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一、产品简介

1.1 产品设计背景

    农业不仅是一个古老的传统行业,还是国民经济的重要产业。农业持续增长是整个国民经济长期稳定、协调发展的决定性因素,它不仅直接关系到我国食品供给和社会和谐,而且关系到国家的繁荣和现代化的实现。随着中国经济近30年来的快速发展,农业生产资源紧缺和农业对资源消耗过大的问题对农业发展和国民经济发展的制约愈发明显。农业物联网将先进的传感、通信和数据处理等物联网技术应用于农业领域,构建智能农业系统,是解决农业发展滞后问题的有效方法。物联网智能农业大致分为3个层次,即感知层、网络层和应用层。感知层主要实现农业生态环境的感知、作物的状态感知和动植物的质量检测等;网络层主要实现感知层所获得信息到应用层的传输;应用层首先通过数据清洗和融合、模式识别等手段形成最终数据,然后提供给生态环境监测系统、生长监控系统、追溯系统使用。
    智能农业做为物联网技术应用的一个重要方面,是各个高校的学习和研究重点,但是由于农业生产环境的特殊背景,并不是每一个学校都有合适的场地和产品来完成这方面的研究。为了解决这个问题,广州飞瑞敖电子科技有限公司设计了IOT-P01-05型智能农业沙盘来满足学校的教学和科研使用。

1.2 产品设计目标

    广州飞瑞敖电子科技有限公司IOT-P01-05型智能农业沙盘在有限的空间内集中体现了物联网智能农业的3个层次-感知层、网络层和应用层。该沙盘装配有多种传感器和执行器,各传感器执行器之间通过Zibgee和Wi-Fi两种通信方式彼此相连,由智能手机上的App程序进行统一的控制和管理。
    IOT-P01-05型智能农业沙盘不仅可以作为物理网工程专业<物联网软件设计>课程的实验平台,还可以用作老师和学生对智能农业发面研究的科研平台。于此同时,产品设计美观大方,拥有很好的展示效果。

1.3 产品创新点

● 沙盘内各功能模块(传感器模块,执行器)均采用工业级成品模块,直接将在实际农业生产中的应用场景搬到实验室内,让老师和学生最真实贴切的感觉到物联网技术在实际农业生产中的应用;
● 沙盘内各功能模块均提供详细的通讯接口说明,供教师和学生进行实验和科研;
● 提供Demo版的Android APP智能沙盘管理应用软件,附送源码,供教师和学生进行二次开发;
● 沙盘设计简约美观大方,拥有优越的展示和演示效果;

二、产品介绍

2.1 产品概述

    如图2.1所示,IOT-P01-05型智能农业沙盘由上下两部分组成,下半部分为不锈钢底座,上半部分为亚克力材质透明模拟温室大棚,大棚装配有温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、土壤温湿度传感器、风速传感器以及风向传感器等农业生产中最常用的六种工业级传感器,执行器包括灌溉、遮阳、通风、加温,加光等五个系统。各传感器和执行器通过安装在沙盘背面的(如图2.2所示)的Zigbee无线通信模块相连,实现实时联动功能,与此同时沙盘可通过WiFi通信模块与上位机或智能终端保持通信,实现传感器数据的实时采集以及各执行器的主动控制。此外沙盘还配置有高性能摄像头一台,可以对整个沙盘系统进行实时的视频监控。
IOT-P01-05型智能农业沙盘不仅可以作为物理网工程专业<物联网软件设计>课程的实验平台,还可以用作老师和学生对智能农业发面研究的科研平台。于此同时,产品设计美观大方,拥有很好的展示效果。

2.2 产品实物图

图2.1 IOT-P01-05型智能农业沙盘正面图

图2.2  IOT-P01-05型智能农业沙盘背面图

2.3 产品功能详解

    IOT-P01-05型智能农业沙盘不仅可以作为物理网工程专业<物联网软件设计>课程的实验平台,还可以用作老师和学生对智能农业发面研究的科研平台。

2.3.1 农作物生长传感数据采集

    沙盘装配有温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、土壤温湿度传感器、风速传感器以及风向传感器等农业生产中最常用的六种工业级传感器,用户既可以直接使用配套提供的Android APP软件对传感器数据进行实时的观察和检测,也可以根据配套提供的各个传感器通信协议,设计并自行开发上位机软件,采集并显示传感器数据,完成<物联网软件设计>课程的课程实验。
上位机和传感器之间采用TCP通信模式,学生只要有Socket通信编程基础,即可完成此部分软件设计。
图2.3 传感器数据采集

2.3.2 温室大棚执行器的自动控制

    沙盘装配有灌溉、遮阳、通风、加温,加光等五种执行机构,五种执行机构由安装在沙盘内的WiFi继电器统一控制。用户既可以直接使用配套提供的Android APP软件对各个执行器进行手动控制,也可以设置联动模式,将执行机构与某种传感器数据相连,当传感器数值到达某阈值时,自动执行动作,实现自动控制功能。与此同时,沙盘配套光盘提供个执行器的控制协议,学生科设计并自行开发上位机软件完成<物联网软件设计>课程的课程实验。

图2.4 Android APP上执行器手动控制界面

图2.5 设置传感器数据阈值实现执行器自动控制功能

2.4 主要模块介绍
2.4.1 传感器执行器以及摄像头

    如图2.6所示,分别为装配在沙盘上的温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、摄像头以及灯光补光设备。所有传感器执行器,均采用工业级封装设计,稳定可靠耐用,数据准确率高。
图2.6 装配在沙盘上的各功能模块

2.4.2 Zigbee无线通信模块

    如图2.7所示是沙盘上装配的工业级高性能Zigbee传输模块,具备8dBm输出功率,传输距离最远可达500米,除了Zibgee标准的16个通信信道外,还有9个扩展频段,可以避开WiFi、蓝牙等其他2.4G信号干扰。
图 2.7 Zigbee通信模块

3.支撑课程及实验清单

如上文所述IOT-P01-05型智能农业沙盘在教学实验中主要功能是做为物理网工程专业<物联网软件设计>课程的实验平台使用,学生在完成下列实验后,便可以使用擅长的上位机开发语言,进行基于智能农业概念的物联网软件设计。
实验1 温湿度传感器数据采集及解析实验
实验2 光照传感器数据采集及解析实验
实验3 二氧化碳传感器数据采集及解析实验
实验4 土壤温湿度传感器数据采集及解析实验
实验5 风速传感器数据采集及解析实验
实验6 风向传感器数据采集及解析实验
实验7 加温系统控制实验
实验8 通风系统控制实验
实验9 灌溉系统控制实验
实验10 加光系统控制实验
实验11 遮阳系统控制实验

一、硬件资源

1.沙盘整体尺寸
2.温湿度传感器
3.二氧化碳传感器
4.光照传感器
5.土壤温湿度传感器
6.风速传感器 
7.风向传感器
8.包括灌溉、遮阳、通风、加温,加光五种执行机构
9.Zigbee协调器
10.Zigbee节点
11.WiFi设备服务器
12.摄像头
13.控制终端

二、智能农业沙盘管理软件

   该软件为基于Java语言编写的Android App软件,通过读取农业沙盘上各传感器数据显示到手机app,实现手动及自动控制各职能设备,并通过设置传感器数据上下限(如空气温湿度传感器、光照强度传感器、土壤温湿度传感器、CO2浓度传感器、风速、风向传感器),配合一定策略,实现智能控制农业沙盘上的各种智能设备(如灯、风扇、遮阳窗帘)