫室無線遠(yuǎn)程植物生理生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)一實施例無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型AT指令建立網(wǎng)絡(luò)協(xié)議流程圖。圖3為本實用新型實施溫室室溫傳感器模塊電路原理圖。圖4為本實用新型實施例的供電模塊實施例電路原理圖。圖5示出了溫室溫濕度傳感器電路原理圖。
以下結(jié)合附圖及具體實施例對本實用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
具體實施方式
參閱圖1所示，本實用新型基于ZigBee、3G網(wǎng)絡(luò)的溫室無線遠(yuǎn)程植物生理生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括遠(yuǎn)程控制終端，通信鏈路和數(shù)據(jù)采集終端；其中遠(yuǎn)程控制終端包括連接了 3G網(wǎng)絡(luò)的PC機以及PC機內(nèi)部運行存儲數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)庫、決策支持系統(tǒng)；通信鏈路，包括 ZigBee近距離無線通訊網(wǎng)絡(luò)以及3G遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)采集終端包括采集植物生理生態(tài)參數(shù)的傳感器，包括土壤溫度傳感器，土壤水分傳感器，葉片溫度傳感器，光合作用傳感器， 植物莖稈生長速率傳感器。ZigBee子節(jié)點將采集到的土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、葉片溫度傳感器，光合作用傳感器以及植物莖稈生長傳感器的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到ZigBee終端節(jié)點，
4終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，最后通過3G通信模塊將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到指定服務(wù)器端。在服務(wù)器端能對以上數(shù)據(jù)分別提取、保存，并實時獲取現(xiàn)場的各類數(shù)據(jù)，通過對各類數(shù)據(jù)的分析、處理判斷做出預(yù)測、報警等服務(wù)，從而達(dá)到增產(chǎn)增收的效果。本實施例中，3G模塊采用了 CDMA2000 EVDO DTU。CDMA2000是國內(nèi)3G移動通信的一種，有技術(shù)成熟、寬大等優(yōu)點。目前電信的CDMA2000都采用HSDPA技術(shù)，下行速率為 7.2Mbit/s今后還會升級到14.4Mbit/s。完全可以滿足視頻無線傳輸?shù)膶崟r性要求。利用它進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸時，首先需要通過PPP協(xié)議撥號接入互聯(lián)網(wǎng)，然后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸。PPP協(xié)議撥號是通過控制器發(fā)送AT指令操作3G模塊來實現(xiàn)的。AT指令建立網(wǎng)絡(luò)協(xié)議流程如圖2所示。運行于遠(yuǎn)程控制終端的上位機程序是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主控部分，開發(fā)平臺 windows XP操作系統(tǒng)；開發(fā)工具 Microsoft VIsualC++6. 0 ；數(shù)據(jù)庫-.Access 2003。主要功能包括遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示等。本實施例中，參見圖3，ZigBee子節(jié)點與傳感器連接，將采集的各個傳感器信號經(jīng)過處理后，利用消息發(fā)送給主節(jié)點。ZigBee模塊采用英國Jermic公司推出的高性能、低功耗的一系列無線Soc模塊JN5139。JN5139是一款兼容于IEEE802. 15. 4的低功耗、低成本無線微型控制器。JN5139內(nèi)置ROM存儲器中集成了點對點通信與網(wǎng)狀網(wǎng)通信的完整協(xié)議棧；而其內(nèi)置的RAM存儲器，可以支持網(wǎng)絡(luò)路由和控制器功能而不需要外部擴展任何的存儲空間。內(nèi)置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器，減小了系統(tǒng)的功耗和處理器的負(fù)載。它還支持晶振休眠和系統(tǒng)節(jié)能功能，同時提供了 4路12位的ADC。本實施例中ZigBee子節(jié)點的4路12位ADC可分別與4個傳感器連接采集4路傳感器數(shù)據(jù)并利用消息發(fā)送給主節(jié)點。本實施例中，鑒于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布特點，多數(shù)應(yīng)用場合供電條件受限，節(jié)點模塊采用電池供電。經(jīng)實驗驗證，紐扣電池供電能力不足。參見圖4本設(shè)計采用兩節(jié)7 號電池供電，電源芯片采用SP6201，它是CM0SLD0器件，適用于要求高精度、快速操作和方便使用的應(yīng)用。芯片輸入電壓2.5-6V，輸出電壓3.3V。為保證在電壓轉(zhuǎn)換時芯片工作穩(wěn)定性，從VIN到GND需要連接一個IuF或更大的小電容，在VOUT和GND之間需要連接一個輸出電容器以防止產(chǎn)生振蕩。低至0.22uF的電容可滿足大多數(shù)應(yīng)用的穩(wěn)定性要求。IuF的電容就可確保器件在整個輸入電壓、輸出電壓和溫度范圍內(nèi)從空載到滿載條件下的穩(wěn)定工作。圖5示出了溫室溫濕度傳感器電路原理圖，本實施例采用的溫室室溫傳感器工作原理如下SHTI0(U5)是knsirion公司推出的一款數(shù)字式溫濕度傳感器。SHT10傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位AD轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實現(xiàn)無縫連接。小巧的尺寸以及極低的工作能耗使之非常適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的應(yīng)用，工作電壓為2. 4 5. 5V，測量電流550uA，休眠電流0. 3uA，測濕精度為士 4. 5% RH，25°C時測溫精度為士0. 5°C，測量范圍分別是0-100% RH和-40 123. 8°C。本實施例采用了室內(nèi)溫度傳感器，土壤溫度傳感器，土壤水分傳感器，葉片溫度傳感器，光合作用傳感器以及莖稈生長速率傳感器等六種植物生理生態(tài)傳感器，傳感器采集的各項植物生理生態(tài)信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C使分析人員、數(shù)據(jù)采集人員能夠方便、直觀的從計算機屏幕或者液晶顯示屏上了解植物生理生態(tài)狀況；該系統(tǒng)操作簡單，結(jié)構(gòu)簡單，功能豐富，外形小巧，方便實用。 最后應(yīng)說明的是以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案，而非對其限制； 盡管參照前述實施例對本實用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解: 其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實用新型各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求1.一種基于ZigBee、3G網(wǎng)絡(luò)的溫室無線遠(yuǎn)程植物生理生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于包括遠(yuǎn)程控制終端，該遠(yuǎn)程控制終端包括連接了 3G網(wǎng)絡(luò)的PC機以及PC機內(nèi)部運行存儲數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)庫、決策支持系統(tǒng)；通信鏈路，包括ZigBee近距離無線通訊網(wǎng)絡(luò)以及3G遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)采集終端，包括一組采集植物生理生態(tài)參數(shù)的傳感器；供電模塊，用于為儀器提供工作電源；ZigBee子節(jié)點模塊，包含有用于各傳感器數(shù)據(jù)采集的ZigBee子節(jié)點，與所述供電模塊連接；用于匯集各測定子結(jié)點采集的植物生理生態(tài)參數(shù)的ZigBee中心主節(jié)點，與所述供電模塊連接；上述的一組采集植物生理生態(tài)參數(shù)的傳感器至少包括下面?zhèn)鞲衅髦械囊环N用于測試測定點溫室室溫的室溫傳感器；用于測試測定點土壤溫度的土壤溫度傳感器；用于測試測定點土壤水分的土壤水分傳感器；用于測試測定點葉片溫度的葉片溫度傳感器；用于測試測定點溫室光照的光合作用傳感器；用于測試測定點植物生長的莖稈生長速率傳感器；各采集植物生理生態(tài)參數(shù)的傳感器均與所述ZigBee子節(jié)點模塊連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee、3G網(wǎng)絡(luò)的溫室無線遠(yuǎn)程植物生理生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的ZigBee子節(jié)點采用JN5139模塊，模塊內(nèi)置一款32位RISC處理器， 并集成有2. 4GHz頻段的IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee、3G網(wǎng)絡(luò)的溫室無線遠(yuǎn)程植物生理生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的3G無線模塊采用CDMA2000 EVDO DTU, CDMA2000EVD0 DTU內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議棧，支持透明數(shù)據(jù)傳輸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee、3G網(wǎng)絡(luò)的溫室無線遠(yuǎn)程植物生理生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的溫室室溫傳感器為數(shù)字式溫濕度傳感器，包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位AD轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路設(shè)在同一芯片上實現(xiàn)無縫連接。
專利摘要一種基于ZigBee、3G網(wǎng)絡(luò)的溫室無線遠(yuǎn)程植物生理生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，包括遠(yuǎn)程控制終端，其連接了3G網(wǎng)絡(luò)的PC機以及PC機內(nèi)部運行存儲數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)庫、決策支持系統(tǒng)；通信鏈路，包括ZigBee近距離無線通訊網(wǎng)絡(luò)以及3G遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)采集終端，包括一組采集植物生理生態(tài)參數(shù)的傳感器；供電模塊，用于為儀器提供工作電源；ZigBee子節(jié)點模塊，包含有用于各傳感器數(shù)據(jù)采集的ZigBee子節(jié)點，與所述供電模塊連接；用于匯集各測定子結(jié)點采集的植物生理生態(tài)參數(shù)的ZigBee中心主節(jié)點，與所述供電模塊連接；各采集植物生理生態(tài)參數(shù)的傳感器均與所述ZigBee子節(jié)點模塊連接。其用以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線監(jiān)測測定點的土壤溫度、水分，葉片溫度、光合作用、莖稈生長等植物生理生態(tài)參數(shù)。
文檔編號A01G7/00GK201967144SQ20102070058
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者卜云龍, 吳建紅, 周增產(chǎn), 張曉慧, 楊瑋, 董明明 申請人:北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司