基于物聯(lián)網(wǎng)的精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

吳夏艷　郝嘉駿　肖麗萍　王輝

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)信息技術的高速發(fā)展，精細農(nóng)業(yè)越來越成為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展重點。為滿足精準農(nóng)業(yè)對環(huán)境監(jiān)測的需求，以物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎，結合無線傳感技術，建立精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)從數(shù)據(jù)節(jié)點的信息采集、系統(tǒng)基站和遠程監(jiān)控系統(tǒng)三個方面進行分析，最終實現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)現(xiàn)場光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度等要素的智能監(jiān)控。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 精準農(nóng)業(yè) 環(huán)境監(jiān)測 傳感節(jié)點

中圖分類號：TP202 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0181-02

1 引言

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式下導致的產(chǎn)品質(zhì)量問題，資源利用率不足，生態(tài)環(huán)境污染，多樣化的品種需求等諸多問題使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不能達到良性循環(huán)的需求。而隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，精準農(nóng)業(yè)為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了一個可持續(xù)發(fā)展方向，智能精準農(nóng)業(yè)將逐步取代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，這不僅是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢，更是符合我國當代國情的選擇[1]。智能精準農(nóng)業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)高效利用各類農(nóng)業(yè)資源以及改善環(huán)境，促進農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變。大幅度提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力同時，也是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量、高產(chǎn)量、高環(huán)保和低耗能的可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 需求分析

在精準農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部署各類無線傳感器設備，用來種植現(xiàn)場的土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照強度以及二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)。農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)各類傳感設備采用電池供電，農(nóng)業(yè)信息采用無線傳輸。各農(nóng)業(yè)大棚園區(qū)內(nèi)配備1套路由節(jié)點、無線網(wǎng)關節(jié)點等構成信息采集傳輸設備，覆蓋整個農(nóng)業(yè)大棚區(qū)，同時，大棚內(nèi)還應配有少量固定生活供電設備，為風機、加熱器、電卷門、水泵等執(zhí)行部件供電。最后，從實現(xiàn)功能上講，農(nóng)業(yè)大棚現(xiàn)場信息傳輸通過Internet實現(xiàn)與后臺服務器交互，并通過接受控制指令、響應執(zhí)行設備，實現(xiàn)對大棚內(nèi)的智能卷簾、噴水、通風等智能控制，調(diào)節(jié)農(nóng)業(yè)現(xiàn)場作物環(huán)境。

2.2 系統(tǒng)體系結構設計

2.2.1 系統(tǒng)總框架

圖1為系統(tǒng)總體結構設計示意圖的具體展示，整個系統(tǒng)包含有無線通信網(wǎng)絡、Internet網(wǎng)以及3G/4G通信網(wǎng)絡。從應用層面講，系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡構架層和應用層三部分組成。感知層由大棚內(nèi)部若干傳感節(jié)點組成，用于獲取農(nóng)業(yè)現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)；網(wǎng)絡構架層由路由網(wǎng)關、3G/4G通信網(wǎng)絡模塊和移動基站構成，實現(xiàn)信息通訊；應用層由Web服務器和SQL數(shù)據(jù)庫構成，用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息存儲以及發(fā)布。

2.2.2 信息采集系統(tǒng)

信息采集系統(tǒng)實現(xiàn)大棚內(nèi)溫濕度、光照強度和土壤含水量等數(shù)據(jù)信息的采集和控制。用戶可能通過訪問服務器監(jiān)測大棚內(nèi)部環(huán)境參數(shù)，還可控制現(xiàn)場執(zhí)行部件。

3 硬件系統(tǒng)設計

3.1 總體硬件設計

圖3所示，系統(tǒng)的總體硬件設計以MCU為控制中心搭載傳感器、電池以及射頻模塊組成，實現(xiàn)對大棚內(nèi)環(huán)境實時檢測并采集數(shù)據(jù)。具體而言，各個硬件模塊通過ZigBee無線網(wǎng)絡將種植現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)信息與標準生長環(huán)境參數(shù)對比，由無線收發(fā)模塊進行傳輸數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對大棚內(nèi)環(huán)境信息的進行遠程控制[2]。

3.2 傳感器節(jié)點硬件設計

圖4傳感器節(jié)點主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)控制處理模塊，實現(xiàn)功能包括對節(jié)點數(shù)據(jù)處理的算法、節(jié)點的通信算法，以及節(jié)點的多任務處理，包括外部傳感器模塊、處理器模塊、按鍵模塊、LED模塊、JTAG接口、供電模塊和無線通信模塊等。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與監(jiān)測實驗

4.1 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)方案

一體化控制器、執(zhí)行設備以及相關線路等構成了整個控制系統(tǒng)。通過控制器可以自由控制各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)執(zhí)行設備，如：噴水系統(tǒng)（可支持噴淋、滴灌等）、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)（可支持卷簾、風機、通風等）、光照調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。圖5為軟件總體設計示意圖[3]。

4.2 上位機（PC機）監(jiān)控界面

經(jīng)測試，系統(tǒng)軟硬件均工作正常，可實現(xiàn)預期目標中絕大部分功能。通過ZigBee節(jié)點組網(wǎng)測試實現(xiàn)各節(jié)點間組網(wǎng)并能正常通信；通過傳感器節(jié)點控制實現(xiàn)溫室的遠程控制功能；通過ZigBee與GPRS間的聯(lián)合調(diào)試，實現(xiàn)終端節(jié)點采集光照并由GPRS模塊發(fā)送采集數(shù)據(jù)到手機，實現(xiàn)溫室遠程監(jiān)控的功能；系統(tǒng)充分發(fā)揮了ZigBee具有強大的網(wǎng)絡擴展功能，結合GPRS模塊可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息傳輸?shù)亩鄻有浴D6為環(huán)境監(jiān)控界面。

如圖7所示包含了溫度傳感器模塊的網(wǎng)絡地址，溫度信息，及上傳時間。上位機收到的信息首先進行預處理，存入數(shù)據(jù)庫，然后再從數(shù)據(jù)庫讀取出，根據(jù)時間信息，畫出歷史曲線圖。

5 結語

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方案，可實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)大棚中各種環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測，大大節(jié)約了農(nóng)業(yè)管理者的勞動成本，同時，對農(nóng)作物的生長和實現(xiàn)對溫室大棚環(huán)境的實時監(jiān)控，為提高農(nóng)作物產(chǎn)量提供了強有力的數(shù)據(jù)支持。該系統(tǒng)設計方案系統(tǒng)界面穩(wěn)定，操作界面簡單且擴展性強具有較好的應用前景。

參考文獻

[1]楊超，魏東，莊俊華.基于ZigBee無線網(wǎng)絡技術的地下車庫照明節(jié)能控制系統(tǒng)研發(fā)[J].電工技術學報，2015（S1）：490-495.

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[3]李頎，馮宇謙，周曉嵐.基于ZigBee無線網(wǎng)絡的養(yǎng)殖場信息監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].陜西科技大學學報（自然科學版），2016（01）：164-170.