李延國 黃雷 歐志鵬
摘 要:本文介紹了使用互聯(lián)網(wǎng)對溫室的環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)控和報警管理的系統(tǒng)。其包括移動檢測裝置,數(shù)據(jù)獲取裝置,數(shù)據(jù)接收器,射頻識別接收設(shè)備和數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器。目的是為了監(jiān)控和管理農(nóng)作物在溫室中的生長情況。該系統(tǒng)可以自動收集溫室環(huán)境參數(shù),如空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤溫度和土壤濕度等,而且還會自動分析每個參數(shù),并判斷是否報警,使用ZigBee芯片上的集成無線傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊。采用這套系統(tǒng)提供的檢測裝置,可大大降低對溫室的自動化管理的成本。
關(guān)鍵詞:環(huán)境參數(shù);實時監(jiān)控;數(shù)據(jù)獲取;數(shù)據(jù)接收
中圖分類號:S-1 ? ? ? 文獻標(biāo)識碼:A
DOI:10.19754/j.nyyjs.20190830011
概述
農(nóng)業(yè)與國家經(jīng)濟基礎(chǔ)密切相關(guān),發(fā)揮的作用顯著。我國擁有大量的人口,仍是發(fā)展中國家。目前我國的溫室大棚主要通過人工檢查,其效率非常低下。想要得到溫室如空氣溫度、濕度、光照、土壤溫度和濕度、土壤中無機元素含量等數(shù)據(jù),就必須親自檢查溫度計、濕度指示器或其他設(shè)備。通常是根據(jù)以往的經(jīng)驗管理溫室大棚?,F(xiàn)在國內(nèi)外已經(jīng)有了一些作物自動化管理系統(tǒng),可以提供給農(nóng)民種植智能系統(tǒng)集成服務(wù),如測量、配置、運營和施肥,從而實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)的科學(xué)管理方式。然而,這些智能系統(tǒng)不但體積大,而且非常昂貴且沒有管理農(nóng)作物的批次的功能,也不能提供報警功能。因此很難普及。
盡管也有一些小的溫室施肥和灌溉系統(tǒng),但那些系統(tǒng)往往是單一的,而且僅限于溫室的一個有限的區(qū)域。如果從業(yè)者要檢查或監(jiān)視某些環(huán)境參數(shù),就不得不進入溫室內(nèi),在固定的計算機上操作。一旦離開,就不能得到實時的信息??傊壳叭狈σ环N智能系統(tǒng),使從業(yè)者實時監(jiān)控作物的生長以及生長環(huán)境。此外,目前這些系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)收集單元和處理單元是有線連接的,因此很大程度上降低了那些系統(tǒng)的靈活性。可想而知,如果使用太多的線,如何分布將是一個比較大的問題。
為解決這些問題,運用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對溫室進行監(jiān)控和警報管理,并實時地自動收集數(shù)據(jù),比如:土壤溫度和濕度、空氣溫度和濕度、是否需要施肥、植物的灌溉頻率以及生活環(huán)境是否適合等。如果肥料和水分,或其他部分因素超出適當(dāng)?shù)姆秶鷷r,系統(tǒng)會自動報警給管理人員,報警方式可以使播放1段音樂或者自動發(fā)送警報。此外,該系統(tǒng)還允許用戶設(shè)置1個固定的時間點,一旦時間達到該點,將以用戶設(shè)置的默認方式報警,從而實現(xiàn)了對溫室內(nèi)的作物和花卉的自動化管理。同時,所有的收集和管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)將被存儲在互聯(lián)網(wǎng)中,管理人員可以通過訪問計算機或智能手機隨時隨地了解和掌握所需的信息。此外還可以根據(jù)自己的設(shè)定,通過移動終端獲得語音廣播服務(wù)。管理人員在溫室外面使用移動的檢查裝置,根據(jù)接收的信號將自動地廣播距離最近的溫室內(nèi)農(nóng)作物在生長狀況,從而確定是否要進入溫室。使用這些移動檢測設(shè)備,從業(yè)者甚至沒有必要進入溫室即可掌握農(nóng)作物的生長狀況。所以該系統(tǒng)具有智能,易于操作,靈活多變,而且成本低,功耗低的特點。
1 系統(tǒng)工作原理及操作方法
1.1 ?系統(tǒng)工作原理
采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來管理溫室監(jiān)控和報警管理系統(tǒng)。包括至少1套數(shù)據(jù)處理設(shè)備,可以只是1臺個人計算機或服務(wù)器,用于處理從接收裝置傳來的數(shù)據(jù),比如:空氣溫度、空氣濕度、光照、土壤溫度和濕度等。可以把已經(jīng)處理的數(shù)據(jù)結(jié)果以文本消息、圖形等信息告知你,也會自動地判定是否滿足報警條件。如果滿足報警條件,會提供給用戶多種報警方式,例如,語音警報、文本消息警報、電子郵件警報、記錄報警等。此外,所有收集到的數(shù)據(jù)將被用來生成每日和每月報告。數(shù)據(jù)處理設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接,并設(shè)有從業(yè)者可訪問用戶界面。接收裝置用于接收土壤溫度和濕度,空氣溫度和濕度的數(shù)據(jù),然后將數(shù)據(jù)通過串聯(lián)端口發(fā)送到數(shù)據(jù)處理裝置。數(shù)據(jù)收集單元,負責(zé)收集包括空氣的溫度和濕度等。土壤傳感器,用于實時收集農(nóng)作物“生活環(huán)境”參數(shù),通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到上述數(shù)據(jù)處理裝置。射頻識別設(shè)備,也被稱為電子標(biāo)簽,用于識別1個特定的溫室。巡回檢查設(shè)備可以從中讀取標(biāo)簽信息。
溫室監(jiān)控和報警管理系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)還包括1個終端設(shè)備,用來顯示溫室內(nèi)各種環(huán)境因素。一旦環(huán)境不適合農(nóng)作物生長,終端將播放1首樂曲作為報警。該裝置主要用于面積比較大的溫室,以便于從業(yè)者實時掌握環(huán)境參數(shù)。而在面積較小的溫室中,為了降低成本,不設(shè)有終端,在這種情況下,從業(yè)者直接從數(shù)據(jù)處理裝置中獲得需要的環(huán)境參數(shù)。
該溫室監(jiān)控和報警管理系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備還包括:移動檢測裝置,用于讀取溫室內(nèi)射頻識別設(shè)備的電子標(biāo)簽,以確定1個唯一的標(biāo)簽讀取模塊。無線通信模塊可用于該設(shè)備,通過無線網(wǎng)絡(luò)處理實時數(shù)據(jù),還有1個語音播報模塊,可以用聲音廣播的形式告知管理人員溫室的數(shù)據(jù)和相關(guān)建議。
溫室監(jiān)控和報警管理系統(tǒng),通過互聯(lián)網(wǎng)集中了數(shù)據(jù)處理設(shè)備、接收設(shè)備和移動設(shè)備于1個多功能移動檢測裝置。該裝置包括1個數(shù)據(jù)接收單元、射頻識別讀取模塊、存儲單元、1個數(shù)據(jù)處理單元、通信模塊、輸入/輸出模塊和電源。該射頻識別讀取模塊讀取距離最近的溫室,以確定為唯一的標(biāo)簽。接收的數(shù)據(jù)單元負責(zé)接收傳回的環(huán)境參數(shù)。在接收到數(shù)據(jù)后,將其傳送到處理單元,然后將上述數(shù)據(jù)保存到存儲單元并判斷是否報警。數(shù)據(jù)處理單元將定期在互聯(lián)網(wǎng)上通過通信模塊上傳所有數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器中。輸入/輸出模塊所使用的用戶的配置系統(tǒng),還可以查詢一些相關(guān)的信息,整個裝置由電源供電。
1.2 溫室監(jiān)控和報警管理系統(tǒng)的操作方法
數(shù)據(jù)采集單元實時地收集環(huán)境參數(shù),如空氣溫度、空氣濕度、光照、土壤溫度和土壤濕度等。
接收裝置有規(guī)律地將從收集單元取得的數(shù)據(jù),并將其傳送給處理設(shè)備。
數(shù)據(jù)處理設(shè)備負責(zé)處理接收的數(shù)據(jù),并將其存儲到數(shù)據(jù)庫中,以使其可用于以后的分析和顯示。
數(shù)據(jù)處理裝置負責(zé)分析這些環(huán)境參數(shù)。如果其中任何一項指標(biāo)達到先前設(shè)定的報警值,會激活報警功能,并給出了一些建議。
數(shù)據(jù)處理裝置被連接到互聯(lián)網(wǎng)上,并在用戶界面上提供了一個圖形,用戶可以管理系統(tǒng)和實時監(jiān)測作物地生長和生活環(huán)境因素。
通過遠程計算機從業(yè)者可以通過因特網(wǎng)來訪問數(shù)據(jù)處理設(shè)備,管理系統(tǒng),或者監(jiān)視溫室。
管理人員也可以使用智能手機或其他移動終端,通過通信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)連接到上述的數(shù)據(jù)處理設(shè)備中。
當(dāng)從業(yè)者攜帶移動設(shè)備在大棚周圍巡查時,這些設(shè)備會通過語音信息自動播出距離最近的溫室中的狀況,并進一步提出建議。
2 附圖說明
3 具體實施方案
本方案中該系統(tǒng)的功能主要包括:實時收集,例如:環(huán)境參數(shù)、空氣的溫度、空氣的濕度、光照、土壤溫度和土壤濕度等;自動報警,管理人員根據(jù)收集的數(shù)據(jù),設(shè)置預(yù)設(shè)類型和報警條件;作物信息管理;用戶管理;管理傳感器節(jié)點和其他硬件。
圖1所示為本監(jiān)視和報警管理系統(tǒng)中在互聯(lián)網(wǎng)的整體架構(gòu)下的設(shè)備配置。在該圖中,溫室監(jiān)控和報警管理系統(tǒng)包括:數(shù)據(jù)處理裝置1、接收裝置2、數(shù)據(jù)收集單元3、射頻識別裝置4、終端裝置5、ZigBee網(wǎng)絡(luò)6、遠程計算機7、互聯(lián)網(wǎng)8、移動終端9、通信網(wǎng)絡(luò)10和移動檢測設(shè)備11。收集單元3實時采集環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù),并將它們通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)6發(fā)送到接收裝置2。數(shù)據(jù)接收裝置2,定期將接收的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中,并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的報警條件來判斷是否傳送給報警處理裝置1。連接接收裝置2和處理裝置1通常通過串聯(lián)或USB端口。數(shù)據(jù)處理設(shè)備1通過該遠程計算機7和因特網(wǎng)8或提供用戶界連接,可通過因特網(wǎng)8實時地監(jiān)測作物內(nèi)部溫室生長或管理系統(tǒng)。移動終端9,能夠在通信網(wǎng)絡(luò)上的TD-SCDMA 10訪問由數(shù)據(jù)處理裝置1提供的用戶界面和實時地監(jiān)測溫室內(nèi)部作物生長或管理系統(tǒng)。移動檢查裝置11能夠讀取射頻識別裝置4上的電子標(biāo)簽,以確定1個唯一的溫室,并連通過接到通信網(wǎng)絡(luò)的TD-SCDMA 10中的數(shù)據(jù)處理裝置1。會查詢有關(guān)溫室信息并將它們以語音的方式傳播給從業(yè)者。放置在1個較大的溫室中的終端裝置5可以處理的由接收裝置2傳送的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù),并判斷當(dāng)前環(huán)境是否適合作物的生長,如果沒有達到標(biāo)準,會自動播放1段音樂報警,是從業(yè)者實時了解溫室環(huán)境參數(shù)。
圖2 為溫室內(nèi)部的裝置構(gòu)成,這些設(shè)備包括:接收裝置2、射頻識別設(shè)備4、終端設(shè)備5和傳感器12,多個傳感器12構(gòu)成了1個數(shù)據(jù)收集單元。這些傳感器12實時地收集環(huán)境參數(shù)如空氣的溫度和濕度、光照、土壤溫度和濕度等,通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)6,將其發(fā)送到接收裝置2。接收裝置2中的數(shù)據(jù)通過RS232端口連接到終端設(shè)備5,終端設(shè)備5分析那些環(huán)境參數(shù),并判斷當(dāng)前環(huán)境是否適合作物的生長。射頻識別設(shè)備4識別確定唯一的1個溫室,并保存信息??梢怨臉I(yè)者的移動檢測設(shè)備11隨時讀取。
圖3所示為設(shè)備應(yīng)用于本監(jiān)控和報警管理系統(tǒng)的功能,其功能如下:
數(shù)據(jù)收集,收集模塊負責(zé)實時地采集環(huán)境參數(shù),并將其按照用戶設(shè)置的每個指定的時間間隔,存儲到數(shù)據(jù)庫中的對應(yīng)表中。該模塊可以自動識別并適應(yīng)某些硬件端口,并長期穩(wěn)定運行。
作物信息管理,作物信息包括某些作物的數(shù)量、名稱、位置、施肥時間、開花期、果實期、最佳生長溫度、肥料用量和作物的特性。管理信息包括添加、刪除、修改和查詢作物的信息。
報警管理,報警管理主要分為2個部分:報警信息的管理,報警配置。報警信息管理包括添加,刪除,修改,查詢報警信息。報警配置允許用戶設(shè)置報警模式,其中主要有2個途徑:音樂報警和短信報警。音樂鬧鈴播放1段音樂提示用戶當(dāng)前的環(huán)境不適合某些作物的生長,而短信提醒是用飛信發(fā)送短信(短信服務(wù)提供商)來通知用戶。此外,還有1個默認的日志警報,也就是說該警報日志將被自動存儲在系統(tǒng)日志中,用戶可以隨時查看該報警信息
硬件管理,通過硬件管理模塊用戶可以訪問不同的傳感器節(jié)點等的狀態(tài)信息,查看傳感器節(jié)點是否處于正常工作狀態(tài),電源是否充足,還有傳感器的類型等。硬件信息管理也包括添加新的傳感器節(jié)點,去除傳感器節(jié)點,修改傳感器節(jié)點等信息。
用戶管理,用戶管理模塊負責(zé)管理用戶的信息,為用戶提供1個登錄界面。其主要功能包括添加,刪除,修改和查詢用戶信息和登錄界面。
數(shù)據(jù)收集設(shè)備3通過傳感器12實時地自動收集環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù),如空氣的溫度和濕度、光照、土壤溫度和濕度等,并且將它們傳輸?shù)浇邮昭b置2,接收裝置將定期發(fā)送參數(shù)數(shù)據(jù)到處理設(shè)備1。數(shù)據(jù)處理設(shè)備1將存儲器中的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中,并與先前所設(shè)定的報警值進行比較,來判斷是否得到滿足警報條件。在較大的溫室中,管理人員可以從數(shù)據(jù)處理設(shè)備1的終端設(shè)備5提供的內(nèi)部連接用戶端實時監(jiān)測環(huán)境參數(shù),也可以直接操作數(shù)據(jù)處理設(shè)備1。而在較小溫室中,通過使用因特網(wǎng)8進行遠程連接,可以連接到數(shù)據(jù)處理設(shè)備1中的任何計算機系統(tǒng),來監(jiān)視或管理溫室。同時移動設(shè)備可通過遠程用戶通信網(wǎng)絡(luò)10做同樣的管理。從業(yè)者攜帶移動檢測設(shè)備11在大棚周圍檢查時,這些設(shè)備11會自動檢測溫室中的農(nóng)作物最新的生長環(huán)境因素,通過廣播給管理人員并提出一些建議。
圖4為本系統(tǒng)中移動檢測設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu),其功能如下:
移動檢測設(shè)備包括:射頻識別讀取模塊14,它沿著incepting(不接受)路徑自動搜索,先從最近的溫室的識別裝置開始,再到達指定的1個具體的溫室中;數(shù)據(jù)接收裝置13負責(zé)發(fā)送指令,按要求接收溫室中的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)并將所接收到的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng);數(shù)據(jù)處理裝置16,負責(zé)分析所接收的數(shù)據(jù)是否滿足報警條件;數(shù)據(jù)通訊模塊17負責(zé)和外部進行通訊,數(shù)據(jù)處理裝置16負責(zé)接收發(fā)送的各種信息,定期地上傳給數(shù)據(jù)存儲裝置15;I/O模塊獲取用戶輸入的信號,以執(zhí)行某些操作,并顯示出1個交互式圖形界面;電源為整套移動檢查裝置提供能源。
4 系統(tǒng)特點
互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于溫室的監(jiān)控和報警管理系統(tǒng)時所需的裝置包括:移動的檢測設(shè)備,包括數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、標(biāo)記識別模塊、存儲系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)綜合系統(tǒng)、I/O模塊、電源,還有讀取溫室電子標(biāo)記裝置,可以通過無線網(wǎng)絡(luò)跟蹤指定的溫室,實時監(jiān)測環(huán)境參數(shù),保存數(shù)據(jù),以判斷是否報警。一旦報警條件滿足,移動的檢查裝置,根據(jù)用戶預(yù)先進行的報警設(shè)定,匯總所有的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù),通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器中。
數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)包括空氣的溫度和濕度傳感器,照度傳感器和土壤參數(shù)的傳感器,被放置在溫室中,實時地收集的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)并輸出環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù),通過無線網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)。其中,接收裝置被放置在溫室中,接收環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)并通過無線網(wǎng)絡(luò)或串聯(lián)端口輸出數(shù)據(jù)。標(biāo)記識別設(shè)備也被放置在溫室中,以供移動檢查裝置讀取來自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)時,可以根據(jù)特定溫室標(biāo)記確定是哪一個具體的溫室,數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器用于存儲管理系統(tǒng)所需的環(huán)境參數(shù)的所有數(shù)據(jù),通過互聯(lián)網(wǎng)的用戶訪問界面提供環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。用戶可以登錄服務(wù)器,監(jiān)測農(nóng)作物生活環(huán)境,或通過管理系統(tǒng)訪問其他界面。
該系統(tǒng)包括的數(shù)據(jù)收集裝置和接收裝置之間的聯(lián)絡(luò)使用無線網(wǎng)絡(luò)。
該系統(tǒng)還包括1個終端設(shè)備放置于1個比較大的溫室中,通過終端裝置來處理接收裝置中的數(shù)據(jù),如果環(huán)境參數(shù)被判定為不適合當(dāng)前的作物生長,即會播放1首歌曲作為報警鈴聲,這種方式方便了從業(yè)者實時地控制溫室環(huán)境參數(shù)。
收集裝置包括空氣的溫度和濕度傳感器、照度傳感器和分布式土壤傳感器。
溫室監(jiān)控和警報管理系統(tǒng),其中的移動檢測裝置,根據(jù)功能包括一部分固定裝置,這部分裝置被放置在1個單獨的控制室中。其中,所述固定裝置包括一個數(shù)據(jù)處理設(shè)備,負責(zé)處理移動檢測裝置采集的數(shù)據(jù)、存儲設(shè)備、數(shù)據(jù)通信模塊,還有移動監(jiān)測設(shè)備中的I/O模塊,通過數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息來判斷,是否滿足某些作物種植的要求和是否達到需要報警的要求。固定接收設(shè)備的數(shù)據(jù)和上述移動檢測設(shè)備的數(shù)據(jù)相同,用于接收和傳送收集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)比如:土壤溫度和濕度和空氣的溫度和濕度等,通過該接收裝置的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理設(shè)備和串聯(lián)端口相連,傳送到數(shù)據(jù)處理裝置中。
溫室監(jiān)控和報警管理系統(tǒng),移動檢測設(shè)備從溫室內(nèi)的標(biāo)簽裝置中讀取標(biāo)簽信息,從而確定某一個具體的溫室,并通過移動通信網(wǎng)絡(luò)的TD-SCDMA連接到數(shù)據(jù)處理裝置中查詢溫室的信息,以語音廣播的形式把收集到的信息提供給管理人員。
溫室監(jiān)控和報警管理系統(tǒng),還包括1個路由器,通過以太網(wǎng)連接。具體通過路由器建立1個局域網(wǎng),通過該路由器連接的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)獲得的環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)。
溫室監(jiān)控和警報管理系統(tǒng)還包括1個串聯(lián)端口和溫室監(jiān)控和報警管理系統(tǒng)進行通信。
溫室監(jiān)控和警報管理系統(tǒng)還包括1個實時監(jiān)測系統(tǒng)被放置于溫室中。其中該實時監(jiān)測裝置是1個定時的單片機,其責(zé)任是監(jiān)測實時環(huán)境參數(shù),從收集系統(tǒng)中獲得數(shù)據(jù),并判斷該數(shù)據(jù)是否滿足報警條件,如滿足條件,即通過串聯(lián)主機啟動報警信號??刂浦鳈C相當(dāng)于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和常斷開和接通的引導(dǎo)主機系統(tǒng),以顯示實時監(jiān)視器引導(dǎo)報警信號按照預(yù)先設(shè)定的方式向從業(yè)者報警。其中控制主機和實時顯示器之間通過串口或串聯(lián)USB端口連接。
5 結(jié)論
該系統(tǒng)能夠自動地收集空氣溫度、濕度、光照、土壤溫度、土壤濕度等環(huán)境參數(shù),并判斷參數(shù)臨界值和報警,具有高智能化的特點。該系統(tǒng)使用的ZigBee芯片上集成無線傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊,使其具有低功耗和低成本的特點。在這個系統(tǒng)中的傳感器和接收系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送使用無線傳輸,所以移動方便,操作簡單,易于擴展,并且節(jié)省空間。
總之,使用這套系統(tǒng)來管理溫室大棚效果是顯著的。土壤溫度和濕度、光照、空氣溫度和濕度,還有土壤中的營養(yǎng)含量等數(shù)據(jù)都可以通過互聯(lián)網(wǎng)獲得,并能夠及時地掌握這些參數(shù),同時根據(jù)這些數(shù)據(jù)及時作出調(diào)整,這樣可以保證作物始終生活在一個比較合適的環(huán)境中,以提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。因此,該系統(tǒng)能夠科學(xué)地監(jiān)測作物,幫助農(nóng)民提高收入,并降低溫室大棚的管理成本,使農(nóng)民可以參與實現(xiàn)標(biāo)準化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)。