智慧城市与农业气象综合应用系统

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一、农业大棚控制系统
在农业生产过程中，农作物的生长与自然界很多因素相关，比如大气温度、空气湿度、土壤的温湿度、光照强度、CO2浓度、水分及其他养分等等。传统农业作业过程中，主要依靠人的感知能力来对影响农作物生长的参数进行管理，这种方式存在着极大的不准确性，
农业生产也就成为一种粗放式管理，达不到精细化管理的要求。
面对种种不利于我国农业发展的形式，农业部明确表示，“十二五”时期是我国社会主义新农村建设的深入推进期，应加快转变农业发展方式，用现代科学技术和产业体系改造提升传统农业，加速传统农业向智能农业转型。大力发展农业信息化，建设智能农业系统已成为国内外农业现代化的必然趋势。
智能农业系统是基于固网、移动互联网技术和物联网应用的现代农业智能监管系统，通过光照、温度、湿度等无线传感器实时采集农业生产现场的环境参数，布置摄像头等监控设备实时采集视频信号，用户通过电脑、平板或智能手机随时随地观察现场情况和远程控制设备。系统能够及时精确的满足植物生长对环境的各项指标要求，达到高幅增产和提高农业自智能化水平的目的。
科技在不断进步，我们学校的教育也要与时俱进。面对这样的契机，建设一个基于模拟农业实景的智能农业实训系统显得尤为重要。系统注重于锻炼学生的动手实践能力。培养学生掌握ZIGBEE组网、传感器信息采集与安装、WSN通信协议、农业大棚智能执行设备安装与调试、移动终端应用软件开发与安装调试、监控终端应用软件的安装与调试等技术，为学生参加现场施工、工程调试、系统集成等岗位提供了直接的培训。
二、农业大棚控制系统网络架构
本方案针对智能农业大棚，以ARM智能网关为核心，采用目前先进的无线传感技术，ZigBee技术，WiFi技术，无线智能控制终端和控制软件等，构建智能化农业管理和远程控制体系。架构分为感知层、网络层、服务层和应用层，通过ARM网关机、PC机、手持智能网关对采集的各种信号进行分析和汇总，自动控制和开启相关设备，提供环境监测、智能控制、视频监控、智能联动等应用，以达到智能，自控，高效，高产的目的。
三、农业大棚平台配置
系统主要由感知设备、控制设备、监控设备、智能网关、智能终端组成。
1）感知设备：主要包含温湿度传感器、光照传感器、风速传感器、风向传感器、人体感应器、土壤水分传感器、摄像头、气象工作站等，可根据客户需求定制不同类型的传感器。
2）控制设备：主要包含照明灯、卷帘机、加湿器、加热器、报警器、风扇、灌溉机等。
3）智能网关：安装在本地，主要由嵌入式主板组成，封装在模具内，美观大方。嵌入式主板集成ZigBee无线通信模块，可设计为ZigBee协调器或路由器，分别用于建立ZigBee网络或维护ZigBee网络。留有GPRS、3G、WIFI模块的接口，可根据客户需求集成通信模块。
4）智能终端：Android平板电脑，运行智能农业软件，实现环境监测、智能控制、视频监控、智能联动等功能。
四、农业大棚环境监测系统
通过传感设备实时采集温室（大棚）内的空气温度、空气湿度、二氧化碳、光照、土壤水分、土壤温度、棚外温度与风速等数据；将数据通过移动通讯网络传输给服务管理平台，服务服管理平台对数据进行分析处理。
空气温湿度监测功能：根据温湿度无线传感器，实时监测大棚内部空气的温度和湿度。
土壤湿度监测功能：配有土壤湿度无线传感器，实时监测温室内部土壤的湿度。
光照度监测功能：采用光敏无线传感器来实现对温室内部光照检测，实时性强。 
CO2浓度检测功能：采用CO2浓度传感器，实时检测大棚内部CO2浓度。
雨水监测功能：采用雨水传感器，实时检测是否下雨及雨量的大小。
风速检测功能：采用风速传感器，实时监测风速、风量大小。
风向监测功能：采用风向传感器，稳定准确的采集环境风向信号。
土壤酸碱度监测功能：采用土壤酸碱度传感器，实时监测大棚内部土壤PH值。
五、农业大棚智能控制系统
安装电动卷帘，排风机，电动灌溉系统等机电设备，可实现手机或电脑登录系统进行远程控制。促进植物光合作用功能：植物光合作用需要光照和二氧化碳。当CO2浓度达到系统设定值时，系统会自动开启风扇加强通风，为植物提供充足的二氧化碳。 当光照强度达到系统设定值时，控制灯光打开以代替太阳光给植物生长发育营造必要的物理环境。
空气加湿功能：如果温室内空气湿度小于设定值，系统会启动加湿器，达到设定值后便停止加湿。土壤加湿功能：当土壤湿度低于设定值时，系统便启动喷淋装置来喷水，直到湿度达到设定值为止。环境升温功能：当温室内温度低于设定值时，系统便启动加热器来升温，直到温度达到设定值为止。遮雨控制功能：当检测到有雨时会自动关闭窗帘。
六、农业大棚联动控制子系统
预先设定适合条件的上限值和下限值，设定值可根据农作物种类、生长周期和季节的变化进行修改。当某个数据超出限值时，将警告信息发送给相应的用户，及时采取措施。
联动项目 系统功能
温度控制 当检测到空气温度低于设定值时会自动开启加热器，
当检测到空气温度高于设定值时会自动关闭加热器
湿度控制 当检测到空气湿度低于设定值时会自动开启加湿器，
当检测到空气湿度高于设定值时会自动关闭加湿器
光照控制 当检测到光照度低于设定值时会自动开启植物生长灯
当检测到光照度高于设定值时会自动关闭植物生长灯
智能灌溉 当检测到土壤湿度低于设定值时会自动开启水泵，
当检测到土壤湿度高于设定值时会自动关闭水泵
遮雨控制 当检测到有雨时会自动关闭窗帘，
当检测到雨停时会自动开启窗帘
智能风扇 当检测二氧化碳浓度低于设定值时会自动开启换气扇，
当检测二氧化碳浓度高于设定值时会自动关闭换气扇
七、智能气象监测系统
农业气象站监测系统具有气象监测功能，对作物生产和商业及科研分析提供强有力的信息支持，可对地面生态环境及多种气象要素（温度、湿度、风速、风向、气压、雨量、太阳辐射、土壤湿度、CO2等）进行定时自动采集，计算，处理，显示，存储，通讯和打印，提高了观测效率，减轻了观测人员的劳动强度。支持多种网络通讯功能，通过RS232接口与微机有线相连进行数据通讯。农业气象站监测系统具有性能稳定，检测高，无人值守，抗干扰能力强，软件功能丰富等方面特点。广泛应用于农业气象、水文地质、海洋、军事、建筑、农业温室、太阳能研究、学校教学、科学研究等领域。
名称 测量范围 分辨率 准确度
环境温度 -50~+100°C 0.1 °C <±0.2°C
相对湿度 0-100RH 0.1% ±1.2%RH
光照强度 0-200000LUX 1Lux ±2%
风向 0-360° (16方向） 1° ±3°
风速 0~75m/s 0.1 m/s ±(0.3+0.03V)m/s
雨＞ W4mm/min 0.2mm ±0.4mm
大气压力 10~1200hPa O.lhPa ±0.3hPa
土壤温度 -50~+80°C 0.1 °C <±0.2°C
土壤湿度 0-100 0.1% ±2%
八、农业智能化软件开发
网关上安装有基于android系统的智能农业网络终端。包含环境检测、智能控制、视频监控和智能联动四部分。可以和硬件部分进行互动，实现农业大棚的智能控制。
1）采用Cortex-A9处理器与Android操作系统为主控软件分析端；
2）基于TCP/IP网络技术的Internet或3G网络为服务；
3）内部网络采用短距离、低功率ZigBee 无线通信技术；
4）结合农业领域专用系列传感器对农产品生长环境中的监视；
5）采集温湿度、PH值、光照以、土壤等数据进行采集和传输；
6）通过温湿度控制系统、自动灌溉系统、农场环境判断的子系统；
7）结合预设的湿度上下限进行分析，控制大棚内部环境湿度、温度的实验系统；
8）结合预设的浅土湿度进行分析，判断是否需要灌溉及何时停止的实验系统；
9）结合预设的光照度数值进行分析，判断是否需要打开天棚帘的实验系统；
10）结合预设的更多的传感器信息，提供可二次开发支撑软件平台；
11）Android后台支持C/S、B/S架构，提供手机客户端的应用程序。
五、配套设备清单
序号 设备名称 型号 数量 功能用途
1 物联网综合教学实验平台 XC-IOT-MAX 41台 平台支持《嵌入式系统》、《物联网技术》、《物联网工程》、《RFID开发与应用》《窄带物联网应用》等课程的实验实训，兼顾科研及项目开发。支持嵌入式ARM与物联网二合一，满足物联网课程的教学要求，并能满足ARM的教学模块，不需要另外配置ARM实验箱。配备Cortex-A9 仿真器以及嵌入式扩展板，可以由浅入深的开发嵌入式上裸机、linux。通过类似单片机实验C语言和开发环境，可以直接调试嵌入式A9/A53总线的形式来控制所有外部单元数码管、跑马灯、步进电机、直流电机等，调试时直接实现单步、断点、寄存器查看等功能，实现学生掌握嵌入式的相关知识目的。
2 物联网系统设计与应用开发综合实训平台 XC-IOT-FA 2台 实训台操作区采用金属结构,尺寸（长*宽*高）：参考尺寸160cm*70cm*180cm，重量：<100Kg；外形：采用箱体整体呈直角梯形体，输入电源：AC 220V 50Hz。
系统采用工业级传感器、执行器直接面向实际应用，注重于实践动手能力的培养。通过本教学实 验系统，学生可加深对物联网各个行业（农业、家居、货柜、交通）系统的了解，熟悉物联网技术发展的最新技术。可深入学习嵌入式ARM技术的硬件组成、操作系统及图形用户界面的移植、应用程序开发等技术；也可针对ZIGBEE技术、蓝牙4.0技术、WIFI技术等无线传感技术进行学习和了解；
3 物联网虚拟仿真实验平台 XC-IOTVS-T6 41套 1）平台能够满足学生通过软件模拟学习物联网感知层的硬件设备，是纯软件系统，可直接部署在教学机房或学生自己的电脑上，具备较强的灵活性。能够在软件环境下进行WSN智能节点模块组网学习、RFID射频识别技术、单片机与传感器开发技术、嵌入式等各种设备的仿真实验。上位机程序可以操作真实的硬件设备，也可以操作虚拟仿真设备，通过软件模拟出来的设备具有和真实设备完全一致的特性及接口。
4 物联网虚拟仿真授权与管理系统 XC-IOTVS-S3 1 采用本地部署方案，在本地增设服务器，支持客户端同时登陆不少于60个点数,可连接服务器自动升级新版软件。服务器等配置符合虚拟仿真平台需求，满足虚拟仿真平台部署后可以长期使用，不依赖于互联网。
5 智慧城市与农业气象综合应用系统 XC-SC-AM Cortex-A系列中控平台，综合运用嵌入式系统、RFID射频识别技术、无线传感技术、图像识别技术、汽车导航定位、车联网及多种集成化智能技术，包含城市道路交通控制、智能公交、智能停车场、ETC不停车收费、视频监控、道路环境监管等功能
6 桌椅 定制 20张 自筹
7 讲台 定制 1台 自筹
8 电脑 23台 自筹
9 综合布线 定制 1套 自筹
10 投影仪幕布 1套 自筹
11 音响话筒 1套 自筹
12 空调 2台 自筹