应用于智能农场的远程监控网络及远程
控制机器的设计与实现
摘要：搭建了应用于智能农场的远程监控网络系统，由3G无线路由器、网络摄像机、智能开关、WiFi遥控车等多个智能终端构成无线局域网，采用太阳能供电（如图6）。对网络摄像机、智能插座进行了安装与调试，设计开发了WiFi遥控车，组建了太阳能供电系统。此系统可以实现：农场主通过手机随时随地都查看农场中多个网络摄像机拍摄的实时视频，了解农作物生长情况，监视动物或盗贼破坏农作物；通过手机随时随地能开关农场种多个与智能开关相连接的路灯；通过手机随时随地开关多个与智能开关相连接的插SD卡音箱，播放SD卡中的音乐，警吓动物或盗贼破坏农作物；通过手机随时随地遥控wifi车行驶，驱赶鸟类、鼠类等破坏农作物的动物；太阳能供电系统可以为网络摄像机提供九个多小时的持续供电。
关键词：智能农场，远程监控，WiFi遥控车，太阳能供电
一、 研究背景及意义
我国农业现代化进程不断加快，农业正处于由传统农户分散经营向集约化的新型经营体系转变的新阶段，随着土地改革的进行，农村土地规模化经营将成为必然趋势，大型农场牧场也会随之产生。随着大型农牧场的产生，如何高效率，全方面的来管理自己的农场成为了农场主首要关心的问题，越来越多的农场主意识到科技会为他们产生更多效益。
网络摄像机可以应用在智能农场中，使得在恶劣的天气条件下，人不需外出，通过远程监控，即可二十四小时不间断地了解农场，弥补了劳动力的局限性。另外应用农场远程监控可有效防贼防盗，同时可以防止农场遭鸟类等动物的破坏，从而降低农牧场主的损失，同时有效地节约人力资源成本。通过远程农场监控系统还可实时对农牧场的干湿度，温度等环境参数进行监控，自动开启或者关闭指定设备，可以弥补了工作人员不能24小时对农牧场进行监控的不足。
农场主还希望科技人员能设计更多的像挤奶机、牲畜喂食机等全自动设备，来帮助他们进一步提高农牧场生产效率，提高生出作物福利，从而让他们有更多
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的时间来管理自己的田地；希望有更多的像GPS掌舵技术类似的辅助技术来消除人工生产所带来的重复操作的不足，大幅度节省时间和提高农业生产力。
因此，为适应农牧场的发展要求，各国研究人员都积极投入到智能农场的研究当中，通过采用技术手段和高科技机器帮助农场主更精确生产，减少浪费，提高生产力。但是，由于国内外智能农场的研究都处于初级阶段，现如今所能实现的技术清单中，只有少数农场主可以担负起这高额的费用，这就要求我们对智能农场进行更深入的研究，使得更多的农场实现智能化。
二、 国内外研究状况
国外农场的发展已有几百年的历史，随着科技的发展，这些农场向着高度规模化、集约化、专业化经营方向发展。然而，由于国内外对农场野外智能监控等技术的发尚不成熟，还处于刚刚起步阶段，使得这些农场仍旧主要依靠人力来进行日常生产管理，生产效率不高。
研究人员积极将智能科技应用于农场建设当中，推进农场智能化的发展。在国外，云计算已经应用于农业生产当中，农场主直接将他们收集的有关农作物生长状态的数据文本上传至云服务中，研究人员从云服务当中读取数据，然后分析数据，以此为农场主提供农作物生长情况的详细的分析报告，农场主则通过研究人员反馈的数据分析报告来了解自己农场作物的生产情况从而调整自己的生产计划。英国研究人员应用无人机来拍摄红外图像从而在空中监控他们的农田，帮助他们实时了解作物的生长情况，同时帮助他们决定应该在哪些地方进行改种或者使用杀虫剂。澳大利亚正在推进国家宽带网络基础设施建设，将为农业从业者提供更稳定的宽带卫星接入和地面无线服务，从而建立智能农场信息平台，用户通过平台操控可以获取一切关于农场的实时信息，包括土壤状况到牲畜情况。韩国的泰利特成功建成第一个智能农场系统: 该技术使农民能透过智能手机从远程监控寒冷气候下的温室通过智能农场系统，农民都能在夜间或任何寒冷的天气下，通过远程覆盖或打开其位于大型、透明的塑料温室来保持一致的作物温度。
在国内，由于我国农场起步和发展时间较短，与国外发达国家的农场相比，我国现今农场规模较小且数目较少。湖北首个农业示范区利用数百个感知器来感知测量温度、湿度、风向、光照度等多种参数，并将数据定期传向控制平台，同
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时大棚或田间的自动化设备通过无线通信，连接到用户电脑或手机，从而实现远程管理。北京的极客农场，可以实现远程监控管理系统，综合集成移动互联网、物联网技术、音视频技术、传感器技术、虚拟现实技术及无线通信技术等，实现对农场的数字化、可视化综合管理，包括远程诊断、自动控制、灾变预警、全面覆盖自动化节水灌溉设备，农产品可追溯化的配送服务等等。
国内外的研究大多还处于利用智能科技帮助农场主采集农作物生长信息，帮助农场主分析数据，从而制定农业生产计划的阶段。虽然，一些可以实现远程诊断、自动控制等功能的智能农场也已经出现，但因其大多配置高端，很少有农场主可以承担得起这高额的费用，因此很难推广实现。我们这次研究将要实现的是利用无线通信技术以及智能科技，通过低成本高效率的方式不光可以让农场主随时了解农作物的生长情况，随时随地远程控制电器运行，还可以利用互联网让任何人在任何时间任何地点能查看农场的实时视频，实现非农业生产者也可以获得对农场的全方位的了解。
智能农场在国内外是一个极受重视、但尚未发展成熟的课题。由于野外环境的制约，智能农场的建设存在供电、组网的实际难题，另外在远程控制自动化设备方向，有很多需要解决的问题，因此智能农场是一个具有长远发展前景的课题。
本项目对智能农场做一个初步探索，确定远程监控无线网络建设方案，设计可以远程控制的机器，设计方案可以方便的应用到我国目前机械自动化化程度很低、主要依靠人工的果园、农田、农场以及养殖场中，为智能农场的建设提供指导性的方案。
三、 材料与研究方法
前苏联学者根里奇·阿奇舒勒（Genrich Saulovich Altshuller）提出的发明问题解决理论TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch）指出好的设想具有如下规律：解决冲突；增加系统的理想化水平；采用闲置的、易被应用的资源。
遵循TRIZ原理，在组建智能农场时，我们尽可能的采用已经成熟、性价比高的资源设备，同时对于技术不成熟、价格昂贵的设备自我研制，考虑到在农场野外环境所制约的有线供电网络、有线计算机网络的冲突问题，采用太阳能给各用电设备供电，采用3G路由器连接互联网组建农场无线局域网。
1、材料：
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我们组建的智能农场实验网络系统由一台3G路由器、两部网络摄像机、三个智能插座、一套太阳能供电系统、一部wifi遥控车、一部插SD卡音箱、多个台灯。其中的WiFi遥控车由团队成员开发，其余设备均为购买市场上的成熟产品。
在实际应用时这个网络可以扩展，多个摄像机、多个开关、多个音箱，大功率车路由器，每个固定位置的用电设备靠太阳能供电。
（1）3G路由器
用于组建农场无线局域网，实现农场中各wifi终端设备与与互联网的连接。考虑到野外农场无法通过线缆连接互联网，采用3G或4G无线方式连接。我们购置了TPLINK TL-WR720N型3G无线路由器（如图1），每台价格109元，可以通过电信（CDMA2000）、联通（WCDMA）、移动（TD-SCDMA）三种3G方式连接互联网。
（2）网络摄像机
用于实时采集农场视频并传送到网络云空间。网络摄像机通过WiFi方式连接路由器，由路由器将视频传送至云空间，农场主在手机上安装客户端软件后可以在在任何地方登陆云空间查看视频，了解农作物的生长情况，监视是否有动物或者盗贼偷食农作物。我们购置了萤石C2mini型Wifi网络摄像机（如图2），每部价格199元。
（3）智能插座
用于控制农场中与插座相连接的路灯、音箱等电器。智能插座通过WiFi方式连接路由器，由路由器将控制指令传送互联网。农场主在手机上安装客户端软件后可以在任何地方操作开关，管理农场中的灯、音箱等电器。当农场主通过视频发现有动物或者盗贼偷食农作物时，开启wifi开关连接的插SD卡音箱播放音乐或者警示音频文件，用声音驱赶动物或者盗贼。我们购置了坎坤Smart Plus智能插座，每个79元。
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图1 3G路由器 2 网络摄像机 图3 智能插座
（4）太阳能供电系统
用于给农场中的固定位置电器设备供电，由太阳能电池板、蓄电池、控制器、变压器组成。我们搭建了一套给网络摄像机供电的系统，采用一块15W太阳能电池板、一个7Ah12V蓄电池、一个12V控制器、一个12V转5V变压器构成（如图4），系统的总价为580元。由于网络摄像机的电流为1.5A电压为5V，功率为7.5W，因此蓄电池可以为摄像头供电大约九个多小时。
（5）WiFi遥控车
团队开发WiFi遥控车，用于驱赶鼠类、鸟类等动物。遥控车通过WiFi方式连接路由器，由路由器将控制指令传送至互联网。农场主在手机上安装客户端软件后可以在任何地方遥控车在农场中行驶。当农场主通过视频发现有动物或者盗贼偷食农作物时，开启wifi车来驱赶动物。遥控车的电路部分主要由WiFi模块、单片机、电源模块以及电机构成（如图5）。
图4 太阳能供电系统 图5 WiFi遥控车
2、研究方法
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项目主要完成的工作包括：农场无线局域网的构建；网络摄像机及智能开关的安装及调试；智能开关的安装及调试；太阳能供电系统的安装及调试；WiFi遥控车的组装机调试。主要包括以下步骤：
（1）设置路由器地址，建立农场无线局域网，参见附录1。
（2）在手机上安装网络摄像机的客户端软件，远程查看云视频，参见附录2。 （3）在手机上安装智能开关的客户端软件，远程管理智能开关，参见附录3。 （4）连接太阳能供电系统，提供太能能电源，参见附录4。 （5）开发WiFi遥控车，参见附录5。
四、 结果及分析
我们搭建了应用于智能农场的远程监控网络系统，由3G无线路由器、网络摄像机、智能开关、WiFi遥控车等多个智能终端构成无线局域网，采用太阳能供电（如图6）。对网络摄像机、智能插座进行了安装与调试，设计开发了WiFi遥控车，组建了太阳能供电系统。此系统可以实现以下功能：
（1） 农场主通过手机随时随地都查看农场中多个网络摄像机拍摄的实时视
频，了解农作物生长情况，监视动物或盗贼破坏农作物。
（2） 农场主通过手机随时随地能开关农场种多个与智能开关相连接的路灯。 （3） 农场主通过手机随时随地开关多个与智能开关相连接的插SD卡音箱，
播放SD卡中的音乐，警吓动物或盗贼破坏农作物。
（4） 农场主通过手机随时随地遥控wifi车行驶，驱赶鸟类、鼠类等破坏农作
物的动物。
（5） 太阳能供电系统可以为网络摄像机提供九个多小时的持续供电。
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图6 智能农场远程监控网络系统示意图
五、 讨论
由于资金限制，我们所购置的设备价格比较低，所组建的监控网络性能不高，本项目对智能农场的开发方案进行了初步实验与探索，取得了初步的成功。将此方案应用于实际野外农场环境时，还需要提高设备的配置，拓宽网络覆盖范围，提高设备的稳定性等问题，主要包括：
（1） 路由器的选择问题
在实际农场中，无线网络的覆盖半径需要达到几公里甚至几十公里，需要选择企业级或者运营商级的3G或者4G路由器。
（2） 太阳能供电问题
为保证路由器、网络摄像头等设备二十四小时供电，需要提高太阳能班的功率、蓄电池、控制器的电压容量。
（3） WiFi遥控车设计问题
为了保证遥控车在山区运行，需要提高遥控车爬坡能力，提供太阳能供电或者太阳能自动充电。
（4） 开发WiFi遥控飞机
在WiFi遥控车的设计经验基础上，可以开发设计WiFi遥控飞机，更有效地驱
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赶鸟类。
六、 致谢
非常感谢学院的领导以及系的领导对本项目提供的资金，使得我们有条件购买实验设备。感谢系的老师为我们答疑解惑，解决了实验过程中的理论和设计难题。是您们无私的帮助，才有了今天的成果。
参考文献
[1]http://www.iotcn.org.cn/html/2014/nongye_0609/7541.html [2]http://www.geekfarm.cn
[3]http://www.s5461.net/kj/wht/nzdm/201407/124418.asp [4]http://tech2ipo.com/64594 [5]中国安防技术有限公司.智能视频监控：中国，200810066660.4[P]. 2010-07-29.（实用新型专利）
[6]唐静.智能温室农业环境自动监控系统设计[D].模式识别与智能系统专业.2011-05-20
[7]郝评.智能牧场数据通讯的研究与应用[D].天津大学.2007 [8]钟云.硅谷将开智能农场[J] .致富天地2013,08
[9]根里奇·阿奇舒勒,谭增波、茹海燕译者,创新算法:TRIZ、系统创新和技术创造力[M]，华中科技大学出版社; 第1版，2008年
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附录1 路由器设置
1．通过网线连接路由器LAN口和电脑网卡。
2．打开计算机中的浏览器，输入路由器的管理IP，如图1-1。
图1-1路由器的管理IP
3．在无线设置窗口设置路由器无线设置、热点名称以及密码如图1-2，开启DHCP（如图1-3）。
图1-2 设置路由器无线设置
图1-3 开启DHCP
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附录2 网络摄像机设置
1. 登陆http://service.ys7.com/downloadInfoSite/admin手机或电脑下载萤石客户端。 2.注册账号并登陆。 3.查看或分享视频。
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附录3 智能插座设置
1.下载小K智能插座APP软件安装。
2.确保手机打开WiFi并可用，确保手机打开蓝牙，打开APP，打开添加_配置键；如图1所示
图-1 智能插座APP
3..将智能开关插到插座上，按扇形键5秒，将原信息重置，然后等待蓝灯由常亮到慢闪。
4.在APP里输入WiFi的相关信息，等待智能开关由慢闪到快闪再到不亮，说明已配对成功。
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附录4 太阳能供电系统
太阳能供电系统由控制器、太阳能电池板、太阳能蓄电池、变压器四部分组成，如图4-1。表4-1给出农场中用电器24小时的太阳能供电系统配置。
太 阳能电池
图4-1 太阳能供电系统结构结构框图
表4-1 用电器工作24小时太阳能供电系统配置表
配置 负载 网络摄像头 （5V/1.5A/7.5W） 无线路由器 （5V/1A/5W） 笔记本电脑 （19V/4.74A/90W） （注：在设计太阳能发电系统时我们考虑了该系统在哪里使用，该地日光辐射情况如何，以及要求系统每天工作多少小时和各组件互连时电压电流等因素。
1太阳能电池板：在选择太阳能电池板时，我们设太阳能电池板功率为Wt，效率为r，每天光○
控制器 控制器 太阳能蓄电池池 变压器 用电器 太阳能电池板（功率W） 40W 太阳能蓄电池（容量AH） 19AH 控制器 （电流A） 1A 变压器 12V转5V 25W 13AH 0.5A 12V转5V 450W 225AH 7.5A 12V转19V 照有效时间为T，负载功率为p，系统需要工作时间为为t ，则利用计算公式:Wt×r×T=p×t。
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2太阳能蓄电池：在选择太阳能蓄电池时，我们设蓄电池电压为U伏，容量为P安时，综合效○
率为80%， 连续阴雨天为n，则利用计算公式：P×U×80%=p×t×n。
3控制器：○在选择控制器时为保证控制器能够正常工作，控制器的最大电流应该满足:I>负载功
率/U。由此，我们得出了表1.各用电器工作24h太阳供电系统配置表。）
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附录5 WiFi遥控车设计
WiFi遥控车的电路部分由WiFi模块、单片机、电源模块、电机构成，如图5-1。
WiFi模块3.3VAMS1117电压转换模块单片机5VL298N电源5V模块7.4V锂电池
图5-2 WiFi遥控车电路框图
12V直流电机
WiFi模块开发
1．为wifi模块焊接一块电路板使模块正常工作，用ch340串口将模块与本地计算机连接（如图5-2）。
图5-2 WiFi模块
2．在本地计算机上用ESP8266调试工具对模块esp-01参数配置。
3. 通讯设置栏下，如图在9600波特率下，通过pc对模块进行串口通讯设置（如图5-3）。
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图5-3 通讯设置
4. 在基本设置第二栏下，设置ESP8266的串口工作波特率为9600（如图5-4）。
图5-4 波特率设置
5. 在wifi设置栏，第一栏工作模式设置wifi模块工作模式为STATION模式（如图5-5）。
图5-5 WiFi设置
6.在常用命令栏下，复位重启，会看到一堆乱码+ready，这是正常重启，此时模块已经默认保存在STATION模式，在命令栏下，继续选择扫描wifi，在接收数
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据框上，会看到将要连接的wifi信号（如图5-6）。
图5-5 接收书据
7.在wifi设置栏 ，设置加入局域网，wifi名称输入将要连接的wifi信号的ssid. Wifi密码输入wifi信号的password.点击连接。接收栏下回复ok，表示已经连上wifi（如图5-6）。
图5-6 连接WiFi
8. 网络应用第三栏，设置wifi模块作为TCP客户端模式连接远程服务器（如图5-7）。
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图5-7 网络应用
点击连接并 查询模块状态，可以看到图5-8，表示模块已经连接上远程服务器。
图5-8 连接远程服务
7.登录数据报文。在发送框 输入login:qingdao,123.可以看到回复ok，表示模块已经登录远程服务器。
8.在远程pc端 使用TCP测试工具 选择客户端模式 设置与模块相同的ip和端口
单片机开发源代码 #include bit first_trig1=1; // bit是C51编译器的一种扩充数据类型，利用它可 定义一个位标量，但不能定义位指针，也不能定义位数组。它的值是一个二进制位，不是0就是1 18 第十四届“挑战杯”青岛大学大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品 bit first_trig2=0; unsigned int temp1=0; //全局变量 unsigned int temp2=0; unsigned int timer_num1=0; unsigned int timer_num2=0; unsigned int length1=0; unsigned int length2=0; unsigned int RE=0; //串口定义 直流马达 sbit lun1_0=P1^0; sbit lun1_1=P1^1; sbit lun2_0=P1^2; sbit lun2_1=P1^3; sbit RX=P1^6; //接收 sbit TX=P1^7; //发送 // 超声波 sbit trig1=P0^1; //zuo sbit trig2=P0^0; sbit echo1=P3^2; // 右 sbit echo2=P3^3; //函数定义 void stright_run(); void lift_run(); void right_run(); void back_run(); void stop(); 19 第十四届“挑战杯”青岛大学大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品 int return_Length2(); int return_Length1(); void init(); void delay_10us(); void Delay1ms(int a); void chaosend(); void bz_run(); void init() { TMOD=0X20; //0010 0000 方式2 TH1=156; //100us TL1=156; EA=1; ET1=1; TR1=1; EX0=1; IT0=1; EX1=1; IT1=1; } void UsartConfiguration() { SCON=0X50; //设置为工作方式1 TMOD|=0X02; //设置计数器工作方式2 TH0=0XFd; //计数器初始值设置，注意波特率是9600的 TL0=0XFd; ES=1; //打开接收中断 EA=1; //打开总中断 20 第十四届“挑战杯”青岛大学大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品 } TR0=1; //打开计数器 void wifi_INT() interrupt 4 { } void timer1()interrupt 3 // T1 { } void int0() interrupt 0 { RE=SBUF; while(!RI); RI=0; SBUF=RE; while(!TI); TI=0; //接收 RI=1,跳出while循环 //发送 if(echo1==1) { } if(echo2==1) { } // 涉及超声波模块原理 ，超声波收到信号 timer_num1++; //if条件不符合，怎么运行，一直等待还是执行下调 timer_num2++; // int0 temp1=timer_num1*100+256-TL0; timer_num1=0; 21 // 第十四届“挑战杯”青岛大学大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品 first_trig2=1; } void int1() interrupt 2 // int1 { temp2=timer_num2*100+256-TL1; timer_num2=0; first_trig1=1; } void delay_10us() { _nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); } void Delay1ms(int a) //延时函数 1ms { int i,j; for(i=a;i>0;i--) for(j=110;j>0;j--); } void chaosend() { if(first_trig1==1) {trig1=1;delay_10us();trig1=0;first_trig1=0;} trig1=1;delay_10us();trig1=0;first_trig1=0;超声波发送 if(first_trig2==1) {trig2=1;delay_10us();trig2=0;first_trig2=0;} // 22 第十四届“挑战杯”青岛大学大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品 } void main() { init(); //定时器初始化 UsartConfiguration(); //串口初始化 while(1) { switch(RE) { chaosend(); length1=return_Length1(); length2=return_Length2(); case '1':stright_run();break; //直行 case '2':lift_run();break; //左转 case '3':right_run();break; //右转 case '4':back_run();break; //后退 case '5':bz_run();break; //避障跑 default:stop(); //停止 } 23 第十四届“挑战杯”青岛大学大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品 } } void bz_run() { if(length1<20||length2<20) { if(length1<20&&length2<20) { // back_run() ; // Delay1ms(1); lift_run(); Delay1ms(10); } if(length1>20||length2>20) { if(length1 if(length1>length2) { // stop; // Delay1ms(1); right_run(); Delay1ms(1); 24 第十四届“挑战杯”青岛大学大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品 } } } if(length1>28&&length2>25) { stright_run(); } } void stright_run() { lun1_0=0;lun1_1=1;lun2_0=1;lun2_1=0; } void stop() {lun1_0=0; lun1_1=0;lun2_0=0;lun2_1=0;} void lift_run() { lun1_0=0;lun1_1=1;lun2_0=0;lun2_1=1; } void right_run() { lun1_0=1; lun1_1=0; lun2_0=1; } void back_run() { // 0110 // 0101 lun2_1=0; //1010 25 第十四届“挑战杯”青岛大学大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品 lun1_0=1;lun1_1=0;lun2_0=1;lun2_1=0; //1010 } int return_Length1() {return temp1/58;} int return_Length2() {return temp2/58;} 26 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容