基于物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)研究

邢玲玲

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術學院，甘肅武威，733006）

0 引言

目前，溫室大棚在我國的發(fā)展勢頭猛烈，智能溫室大棚已廣泛出現(xiàn)在山東、新疆、安徽等地，溫室大棚的智能化以及信息化的集中化管理，可進行自動化操作并監(jiān)控大棚內的溫度、濕度和通風，從而降低人工成本以及人工工作強度。本文在物聯(lián)網(wǎng)技術的基礎上，設計關于溫室大棚智能在線監(jiān)控系統(tǒng)。一方面可以實施并遠程監(jiān)測大棚內土壤的溫、濕度、二氧化碳濃度以及空氣的溫濕度，同時也可以遠程操控灌溉裝置精準灌溉作物，為作物的生產(chǎn)質量保駕護航。

1 物聯(lián)網(wǎng)概念

物聯(lián)網(wǎng)所具有的功能包含智能識別、智能定位跟蹤以及智能監(jiān)控管理、而且功能的實現(xiàn)需要借助射頻識別卡、無線傳感器等硬件設備，輔之云計算技術，參照傳輸協(xié)議，使用有線或無線的方式，從而實現(xiàn)物品和互聯(lián)網(wǎng)之間信息的交換通信。與互聯(lián)網(wǎng)不同的是，物聯(lián)網(wǎng)不需要人工的介入，便可實現(xiàn)物品和物品之間的識別信息共享和交流，其本質接觸的便是射頻識別技術。

智能農(nóng)業(yè)內涵在于將智能化農(nóng)機技術以及遙感遙測技術、全球定位系統(tǒng)技術、地理信息系統(tǒng)技術、計算機網(wǎng)絡技術等技術集為一體，所形成的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[1]。

2 系統(tǒng)總體方案

■2.1 功能設計

本文所設計的智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)，需要滿足以下幾個功能：第一，也是能夠有效的監(jiān)測種植環(huán)境數(shù)據(jù)，包含溫度、濕度、光照、土壤、溫濕度以及含水量等數(shù)據(jù)，收集作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)信息，傳感器所測的數(shù)據(jù)在無線網(wǎng)絡的幫助下傳輸至系統(tǒng)內部，從而對信息進行儲存，分析并通過圖表曲線的形式展現(xiàn)給用戶；第二，便是錯誤報警功能，一般的報警方式包含手機短信報警、多媒體聲光報警，從而能夠有效監(jiān)控大棚內部異常狀況，值班人員在獲取異常信號之后，可進行遠程控制，解除報警；第三，系統(tǒng)在不借助人工的情況下，可自動化灌溉作物；第四，將數(shù)據(jù)進行無線數(shù)據(jù)傳輸；第五，運用低成本設計簡單的操作界面，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定并加強其實用性；第六，可以對加濕器、加熱器以及風扇等系統(tǒng)內部設備進行管理。例如，當大棚內部的空氣濕度、溫度偏離設定值時，系統(tǒng)可啟動加濕器和加熱器，恒定大棚內部溫濕度，同時開啟風扇，加快大棚內部空氣流通；第七便是可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、分析和匯總。在系統(tǒng)的幫助下，可以實時了解大棚內部空氣溫濕度、工作強度等相關數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)整理成日報、月報以及其他報表的形式，直觀展現(xiàn)給用戶方便用戶對比分析采集數(shù)據(jù)，分析作物的生長狀況進而做出合理判斷，提升作物的產(chǎn)量和品質[2]。

■2.2 系統(tǒng)總體結構

傳統(tǒng)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用有線數(shù)據(jù)傳輸方式，該方式需要高額的成本進行維護，且傳輸數(shù)據(jù)不精準穩(wěn)定，影響作物種植。因此本文所設計的監(jiān)控系統(tǒng)設置多個傳感器節(jié)點，且每個傳感器之間的距離不能太近，并采用LoRa無線技術進行數(shù)據(jù)傳輸，且該技術成本低，傳輸過程穩(wěn)定，可以為作物種植提供優(yōu)質精準數(shù)據(jù)。智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)整體運用星型拓撲結構，組成部分為感知層、網(wǎng)絡層、應用層三大部分。

圖1 溫室大棚智能監(jiān)控與灌溉控制系統(tǒng)的總體結構

感知層作用在于可以利用LoRa無線技術在對作物生長狀態(tài)進行實時監(jiān)控的同時，有效獲取溫室大棚內環(huán)境變化參數(shù)數(shù)據(jù)，該部分由二氧化碳傳感器、土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照傳感器、監(jiān)控攝像頭、灌溉裝置共同構成；感知層采集信息輸入到網(wǎng)絡層，并由網(wǎng)絡層將信息傳輸至應用層ARM服務器，該部分包含GPRS、Internet 網(wǎng)；應用層主用作用在于通過MySQL數(shù)據(jù)庫、農(nóng)業(yè)專家?guī)臁RM服務器、系統(tǒng)終端的幫助，接收來自于ARM服務器的作物參數(shù)數(shù)據(jù)，并存儲于MySQL數(shù)據(jù)庫，農(nóng)業(yè)專家?guī)焱ㄟ^比對分析數(shù)據(jù)，從而得出適宜的灌溉策略。其中，作為系統(tǒng)終端的用戶，可通過指定的IP地址訪問服務器控制中心，進而通過指令的發(fā)送，獲取關于大棚內部的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)[3]。

3 系統(tǒng)的硬件設計

■3.1 傳感器節(jié)點

感知層硬件中最為重要的便是傳感器節(jié)點的設計。其結構由L0Ra無線采集模塊、CO2、光照、土壤溫濕度、空氣溫濕度傳感器以及電源模塊組成。圖2便是傳感器節(jié)點流程圖。

圖2 傳感器節(jié)點流程圖

（1）LoRa 無線采集模塊

本文所使用的LoRa無線采集模塊型號為SX1212，產(chǎn)自美國SEMTECH公司。該模塊的優(yōu)勢在于在保持低功耗的基礎上，可以排除各種干擾，借助300MHz擴展到510MHz廣闊頻率傳輸范圍，穩(wěn)定將信息進行遠距離的傳輸。此外，該模塊在系統(tǒng)中的作用是匯總來自于不同傳感器的數(shù)據(jù)輸送到網(wǎng)關。

（2）傳感器的選擇

由于溫室大棚內傳感器節(jié)點與傳感器是配套搭配的，因此需要使用多個傳感器滿足智能監(jiān)控系統(tǒng)需求。為改善此類現(xiàn)象，可使用來自于建大仁科企業(yè)的生產(chǎn)的不同類型的傳感器，滿足監(jiān)測空氣溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度、土壤濕度的要求。首先，空氣溫濕度、光照強度的實時監(jiān)控，可采用該公司的三合一傳感器，其擁有10～30 V的直流電以及0.4W的功耗，并在測量后，得出空氣溫、濕度、光照強度測量精度為±0.5 ℃、±3%、±7%；傳統(tǒng)的二氧化碳濃度監(jiān)測采用半導體傳感器，但是隨著后期的使用開始出現(xiàn)低檢測精度的問題，因此逐漸淘汰該傳感器轉而使用485型CO2傳感器，監(jiān)測溫室大棚內CO2濃度變化范圍，其功耗以及直流供電為0.4 W、10～30 V，所測得的CO2精度為±40×10-6；HSTL型土壤濕度傳感器采用316l不銹鋼制成，目的在于防止潮濕的土壤環(huán)境對探針的侵蝕，該傳感器可以采集-40～80℃范圍內的土壤濕度，采用5～24伏的供電電壓，0～100%的水分量程，土壤濕度在經(jīng)過檢測之后測量精度達到±2%[4]。

（3）組網(wǎng)方式

系統(tǒng)當中的LoRa無線采集模塊擁有多個傳感器節(jié)點，并且所有的傳感器圍繞該模塊呈現(xiàn)星形網(wǎng)絡結構。該種組網(wǎng)結構的優(yōu)勢在于上手簡單、容易操作可以快速構成網(wǎng)絡，同時也可以在短時間內完成數(shù)據(jù)的傳輸。每個節(jié)點向中心點傳輸數(shù)據(jù)，不需要受到時間的限制。其中當多個節(jié)點將信息同步發(fā)送至中心點時引發(fā)的數(shù)據(jù)擁堵問題，可借助自動調平以及速率自適應技術進行妥善地解決，避免數(shù)據(jù)突出概率數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定的問題，有效采集農(nóng)業(yè)信息，為作物的生長提供精準的數(shù)據(jù)保障。

圖3 星型組網(wǎng)方式

圖4 灌溉裝置結構圖

（4）灌溉裝置

本文當中的灌溉裝置所選用的是新為誠微型水泵，開水泵電流和電壓分別為15A以及24V，開口流量一分鐘可達到16L。灌溉裝置在設計的過程當中需要分為兩路:一路是肥液路，而另一路則是水路。首先前者肥液路底端連接出水口，且自下而上分別設置有電動閥門、水過濾器、抽水液泵、手動閥門、流量計、止回閥，并包含4個肥液罐；而后者的水路控制系統(tǒng)同樣也設置有流量計、止回閥等硬件部分，該系統(tǒng)的灌溉流程為：自來水經(jīng)水泵抽取進入管道并進行過濾，過濾后的自來水會流經(jīng)流量計以及水路止回閥到達肥液路，兩者充分融合形成混合水肥，流經(jīng)壓力機和電動閥，最終由水肥混合管道排出進入滴灌帶灌溉作物[5]。

（5）控制節(jié)點

控制節(jié)點與控制器連接，本文監(jiān)控系統(tǒng)采用具有良好兼容性以及性能的STM32F407微控制器，同時還輔助有LoRa 無線模塊、穩(wěn)壓器模塊、繼電器模塊和電源模塊。能夠在降低功耗的同時，加快處理數(shù)據(jù)的步伐。控制器分為自動開關控制以及手動操控兩種不同的啟停方式。前者關于閥門以及水泵的自動控制，需借助微控制器板子下的繼電器、固態(tài)繼電器控制，將來自于傳感器的數(shù)據(jù)傳輸至服務器中，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫會將大棚數(shù)據(jù)與庫內數(shù)據(jù)進行對比決策；后者的可通過控制器上的按鈕手動操控閥門與水泵[6]。

■3.2 網(wǎng)關節(jié)點設計

網(wǎng)關節(jié)點的設計采用GPRS模塊，主要負責數(shù)據(jù)傳輸任務，同時也可實現(xiàn)信息的遠距離輸送。該節(jié)點一方面可以將監(jiān)控終端所發(fā)出的灌溉控制指令傳輸至控制節(jié)點，另一方面也可以向服務器傳達來自傳感器的數(shù)據(jù)信息。

圖5 網(wǎng)關節(jié)點設計

4 系統(tǒng)軟件設計

■4.1 數(shù)據(jù)庫的存儲與發(fā)送

因需要實時監(jiān)控溫室大棚的環(huán)境，因此便需系統(tǒng)具備超強的數(shù)據(jù)存儲庫，方便信息的儲存。因此本文選擇使用MySQL 數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫空間龐大，可滿足溫室大棚監(jiān)控要求。與此同時，為了方便數(shù)據(jù)的查詢，可根據(jù)數(shù)據(jù)的不同種類建立表格進行分類存儲；系統(tǒng)與用戶終端手機連接，可將監(jiān)控信息通過短信的方式通知用戶，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。

■4.2 監(jiān)控軟件設計

系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖7所示，此次設計的監(jiān)控系統(tǒng)采用Delphi7.0監(jiān)控軟件，同時并配置MySQL數(shù)據(jù)庫。該軟件界面不僅可以觀看作物生長趨勢、歷史數(shù)據(jù)、水肥配比、水泵控制數(shù)據(jù)，同時還具人性化的種植技術指導模塊，以及智能自動化遠程灌溉施肥控制功能。而農(nóng)戶對各功能模塊的查看，可設置服務器IP地址連接用戶端與終端通信，用戶借助Internet網(wǎng)絡以及GPRS移動數(shù)據(jù)便可自由訪問主界面，監(jiān)控作物生長狀況。

圖6 系統(tǒng)監(jiān)控界面架構圖

圖7 系統(tǒng)整體監(jiān)控界面圖

5 試驗機結果分析

■5.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

該監(jiān)控系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性，需要參考服務器環(huán)境參數(shù)所形成的趨勢曲線。以1號節(jié)點為例，觀察該節(jié)點在14:00～16:00左右時間所呈現(xiàn)出的光照強度、空氣、土壤相對濕度、空氣、土壤溫度所呈現(xiàn)出的數(shù)據(jù)變化，便可看出該節(jié)點傳輸處于正常的范圍內。再加之空氣溫度以及土壤溫度在24個小時內，所呈現(xiàn)出的曲線圖無明顯跳動和斷點，且曲線一直去平滑的狀態(tài)，因此可以表明該系統(tǒng)具有穩(wěn)定的工作性能[7]。

表1 土壤溫濕度、空氣溫濕度、CO2濃度的數(shù)據(jù)

115:20:471 39839.620.13924.8 115:28:171 28439.620.139.624.9 115:45:051 02739.520.141.824.8 116:07:471 54537.520.242.824.9

■5.2 驗證傳感器采集精度

圖8 監(jiān)控系統(tǒng)連續(xù)24h檢測空氣溫度數(shù)據(jù)曲線

為有效驗證傳感器采集精度的高低，總共選取了4個傳感器節(jié)點，以空氣濕度和土壤相對濕度數(shù)據(jù)為例，對比系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)以及人工所采集的數(shù)據(jù)。根據(jù)下表的最終測試效果，系統(tǒng)具有較小的誤差，采集精度相對較高。

圖9 監(jiān)控系統(tǒng)連續(xù)24h檢測土壤溫度的數(shù)據(jù)曲線

表2 傳感器采集精度測試效果

■5.3 丟包率測試

監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定與否與丟包率有著密切的關聯(lián)。同樣選取4個傳感器節(jié)點，以20分鐘為采集周期，進行為期24個小時數(shù)據(jù)采集并傳至網(wǎng)關。通過此實驗可以驗證，不同的傳感器節(jié)點呈現(xiàn)出不同的丟包率，但是總體丟包率誤差控制在0.45%以內，因此總的來說該系統(tǒng)具有較強的可靠準確性。

表3 丟包率測試效果

6 結論

綜上所述，以物聯(lián)網(wǎng)為基礎所設計的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)，依托物聯(lián)網(wǎng)技術云計算以及無線傳輸技術，借助多個傳感器采集數(shù)據(jù)并傳輸?shù)骄W(wǎng)關，GPRS無線通信和Internet網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸以及人機交互。既可以達到在線監(jiān)測作物生長狀態(tài)以及遠程灌溉的目的，同時也具有智能分析專家在線指導等，智能決策模塊獲取準確數(shù)據(jù)并作出科學決策，提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度，且該系統(tǒng)在未來一定會朝著高穩(wěn)定性以及可靠性的方向發(fā)展[8]。