基于物聯網的溫室大棚智能監測控制系統

付克蘭

摘 要：基于物聯網的溫室大棚智能監測控制系統使用了氣體傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器、紅外感應傳感器等，高精度測量農業生產過程中的各種參數，智能控制溫室內溫度、濕度及通風狀況等，自動實現保溫、保濕和數據記錄，監控溫室內部環境。該文研究的主要內容是構建溫室大棚智能環境監測系統，設計了系統的技術總體架構、主要模塊及主要功能。

關鍵詞：物聯網 智能大棚 技術架構 模塊 功能

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（b）-0143-02

1 物聯網概念

物聯網是通過射頻識別（RFID）卡、無線傳感器等信息傳感設備，按傳輸協議，以有線和無線的方式把任何物品與互聯網相連接，運用云計算等技術進行信息交換、通信等，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理等功能的一種網絡。物聯網是在互聯網的基礎上，將用戶端延伸和擴展到任何物品與物品之間。物聯網中，物品（商品）能夠彼此“交流”，無需人的干預。其實質是利用射頻識別等技術，通過互聯網實現物品（商品）的自動識別和信息共享。

智能農業是運用遙感遙測技術、全球定位系統技術、地理信息系統技術、計算機網絡技術等技術，與土壤快速分析、自動灌溉、自動施肥給藥、自動耕作、自動收貨、自動采后處理和自動存儲等智能化農機技術相結合的新型農業生產方式。

2 溫室大棚智能監測控制系統

2.1 系統技術架構

基于物聯網的溫室大棚智能監測系統的核心是ZigBee路由器和嵌入式網關，兩者通過ZigBee協調器傳遞信息。用戶通過GPRS模塊、無線路由器等設備與系統交互；系統通過ZigBee路由器獲取各個傳感器節點信息，并通過執行節點控制繼電器調節農業環境。結合農作物與物聯網技術的特點，從技術架構上來看，主要由感知層、網絡層、應用層組成。

感知層由各種傳感器以及傳感器網關構成，包括二氧化碳濃度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、二維碼標簽、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端；主要用來采集大棚農業種植現場的土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照強度、土壤pH值等重要環境參數。網絡層由網絡管理系統和云計算平臺等組成。

應用層位于該系統最高層，主要包括各種管理設備、顯示設備，是物聯網和用戶（包括人、組織和其他系統）的接口，實現物聯網的智能應用。

2.2 系統設計原理

溫室大棚智能監測控制系統通過據實際情況部署以Zigbee節點為基礎的無線傳感網絡作為感知層，實時采集溫室內溫度、濕度、光照強度、土壤溫度、土壤濕度、土壤p H值、葉面溫度、露點溫度等重要環境參數，并通過Zigbee與GPRS異構網絡融合作為網絡層，將采集到的信息參數有效、可靠地傳輸到監測信息中心，監測信息中心作為整個系統的頂端，以組態軟件為基礎構成系統應用層，通過數據庫存儲及網絡交互達到信息共享的目的。用戶可通過電腦、手機訪問監測系統WEB界面，掌握農作物生長、環境等實時動態信息。

2.3 系統主要模塊

2.3.1 氣體監控管理模塊

氣體監控管理模塊采用的是電阻式半導體氣體傳感器，它是氣體監控管理模塊的核心，安裝在探測頭內。主要用到的氣體傳感器是氧氣傳感器、CO2傳感器等，通過它們，實時監控氣體濃度，由嵌入式網關將數據發送給用戶，當發現氣體濃度不符合要求時，采用通風、換氣等方法來調整，達到適合農作物生長的最優濃度。

2.3.2 溫濕度監控管理模塊

通過溫濕度傳感器檢測環境溫度和濕度。農作物在生長過程中，當環境溫濕度不滿足要求時，通過加熱器和加濕器進行調節。

2.3.3 光照度監控管理模塊

農作物在生長過程中，光照是比較重要的。光照的監控對智能農業具有重要意義。光照度監控管理模塊采用光敏電阻采集光照度信息。

2.3.4 紅外感應管理模塊

紅外感應管理模塊用專門設計的傳感器針對性地檢測普通人體發射的特定波長的紅外線。一旦有人進入探測區域，當人體紅外線照射到傳感器后，因熱釋電效應，將向外釋放電荷，后續電路經檢測處理后產生控制信號。

2.4 系統主功能

2.4.1 種植環境數據監測

高精度地測量溫室大棚生產過程中溫室內溫度、濕度、光照強度、土壤溫度、土壤濕度、土壤含水量等數據參數進行分析處理，通過有線或無線網絡傳遞給數據處理系統，智能控制溫室內溫度、濕度及通風狀況等，自動實現保溫、保濕和歷史數據記錄，并以直觀的圖表和曲線的方式顯示給用戶。

2.4.2 錯誤報警

系統設定溫濕度等報警閾值。當出現被監控點位數據異常時，可自動發出報警信號。報警方式包括現場多媒體聲光報警、網絡客戶端報警、手機短信息報警等。上傳報警信息并進行本地及遠程監測，系統可在不同的時刻通知不同的值班人員。

2.4.3 種植視頻監控

在育秧階段，用戶隨時隨地通過3G手機或PC遠程訪問的方式查看大棚內部的視頻監控圖像，對農作物生長進程進行遠程監控。

2.4.4 設備管理

用戶在任何時間、任何地點通過手機或電腦，均可查看室內所有自動化設備的運行狀態，并可以進行遠程自動化控制和管理。（1）控制加濕器功能。如果大棚內空氣濕度小于設定值，系統自動啟動加濕器；達到設定值后，停止加濕。（2）控制加熱器，給環境升溫的功能。當溫室內溫度低于設定值時，系統能自動啟動加熱器來升溫，直到溫度達到設定值為止。（3）控制風扇功能。系統能自動開啟風扇加強通風，為植物提供充足的CO2。

2.4.5 數據查詢

可查看大棚的實時種植數據信息，包括大棚編號、種植品種、空氣溫濕度、光照強度、土壤溫濕度、日照數情況，可通過選擇大棚的名稱、種植蔬菜的品種等進行數據查詢篩選。

2.4.6 種植分析

系統將采集到的數值進行對比分析，對比相同作物在各大棚的長勢及生長情況（視頻圖像對比，分析種植環境因素對蔬菜的長勢和產量的影響，形成科學化、低成本種植，提高蔬菜的產量和品質。

2.4.7 數據分析和統計匯總

系統將采集到的數值通過直觀的形式向用戶展示時間分布狀況和空間分布狀況，提供日報、月報等歷史報表。

2.4.8 安防監測

當大棚周邊有人出現，安防信息采集節點向主控中心發送信號，同時報警。

3 結語

智能農業包括互聯網、移動互聯網、云計算和物聯網技術等，依托部署在農業生產現場的環境溫濕度、土壤水分、氧氣和二養化碳濃度、紅外感應等各種傳感節點和無線通信網絡、實現農業生產環境的智能感知、智能預警、智能決策、智能分析、專家在線指導，為農業生產提供精準化種植、可視化管理和智能決策。

參考文獻

[1] 叢林.基于技術、應用、市場三個層面的我國物聯網產業發展研究[D].遼寧大學，2016.

[2] 黃迪.物聯網的應用和發展研究[D].北京郵電大學，2011.

[3] 施苗苗.基于物聯網的設施農業遠程智能化信息監測系統的開發[D].太原理工大學，2016.