基于物聯(lián)網(wǎng)的魚(yú)菜共生環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

孫 劍，張 莉

（信陽(yáng)農(nóng)林學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000）

0 引 言

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和技術(shù)革新，一種不同于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的新型復(fù)合耕作體系悄然興起——魚(yú)菜共生。魚(yú)菜共生系統(tǒng)通過(guò)巧妙的生態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將混有魚(yú)類(lèi)排泄物的水抽取到無(wú)土環(huán)境的蔬菜根部，讓蔬菜在無(wú)土情況下充分吸收養(yǎng)分，同時(shí)起到凈化水體的作用，凈化后的水再流回魚(yú)池中，從而實(shí)現(xiàn)養(yǎng)魚(yú)不換水而無(wú)水質(zhì)憂患，種菜不施肥而正常成長(zhǎng)的生態(tài)共生效應(yīng)。這種新型的生態(tài)農(nóng)業(yè)方式需對(duì)多種環(huán)境因素精密監(jiān)控，保證蔬菜、魚(yú)和微生物所構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)的平衡。

目前，大多數(shù)魚(yú)菜共生大棚管理系統(tǒng)還停留在人工觀測(cè)或基于有限通信。人工管理方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)全憑勞動(dòng)經(jīng)驗(yàn)，還不能保證生態(tài)系統(tǒng)一直處于最佳狀態(tài)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究日趨深入，如大田種植、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品物流等方面已有廣泛的研究應(yīng)用[1-3]。但針對(duì)魚(yú)菜共生環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究較少，精準(zhǔn)監(jiān)控環(huán)境參數(shù)是系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件，因此本文開(kāi)展了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的魚(yú)菜共生環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，對(duì)魚(yú)菜共生系統(tǒng)的部分參數(shù)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)，以保證植物、動(dòng)物、微生物的平衡，從而有效解放人工勞力，提高科學(xué)化管理水平，為生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該魚(yú)菜共生環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由信息感知、信息傳輸和信息處理三部分組成。系統(tǒng)首先通過(guò)多種傳感器感知環(huán)境參數(shù)，如空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、魚(yú)池水溫、水溶氧量、pH值等信息，再利用農(nóng)業(yè)信息傳輸技術(shù)中的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)信息傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心。ZigBee技術(shù)是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸技術(shù)中研究最深入、應(yīng)用最廣泛的一種雙向無(wú)線通信技術(shù)，具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、高可靠性、高安全性等特點(diǎn)。GPRS網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)糾錯(cuò)能力，能夠保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性。結(jié)合兩種技術(shù)傳輸感知信息，該系統(tǒng)廣域網(wǎng)采用GPRS技術(shù)通信，局域網(wǎng)采用ZigBee無(wú)線短距離通信。最終在監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行信息處理，發(fā)出監(jiān)測(cè)結(jié)果。魚(yú)菜共生環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 魚(yú)菜共生環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)

2.1 信息感知模塊

針對(duì)魚(yú)菜共生系統(tǒng)的生長(zhǎng)環(huán)境，確定大棚的空氣溫濕度、光照強(qiáng)度，魚(yú)池水溫、水溶氧量、pH值等需要監(jiān)測(cè)的環(huán)境參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)范圍。魚(yú)菜共生溫室大棚占地約半畝，要準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)需大量傳感器節(jié)點(diǎn)，且傳感器節(jié)點(diǎn)要分布在不同的區(qū)域，利用傳感器節(jié)點(diǎn)采集魚(yú)菜共生系統(tǒng)內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)信息。將傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)在大棚或溫室中，傳感器節(jié)點(diǎn)上配備溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器等，節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee模塊進(jìn)行自組網(wǎng)，各節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)作，除了對(duì)信息數(shù)據(jù)收集和處理外，還可轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，各節(jié)點(diǎn)共同完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。

傳感器節(jié)點(diǎn)作為信息感知模塊的重要組成部分之一，其監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響最終的狀態(tài)判斷。傳感器節(jié)點(diǎn)由ZigBee無(wú)線通信芯片CC2430、射頻天線RF、電源模塊和晶振電路組成，負(fù)責(zé)室內(nèi)生態(tài)環(huán)境信息的采集，感知環(huán)境變化，完成大棚內(nèi)環(huán)境信息的采集并將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為射頻信號(hào)發(fā)送到ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中[4,5]。

2.2 信息傳輸模塊

通過(guò) ZigBee短程無(wú)線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)交荆?jīng)封裝后通過(guò)GPRS無(wú)線通信方式發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。擬采用容錯(cuò)性較好的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓，因此該結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的魯棒性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)著魚(yú)菜共生系統(tǒng)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)各類(lèi)傳感器數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行裝置控制的任務(wù)[6]。采用無(wú)線傳輸方式可有效解決有線通信方式存在的難以擴(kuò)展、難以升級(jí)等問(wèn)題，能同時(shí)監(jiān)測(cè)大棚環(huán)境和魚(yú)池水質(zhì)環(huán)境指標(biāo)。

2.3 信息處理模塊

監(jiān)控中心依據(jù)接收到的信息與之前設(shè)定的參數(shù)區(qū)間進(jìn)行比較，一旦超出參數(shù)設(shè)定范圍，便報(bào)警提示，研究人員通過(guò)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可實(shí)時(shí)掌握魚(yú)菜共生系統(tǒng)的環(huán)境狀態(tài)信息。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將為用戶監(jiān)測(cè)魚(yú)菜共生系統(tǒng)的各種環(huán)境參數(shù)，為實(shí)時(shí)保持系統(tǒng)生態(tài)平衡提供數(shù)據(jù)支持。

隨著智能手機(jī)的迅速普及，將智能手機(jī)作為監(jiān)控終端十分便利。本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款基于Android系統(tǒng)的手機(jī)APP軟件，包含魚(yú)菜共生系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊和智能報(bào)警模塊，可根據(jù)具體環(huán)境設(shè)置環(huán)境參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)范圍。魚(yú)菜共生系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)的變化，掌握環(huán)境的變化狀態(tài)，并通過(guò)查看歷史參數(shù)的變化及時(shí)掌握作物生長(zhǎng)狀況。一旦超出該標(biāo)準(zhǔn)范圍，智能報(bào)警模塊可以通過(guò)手機(jī)短信、系統(tǒng)消息等方式提醒用戶環(huán)境參數(shù)異常，甚至根據(jù)偏差的大小給出解決方案。用戶通過(guò)手機(jī)終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)魚(yú)菜共生系統(tǒng)的環(huán)境狀態(tài)，為魚(yú)菜共生系統(tǒng)的科學(xué)管理提供幫助。

3 系統(tǒng)功能分析

運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)影響魚(yú)菜共生的大棚溫濕度、光照強(qiáng)度、水質(zhì)指標(biāo)和環(huán)境質(zhì)量的變化，為提高大棚管理水平、提高魚(yú)蔬品質(zhì)和產(chǎn)量等提供基礎(chǔ)信息，為生產(chǎn)綠色無(wú)公害蔬菜提供有力保障。監(jiān)測(cè)中心對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析和處理，最后呈現(xiàn)給監(jiān)測(cè)人員，實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息自動(dòng)化、智能化管理，提高對(duì)環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)測(cè)、報(bào)警、預(yù)警能力。因此，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)上述環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，并充分利用智能化農(nóng)業(yè)信息技術(shù)，加快農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，對(duì)促進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著農(nóng)業(yè)信息化的加速推進(jìn)，ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛應(yīng)用，前景可觀。人們對(duì)于綠色有機(jī)蔬菜的需求與日俱增，魚(yú)菜共生系統(tǒng)也正向小型化方向發(fā)展，未來(lái)有望走進(jìn)尋常百姓家中。大力推廣基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的魚(yú)菜共生環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)，利用該監(jiān)測(cè)技術(shù)為用戶監(jiān)測(cè)魚(yú)菜共生系統(tǒng)的各種環(huán)境參數(shù)提供數(shù)據(jù)支持，實(shí)時(shí)保持系統(tǒng)生態(tài)平衡，將有效降低人工成本，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位監(jiān)控，使用戶真正做到足不出戶遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)為不懂魚(yú)菜共生技術(shù)的用戶帶來(lái)方便，對(duì)于魚(yú)菜共生技術(shù)的推廣起推動(dòng)作用。

[1]張開(kāi)生，田開(kāi)元，呂明，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35（6）：805-811.

[2]劉君，晏國(guó)生，柳平增，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)作物生產(chǎn)智能測(cè)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2011（2）：17-20.

[3]賈保先，謝圣獻(xiàn).物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)研究[J].自動(dòng)化儀表，2012，33（3）：35-37.

[4]馬斌強(qiáng)，劉美琪，季寶杰，等.ZigBee技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2008，20（10）：121-123.

[5]韓華峰，杜克明，孫忠富，等.基于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（7）： 158-163.[6]馬子超，阮衛(wèi)強(qiáng)，李小娟，等.基于ZigBee的魚(yú)菜共生系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2017（8） ：18-25.

[7]黃穎，張偉.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（4）：33-34.

[8]張明華，丁永良，楊菁，等.魚(yú)菜共生技術(shù)及系統(tǒng)工程研究[J].漁業(yè)信息與戰(zhàn)略，2004，19（4）：7-12.