智能温室远程监控系统的设计与研究_开题报告

近年来, 温室大棚种植技术得到了迅速的推广和应用，它提高了作物的产量，解决了农作物生长的季节问题。然而，由于温室作物对其种植环境要求较高，怎样对室内的温度、湿度及光照度等环境因素进行控制已成为人们正在研究和解决的重要课题。传统的温室监测与控制系统多采用有线连接，其纵横交错的复杂布线，往往造成使用不便、系统的安装维护困难和可靠性差等问题。而综合运用嵌入式技术、无线传输技术及智能控制技术等实现智能大棚无疑是温室大棚的发展方向。

本文针对传统温室监控的不足，应用单片机技术、zigbee 技术、

wifi 技术及嵌入式技术等，设计并实现了一个智能温室监控系统。其中，应用单片机技术和 zigbee 技术实现了温度、湿度及光照度等环境因素的多点采集。应用 wifi 技术和嵌入式技术等实现了监控现场的视频采集、无线传输和实时监控。同时，通过对环境因素模块的软硬件设计及相应的数据融合算法的设计，提高了系统的采集精确度。

^范文首先介绍了课题的整体方案和功能设计，同时详细的介绍了

开发环境的搭建过程，如编译软件的配置，嵌入式 Linux 下开发环境

的配置等。然后对于温室的关键因素――温度，提出了一种模糊 PID

控制方案，并对其进行了模拟仿真，仿真结果证明了该方案的可行性

和相对于传统 PID 控制的优越性。接着详细介绍了环境因素采集模块的设计，其中硬件设计包括：单片机、传感器、继电器及 zigbee 的选型。软件设计主要是对单片机的各个传感器、串口驱动以及算法的设计。之后，对视频监控进行了设计，给出了硬件的选型及系统软件设计的流程，阐述了 mjpg_streamer 的原理以及视频数据的采集、解码及其显示的实现过程。

最后，对系统的功能进行了测试，结果表明：温度、空气湿度、

光照度、以及视频信息均能最终通过无线传输很好的在控制终端的界

面上实时的显示。且满足系统设计的低延迟和稳定性的要求。

当前的形势以及国内外发展的现状：

随着信息技术的发展，人类社会已迈入了信息时代。而信息的数字化，智能化和网络化已成为信息时代的重要标志。农业是国民经济的第一大产业，随着经济的进步，效率已成为了一个更好的命题，将信息化与农业融合已显示了巨大的发展潜力，从而预示着农业现代化时代的到来。

温室大棚是近年来兴起的一种农业现代化新技术。温室，又称暖房，其种类很多，如玻璃温室，塑料温室；单栋温室，连栋温室；单屋面温室，双屋面温室；加温温室，不加温温室等等。温室结构密封保温，但又应便于通风降温。其中，玻璃温室大棚价格虽然比普通的大棚要高，但其优势也很多，如将果蔬良种、花卉育亩等在玻璃温室大棚内栽培，通过建设内外遮阳系统、湿帘风扇降温系统、智能喷灌、喷洒系统和移动式苗床系统，可对夏季高温高湿、冬季阴冷潮湿的气候进行系统调节，形成最佳的育苗小环境，从而大大加速作物的生长，提高经济效益。

农业与信息技术相结合，形成的智能农业，有着其深刻的技术、经济和社会背景。

（1）技术形势

嵌入式系统发展到今天已经有 30 多年的历史，在这种发展历程中，大致可以分为 3 个阶段.

单片机阶段，通过集成电路的方式将具有定时器，RAM，CPU 等功能的器件集中到硅片上。它被广泛的应用与生活的各个领域，如录像机、洗衣机、航空工业、智能仪表、医疗器械、机器人等，以其可靠性强，处理速度快，体积小的优点大受欢迎。

操作系统阶段，它有着它的特点，嵌入式系统是面向对象，面向应用的。在操作系统上来进行软件开发，有利于提升整体的效率。通过与其他的元器件相结合，例如 FPGA、DSP。嵌入式产品的覆盖面越来越大，而且在操作系统的指引下，用户也可以更加方便的使用各种应用。

网络化时代，近年来，被提到的很多的就是“物联网”的概念。这包括很多的范畴，例如智能家居、医疗电子等。物联网的核心仍然是互联网，它是在互联网的基础上延伸网络。它通过各种先进的手段，完成了数据采集，数据处理，数据传输，数据应用的过程，从而可以适应不同用户的需求，拓展到新的领域。综合利用各种嵌入式产品，结合温室大棚的自身需求，设计新的具有特色的智能大棚设备，具有深远的意义。

（2）社会形势

随着改革开放的进一步深入、农村劳动力转移，大量的农业人口流向城市，接近两亿农民成为了农民工，城市化进程加快。在农业人口的劳动力不断升值的同时，原来城市周边的菜田又变成了高楼大厦，农村人口也改变了吃菜靠田间地头自给自足的方式。社会逐渐进入到专业分工的时代。

进入九十年代，我国的蔬菜产业迎来了他的一次新的革命。光能利用率高，越冬能力强，作物病虫害减轻。通过嫁接，作物根系发达，产量成倍提高，极大的丰富了城市居民的菜篮子，同时又鼓起了菜农的钱袋子。

但是，一家一户零、小、散、乱的生产模式，很难保证蔬菜的品质，近几年出现的农药残留超标，严重的威胁到消费者的身体健康。同时，一家一户的生产，对市场规律缺乏预见性，难以保证市场供应的同时，又很难规避市场风险。在这样的形势下，国家倡导公司化的蔬菜基地，农业合作社，却是恰逢其时。

进入新世纪，绿色无公害、有机食品的意识深入人心。生产绿色有机蔬菜，保障消费者身体健康成为广大菜农的共识。品牌意识，精品意识，优质优价的意识，成为广大菜农改进生产设施，改进生产技术，由此而来的就是产品更优质，回报更丰厚。

随着社会的信息化，人们对工作环境，工作效率的要求不断提高，智能化，现代化的设备成为了首选。传统的大棚对于植物的生长不能最优的控制，容易受到环境的干扰，造成植物的收成达不到理想状态。因此，社会的需求为智能大棚的发展，提供了动力。

（3）政策形势

改革开放以来，中国的经济飞跃式的发展。现在，已经是全球第二大经济体，而农业则是国民经济的基础。在中国物联网产业迅速发展，规模效益与日俱增的情况下，国务院、农业部、工信部和财政部等国家机关近两年纷纷出台政策并拿出项目资金，鼓励在农业领域里加快信息化建设，积极推进智能农业示范工程建设，加强在农产品的生产、加工、物流等各个环节的智能化建设。以下是几个智能农业政策：

(1)2011年8月，工信部“十二五物联网发展规划”明确提出将智能农业重点应用示范工程来完成。

(2)2011年8月，农业部全国农业农村信息化发展十二五规划提出提高现代农业生产设施装备的数字化，智能化，使农业生产信息化整体水平翻两番，达到12%。

(3)2012年12月农业部国家农业科技发展十二五规划提出将农业信息化总体水平提高到35%，设立200个国家级现代农业示范区，并规定物联网，传感网等现代信息技术先行先试。

基于以上的研究背景和应用需求，本人选择了智能农业大棚远程监控系统的研究课题。

（4）国外发展状况

国外的温室技术研究[1]-[2]从上世纪70年代就已经开始了，相对于国内来说，技术上领先很多。

荷兰是郁金香的王国，他们的鲜花远销国内外，温室技术更是达到了很高的水准，在国内，很多科研院所，如上海交大农学院运用的温室控制设备就是产自荷兰。荷兰的设备技术精湛，稳定性高，维护费用也相对较高。由于其发达的农业，在荷兰已经形成了对于农业温室高投入，高产出的模式。

美国是世界最大的农业出口国，它的高新技术更是居于世界前列。物联网技术已经很好的被应用到了各种温室中，而温室中电脑的覆盖率更是已经达到了80%以上，这很好的提升了美国农业的效率。

日本是亚洲的科技强国，在温室方面同样也处于前列。在温室方面它已经建立了全封闭全自动的温室，在温室内部，对于温湿度，光照控制，已经实现了自动化的程度，对于植物栽培，运用机械手和机械臂对其种植，这些对于提升作物种植，减少人工具有很好的作用，但其价格也很昂贵。

同时，各国对于温室中的控制对象的非线性，对于控制算法也有很多的研究。包括BP 神经网络，自适应预测控制，模糊控制都被广泛的应用与研究当中。

（5）国内发展状况

近年来，无线传感器网络被广泛的用于现代温室中，Zigbee由于其低成本，功耗低的特性，并且其无线节点具有高容量的特点，可以采用网状网络和星型网络的形式，可以用来布置大量的节点。所以被广泛的应用于现代温室智能控制。

黑龙江八一农垦大学石建飞[3]等人针对东北的温室大棚的特点，开发出了一套基于单片机的蔬菜大棚温湿度检测系统，该系统可以稳定的采集与处理大棚内部各个区域的一些温湿度信息。并且该系统可以将各个时段的温湿度信息保存在 SD 卡中。该系统对于无线传输设计专有的通信协议，能够传输每天温湿度的最高值，最低值，平均值。最终通过实验证明了该系统的精度高，实用性强的特点。

广西大学的雷纯[4]等设计并实现了一种基于zigbeecc2430的多点温度采集系统，该系统以DS18B20为温度传感器，基于zigbee的协议栈实现了通过无线网络的方式对于温室中的温度进行采集，最终用 vb6编程，通过使用串口类和数据库，实现了温室温度的存储，分析，显示。

西南交通大学的闻晶等基于温室中各种因素会相互耦合，并且不确定的特点，通过仿真设计验证了一种模糊控制并且能够模糊补偿温度的方法。以STM32作为控制器，通过在三阶模型的温室中仿真，并且与常规 PID 相比较，得出模糊控制超调小，响应周期块的特点。同时还有很多优秀的算法被应用来实现温室因子的控制，例如神经网络，遗传算法等，这些智能算法能在一定的程度上解决问题。

3、课题研究内容与^范文的结构安排

（3-1）课题研究内容

本文应用Zigbee、单片机、嵌入式技术等，研究并设计了一个智能农业大棚的监控系统，^范文主要内容包括以下几点：

（1）分析了当前温室监控所需要监控的因素，指出传统温室监控的不足,在对zigbee无线传感器网络对环境因素的监控和wifi网络的视频监控技术进行深入研究的基础上,进一步提出了智能监控的总体设计方案。

（2）首先对温室进行了建模，然后设计了模糊 PID 算法，通过和传统的 PID 算法进行比较，证明了模糊 PID 算法的优越性。

（3）对不同情况下的监控系统提出分类，并给出了该系统整体的软硬件设计方案。

（4）研究了环境因素模块的软硬件设计与相应的数据融合算法设计。因为传感器的节点很多，存在着大量的冗余，并且会影响到相应节点的能量的消耗，所

以必须要设计相应的算法对传感器网络进行数据融合，从而增强采集的精度与电池的寿命。

（5）研究视频监控模块的软硬件设计。无线视频监控需要在linux操作系统下实现，所以这里涉及到很多的嵌入式系统的技术问题，包括驱动移植，内核配置，脚本编写，应用程序编程等。

（6）搭建平台，对最终的结果进行验证。

（3-2）^范文的结构安排

本文的具体结构安排如下：

第一章绪论。主要介绍了本课题的研究背景和智能温室监控系统的国内外研究状况，阐述了本课题的研究内容和意义。给出了^范文的结构安排。

第二章温室监控系统的总体方案设计与环境搭建。首先对于传统的农业温室监控系统存在的问题进行了阐述，接着阐述了本课题所涉及的温室监控系统的整体框架，并描述了各个模块基本构成，以及相互之间的联系。然后简对涉及的相应的编译工具及平台环境进行了配置。

第三章模糊 PID 控制温度与 MATLAB 仿真。对温室的建模进行了描述，首先对温室的 PID 进行建模，其次用模糊 PID 进行了建模，通过构建模糊控制表，最终得出了控制效果图。通过将 PID 和模糊 PID 的输出结果进行比较，证明了选用模糊 PID 控制方案的可行性和优越性。

第四章环境采集模块的设计。主要介绍了环境因素的采集，环境因素自适应数据融合预处理，环境因素的无线传输，环境因素模糊 PID 控制，环境因素的上位机显示。对于软件硬件设计，进行了详细的描述。

第五章视频采集模块的设计。硬件部分：介绍了元件的选型，包括应用的摄像头，wifi网卡。软件部分：首先对mjpeg的各个模块进行了详细的分析，同时介绍了相应的压缩算法的选择。然后针对于接收端，主要针对视频的接收，设计了解压缩、缩小、合并以及显示等功能。

第六章实验及功能测试。对所设计的模块进行联合调试，并给出实验结果。

第七章总结与展望。对研究生阶段所做的工作做了总结，并对进一步的不足与发展提出了展望。

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指导教师意见：

签名：

年月日

开题审查小组意见：

签名：

年月日