基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)設(shè)施群環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

曹 亮，孫 聰，史志明，陳 賢，張昊鵬

(成都市農(nóng)林科學(xué)院，成都 611130 )

0 引言

設(shè)施農(nóng)業(yè)通過整合各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素，形成資金、技術(shù)和勞動力密集的新型產(chǎn)業(yè)，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分[1-2]。設(shè)施農(nóng)業(yè)以人工建造的設(shè)施為基礎(chǔ)，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)擺脫了自然條件的束縛，農(nóng)產(chǎn)品實現(xiàn)反季節(jié)上市，滿足了多元化和多層次的消費需求[3]。另外，設(shè)施農(nóng)業(yè)進行程序化生產(chǎn)，可以提高土地、資源利用率，以及勞動生產(chǎn)效率，打破了資源環(huán)境的制約，對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[4]。設(shè)施農(nóng)業(yè)在我國發(fā)展迅速，已從最初的塑料大棚和小型溫室轉(zhuǎn)變到了現(xiàn)代化大型溫室和植物工廠等形式，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位日益提升。

設(shè)施農(nóng)業(yè)的本質(zhì)是人工構(gòu)建可控的環(huán)境，保證了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)按照預(yù)設(shè)的程序進行，從而獲得理想的產(chǎn)量和效果。因此，設(shè)施農(nóng)業(yè)中的環(huán)境便成為最重要的因素，對其進行準確的監(jiān)測和控制是需要重點關(guān)注的問題。設(shè)施農(nóng)業(yè)的環(huán)境包括農(nóng)產(chǎn)品所處的氣象、土壤、水分和生物群落等外部條件，且由于種群內(nèi)的相互影響，農(nóng)產(chǎn)品本身也是環(huán)境的組成部分。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)控方法是由人工現(xiàn)場觀察，記載相關(guān)的環(huán)境因子數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗評估農(nóng)產(chǎn)品的生長發(fā)育狀態(tài)并進行控制操作。不同人員的主觀感受和知識經(jīng)驗之間存在差異，因此監(jiān)控精確度不高、費時費力，無法滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式不斷創(chuàng)新的需求[5]。

物聯(lián)網(wǎng)也被稱為傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可把各種傳感器、信息處理器和無線網(wǎng)絡(luò)融合成一個有機整體，對目標(biāo)進行智能識別和精準管理[6]。物聯(lián)網(wǎng)將遠程感知、傳輸、智能決策和控制功能集于一身，是互聯(lián)網(wǎng)延伸出的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)的基本構(gòu)架包括3個層次：一是信息感知層，由傳感器節(jié)點感知目標(biāo)因子，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上；二是應(yīng)用管理層，可以接受、存儲和分析信息感知層獲取的數(shù)據(jù)，并發(fā)出操作指令，實現(xiàn)遠程控制；三是信息傳輸層，以互聯(lián)網(wǎng)作為橋梁將上述兩個層次鏈接起來實現(xiàn)信息的互通。

物聯(lián)網(wǎng)從誕生起便廣泛應(yīng)用于包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，是提高整體生產(chǎn)效率的重要手段。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中利用傳感器檢測環(huán)境因子的參數(shù)，通過智能控制優(yōu)化農(nóng)產(chǎn)品的生長條件，可以保證農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，提高資源利用率，降低生產(chǎn)成本[7]。早在2002年，美國首次應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測葡萄園的土壤溫濕度和有害物劑量，促進葡萄實現(xiàn)豐收[8]。

在誕生之初，物聯(lián)網(wǎng)主要用于對數(shù)據(jù)的采集、展示和分析，后來演化到利用專家系統(tǒng)的科學(xué)分析和決策，拓展了物聯(lián)網(wǎng)的功能[9]。郭理等根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)模型，進行了畜禽養(yǎng)殖環(huán)境控制系統(tǒng)的開發(fā)，可以有效改善畜禽的養(yǎng)殖環(huán)境[10]。張恩迪等基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)了一套農(nóng)田信息采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了對蟲害的智能化的監(jiān)控[11]。另外，物聯(lián)網(wǎng)還可以作為環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，為精準農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)的推廣普及提供保障[12-13]。

設(shè)施農(nóng)業(yè)是設(shè)備和技術(shù)密集型的生產(chǎn)模式，整個系統(tǒng)中安裝大量的傳感器，因此適宜利用物聯(lián)網(wǎng)進行監(jiān)控。張開生等通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)大棚作物生長環(huán)境的實時監(jiān)測和控制，具有較高的實用性和可靠性[14]。王君君等利用物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議將各種設(shè)備連接在一起，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行穩(wěn)定、簡單實用，能夠完成對設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境的遠程實時監(jiān)控[15]。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一個農(nóng)業(yè)設(shè)施群的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。工作時，傳感器采集環(huán)境信息，經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理器，分析后發(fā)出操作指令，使各項環(huán)境參數(shù)保持在設(shè)定的范圍內(nèi)以保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的正常進行。

1 總體設(shè)計

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由信息感知層、信息傳輸層和應(yīng)用管理層3個部分組成，如圖1所示。信息感知層布署在需要監(jiān)控的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，包括各型傳感器用于監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)信息，操作執(zhí)行裝置用于控制環(huán)境條件。傳感器采集的數(shù)據(jù)信息匯聚到路由節(jié)點，通過信息傳輸層的ZigBee無線通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸給應(yīng)用管理層。應(yīng)用管理層包括處理器和存儲器，可以接收數(shù)據(jù)信息并進行分析和存儲，然后根據(jù)分析的結(jié)果形成控制指令?？刂浦噶罱?jīng)過無線通訊網(wǎng)絡(luò)傳回信息感知層，驅(qū)動操作執(zhí)行裝置進行相應(yīng)的控制操作，實現(xiàn)對環(huán)境因子的調(diào)節(jié)。

圖1 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計Fig.1 Overall design of environmental monitoring system

2 組成部分

以農(nóng)業(yè)溫室作為設(shè)施平臺，所安裝的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)具有對溫度、光照強度、土壤含水量和蟲害的監(jiān)測和控制功能。各個功能在信息感知層上對應(yīng)的傳感器和控制裝置不同，但使用共同的信息傳輸層和應(yīng)用管理層。

2.1 信息感知層

JCJ109型傳感器用于采集溫室內(nèi)的溫度，武漢中科能慧NHZD10型傳感器用于采集光照強度，SWR-100型傳感器用于采集土壤的含水量，DATA-LYNX型計數(shù)傳感器通過昆蟲飛行撞擊產(chǎn)生的脈沖信號記錄害蟲數(shù)量。這些傳感器采集的環(huán)境信息由AD6673型模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)碼信號后匯聚到路由節(jié)點。所有的傳感器都采用標(biāo)準的RTU通訊協(xié)議，支持RS232和RS485輸出接口。

當(dāng)溫室中的溫度、光照強度、土壤含水量和害蟲數(shù)量超過設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)便啟動執(zhí)行裝置，對環(huán)境進行控制。當(dāng)溫度過高時，啟動風(fēng)扇通風(fēng)降溫；溫度過低時，則啟動加熱器。當(dāng)光照強度過低時，啟動植物補光燈；光照強度過高時，則展開遮陽網(wǎng)。當(dāng)土壤含水量過低時，通過GAG型多用途電磁閥開啟出水口，灌跑馬水使其自然落干。出水口上安裝DN150型水表，精確記錄灌溉量。當(dāng)監(jiān)測到害蟲數(shù)量超過閾值時，開啟云飛YF-WL-40型殺蟲燈，利用機械振頻式高壓電網(wǎng)殺蟲。操作執(zhí)行裝置由電磁閥、繼電器和步進電機控制開啟或關(guān)閉，控制指令來自于路由節(jié)點，通過DAC7631E型數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為可以識別的模擬信號，信息感知層的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 信息感知層的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of information sense layer

2.2 信息傳輸層

信息傳輸層將信息感知層采集的信息傳輸給應(yīng)用管理層，同時將控制指令反向傳輸，是二者之間連接的橋梁。有線傳輸需要鋪設(shè)線路，會增加農(nóng)業(yè)設(shè)施的復(fù)雜程度，維護成本也較高，因此采用無線傳輸?shù)姆绞健Ｔ赪iFi、藍牙和ZigBee這3種常用的無線通信方式中選擇ZigBee技術(shù)，其通信距離較遠，抗干擾能力強。ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)采用樹形組網(wǎng)的方式，每個端口通過4G移動網(wǎng)絡(luò)與20個信息感知終端連接。通信的基站為固定式，可以接收4G網(wǎng)絡(luò)信號發(fā)送給應(yīng)用管理層，信號的有效距離達到5km，足夠覆蓋整個溫室區(qū)域。路由節(jié)點將匯聚的數(shù)據(jù)信息傳輸給ZigBee終端節(jié)點，ZigBee節(jié)點自行選擇優(yōu)化的通信路徑將信息傳輸給協(xié)調(diào)節(jié)點，最終到達應(yīng)用管理層。

2.3 應(yīng)用管理層

應(yīng)用管理層的計算機為聯(lián)想揚天4000型臺式電腦，配置Intel i7中央處理器、16G內(nèi)存、2T硬盤和LS2223WC型顯示器，利用USB2.0接口進行連接，如圖3所示。安裝的軟件為Windows10操作系統(tǒng)，能在操作界面上實時顯示采集的數(shù)據(jù)，并對系統(tǒng)參數(shù)和執(zhí)行裝置的啟動閾值進行設(shè)定。處理器為聯(lián)想X3550 M5型服務(wù)器，配置16GB的DDR4內(nèi)存和300GB硬盤，可以根據(jù)專家經(jīng)驗和知識對采集的信息進行分析，形成專家決策和控制指令。處理器還存儲系統(tǒng)采集的所有信息和專家綜合數(shù)據(jù)庫和知識數(shù)據(jù)庫，綜合數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)信息的推理過程和計算公式，知識數(shù)據(jù)庫是農(nóng)產(chǎn)品生長規(guī)律、養(yǎng)分需求量和病蟲害發(fā)生規(guī)律等信息。農(nóng)業(yè)設(shè)施的管理人員可通過移動4G網(wǎng)絡(luò)在手機等移動終端上遠程查看數(shù)據(jù)信息，并對系統(tǒng)進行參數(shù)調(diào)整和狀態(tài)控制。當(dāng)監(jiān)測到的環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常， 長時間偏離設(shè)定值的情況下， 處理器啟動溫室的報警裝置，并向移動終端發(fā)出提示短信。

圖3 應(yīng)用管理層的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of application and management layer

3 功能測試

溫室中種植茄子、辣椒、黃瓜和西紅柿4種蔬菜，利用基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)進行溫度、光照強度、土壤含水量和害蟲數(shù)量的監(jiān)控，并測試系統(tǒng)的功能。根據(jù)各蔬菜的最適生長條件設(shè)定環(huán)境因子的閾值，然后記載系統(tǒng)監(jiān)控所獲得的實際值。測試的結(jié)果如表1所示。

表1 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的測試效果Table 1 Testing effect of environmental monitoring system

由表1可知：系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)定值對溫室內(nèi)的溫度、光照強度、土壤含水量和害蟲數(shù)量進行準確地監(jiān)測和控制，各環(huán)境因子都維持在蔬菜最適合的生長條件范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一個農(nóng)業(yè)設(shè)施群的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，由信息感知層、信息傳輸層和應(yīng)用管理層3個部分組成。其中，信息感知層監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)，通過信息傳輸層的ZigBee無線通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸給應(yīng)用管理層；應(yīng)用管理層接收數(shù)據(jù)并進行分析和存儲，然后根據(jù)分析的結(jié)果形成控制指令，驅(qū)動操作執(zhí)行裝置進行相應(yīng)的控制操作。在溫室中利用該系統(tǒng)對4種蔬菜種植環(huán)境中的溫度、光照強度、土壤含水量和害蟲數(shù)量進行監(jiān)測和控制，能夠根據(jù)設(shè)定值進行準確的監(jiān)測和控制，各環(huán)境因子都維持在蔬菜最適的生長條件范圍內(nèi)。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)可以應(yīng)用在設(shè)施農(nóng)業(yè)中，實現(xiàn)對環(huán)境的實時監(jiān)測和精確控制。