基于物聯(lián)網技術的果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)探究

馬麗紅　高茜茜　常勇　于蕾

摘 要：果園環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測能夠為規(guī)模化果園的生產提供有益的參考和依據。基于物聯(lián)網技術的果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，采用多種傳感器監(jiān)測果園環(huán)境參數(shù)，并通過4G網絡傳輸至服務器端進行分析、處理，可以為精準果業(yè)生產提供幫助。

關鍵詞：物聯(lián)網;果園環(huán)境監(jiān)測;智能采集節(jié)點

中圖分類號：S126

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190715008

我國果業(yè)在農業(yè)中占據著關鍵地位，同時果業(yè)的發(fā)展也與廣大果農的利益息息相關。最近幾年，逐漸成熟的物聯(lián)網技術越來越多地應用于精準農業(yè)生產和品質管理[1]。通過傳感器信息采集、多元數(shù)據融合以及物聯(lián)網等多種技術的結合，在果園中建設監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測果樹生長環(huán)境[2]，實現(xiàn)農業(yè)生產過程的自動化、智能化、科學化管理。光照、溫度、土壤和水分等環(huán)境條件都會影響果樹的生長和水果的發(fā)育。但是對這些環(huán)境信息的大規(guī)模采集和不間斷監(jiān)測產生了大量冗雜的信息，因此增加了數(shù)據處理和管理的難度，需要較高的投資成本。在傳統(tǒng)果園中，果樹的生長、種植以及病蟲害的判斷是通過人工進行管理和監(jiān)測的，不僅耗費人力物力，而且依賴于果農的經驗，帶來了不確定性和不穩(wěn)定性。隨著物聯(lián)網、傳感器和通信技術的飛速發(fā)展，實現(xiàn)果園數(shù)字化、信息化是未來發(fā)展的趨勢，對果園各種環(huán)境數(shù)據、果樹生長相關數(shù)據進行實時監(jiān)測、智能分析具有重要意義[3，4]。

作為一個傳統(tǒng)的農業(yè)大國，我國農業(yè)生產離數(shù)字化和信息化管理還有很長的路要走，針對以往水果生產的環(huán)境監(jiān)測方法留存的數(shù)據復雜、采集難度高、監(jiān)測效率低下、造價及維護費用高昂的問題，本文利用物聯(lián)網技術，結合低延遲、采集范圍廣的傳感器通過無線的方式組成傳感器網絡并接入互聯(lián)網，設計并開發(fā)了一個基于物聯(lián)網技術的果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

1 基于物聯(lián)網的果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結構

在果樹的生長過程中，氣候和環(huán)境因素起關鍵性作用，可以直接影響果園的年總產量和果品的質量[5]。因此，為實現(xiàn)果園管理的自動化、智能化，實現(xiàn)高產高質量的目標，對諸如光照、空氣溫濕度和土壤溫濕度等影響果樹生長發(fā)育的條件變量進行及時精確地監(jiān)控是十分必要的。果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的拓撲結構如圖1所示：

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)基于多種環(huán)境傳感器采集環(huán)境數(shù)據，并將數(shù)據通過網絡上傳至采集服務器，在Web端和APP端查詢和管理環(huán)境數(shù)據。系統(tǒng)總體結構分為：數(shù)據層、服務層、應用層，如圖2所示。

1.1 數(shù)據層

數(shù)據層是物聯(lián)網的基礎層，通過多種感知終端實現(xiàn)對物聯(lián)網內果園信息的多方面采集，包括土壤含水量、空氣溫濕度、CO2濃度、光照強度等重要環(huán)境參數(shù)。這些信息將被智能采集節(jié)點接收，對其進行統(tǒng)一解析并處理后，通過網絡上傳至服務器存儲。

1.2 服務層

服務層主要對實時采集的果園環(huán)境參數(shù)進行分析、處理，并保存至數(shù)據庫服務器進行持久化存儲。應用服務器接收數(shù)據請求并進行相關的業(yè)務處理，最終將結果返回給終端用戶。

1.3 應用層

應用層通過Web和APP 2種方式為各種用戶提供可視化展示，幫助科學種植，使用戶能夠更方便、直觀的使用本系統(tǒng)。

2 果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的技術選擇

果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵技術包括3個部分：采集環(huán)境監(jiān)測數(shù)據、對采集的數(shù)據進行傳輸和有效處理以及果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應用。智能采集節(jié)點與環(huán)境傳感器通過串口通訊方式采集數(shù)據，最終通過4G網絡將數(shù)據傳輸?shù)綌?shù)據采集服務器。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所要處理的數(shù)據通常具備以下特點：種類多、數(shù)量大、實時性等，因此，本文設計開發(fā)的服務器采用異步I/O模型，實現(xiàn)自動接收與存儲環(huán)境數(shù)據，同時可較好的應對數(shù)據量大及并發(fā)上傳的情況。果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)以Web和APP 2種訪問方式為果農、專家和管理員提供查詢和管理數(shù)據服務。

3 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)所需的硬件環(huán)境主要包括土壤PH值傳感器，空氣溫濕度、二氧化碳濃度以及光照綜合傳感器，土壤溫濕度傳感器。軟件開發(fā)工具是MyEclipse和Android Studio。MySQL數(shù)據庫主要用來存儲環(huán)境數(shù)據，并實現(xiàn)數(shù)據的持久化。

通過采集單個節(jié)點的pH值、二氧化碳濃度和土壤溫度數(shù)據，我們對系統(tǒng)的整體功能進行測試。測試所用智能采集節(jié)點和傳感器如圖3所示。

果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對果園多種環(huán)境數(shù)據的查詢，并對數(shù)據進行可視化分析。土壤pH值、土壤溫度與空氣溫度的變化曲線分別如圖4（a）、圖4（b）所示。當果園專家需要查看數(shù)據變化曲線時，首先進入Web監(jiān)測管理應用系統(tǒng)，選擇空氣溫度數(shù)據，系統(tǒng)將空氣溫度數(shù)據以折線圖形式進行可視化。用戶也可以輸入特定的位置查看某一區(qū)域內的溫度數(shù)據，同時，用戶也可以選擇時間，查詢某一時間范圍內的溫度數(shù)據變化。

4 結束語

本文設計開發(fā)的基于物聯(lián)網技術的農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括數(shù)據層、服務層、應用層3個部分，具有實時性、自動化、連續(xù)性等特點，可以很好的解決傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測中面臨的數(shù)據采集困難、實時性差等問題。系統(tǒng)已經在某果品基地投入使用，從使用效果來看，該系統(tǒng)運行良好，可以使管理者實時、準確地掌握各種環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)了大面積果園的自動化、智能化管理。

參考文獻

[1] 張永華. 農業(yè)物聯(lián)網技術應用及創(chuàng)新發(fā)展策略[J]. 農業(yè)與技術， 2018， 38（10）：247.

[2] 王文山， 柳平增， 臧官勝，等. 基于物聯(lián)網的果園環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J]. 山東農業(yè)大學學報（自然科學版）， 2012， 43（2）：239-243.

[3] 楊常捷， 劉任任. 基于物聯(lián)網的智慧大棚種植系統(tǒng)的研究[J]. 計算技術與自動化， 2018， 37（03）：155-159.

[4] 王家農.農業(yè)物聯(lián)網技術應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢研究[J].農業(yè)網絡信息，2015（9）：18-22.

[5] 常勇. 基于4G網絡的果園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].西安理工大學，2018.

作者簡介：

馬麗紅 （ 1977-） ，女，大學本科，園藝師，研究方向： 果品質量控制、果品采后保鮮等。