基于物聯網的大棚蔬果智能監控系統設計研究

張莉 湖南應用技術學院信息工程學院

這種在互聯網的基礎上，建立的大棚果蔬智能監控技術，不僅效率高，而且能夠節約環境，節約資源，和普通的大棚相比，它結合了無線通信技術、物聯網技術、自動控制技術、傳感器技術等高科技手段發展。我們是根據具體的管理需求，以及環境控制設計出的果蔬智能監控系統對大棚內的環境監測數據進行實時采集，包括空氣溫度、土壤水分、空氣濕度、土壤溫度、二氧化碳濃度、太陽輻射等，根據實時采集的環境參數值對大棚內的控制設備進行控制，包括內遮陽、外遮陽、水泵、濕簾、風機、電磁閥等。

一、物聯網的大棚蔬果智能監控系統相關技術

物聯網的蔬果大棚智能監控系統關鍵性的技術：結合農業物聯網技術，物聯網的技術、通信技術、傳感技術、以及無線射頻技術，都能在任何時間地點進行數據的采集，也就是綜合利用了，感知技術。具有跨學科的交叉、多技術的融合。其硬件技術包括射頻識別技術、智能嵌入技術、無線傳感網絡、納米技術；軟件處理技術是由多個部分組成的，例如信息處理技術，安全技術等等[1]。

二、物聯網的大棚蔬果智能監控系統設計

物聯網的基礎上進行，智能監控系統的設計，進而對大棚果蔬進行監控，首先進行智能的分析之后進行框架設計，這過程中包括多個方面，例如文化感知層的數據采集以及無線通訊傳輸，最終的移動終端分析設計。

(一)系統總體架構設計

系統按照應用模式主要分成兩個部分，一個是數據的采集與管理部分，另一個是系統終端的訪問管理部分，進行系統整體的框架設計。

信息采集與控制依賴于物聯網的環境參數，棚內現場采集控制終端的二氧化碳濃度、溫度、光照葉面濕度等環境參數通過標準的232/485標準的通信接口，內部設置了一張能夠連接通信GPRS 數據庫和互聯網的卡。采集到的數據能在第一時間傳輸到數據管理中心，這種F2103具有很強的通用性，而且體積小，攜帶便捷，不需要專業技能進行安裝，面對不同的工程情況，也可以選用不同的網絡。數據中間對實時采集到的參數進行數據分析，輸出統計報表，較直觀的以曲線和圖標形式預測分析圖，依據植物的生長環境需求提供報警信息，當環境參數值超過或低于設定值時就自動開啟或關閉指定的控制設備。

根據系統總體設計和軟硬件設計要求分別進行系統軟硬件的設計，系統軟硬件設計完成后進行一系列的聯調和測試，直至形成一個完整可行實用的系統。系統總體技術設計路線圖如圖1所示。

圖1 總體技術設計路線圖

系統設計中，在無線傳感器網絡節點中嵌入環境參數采集傳感器，采集數據通過ZigBee網絡從分節點上送給總節點。在傳輸距離遠而直接引入的GPRS模塊中，總節點將匯總的數據傳輸給GPRS模塊，再經過GPRS網絡和互聯網傳送給指定的上位CP機。上位機所數據存儲在數據庫中供定時獲取，若發現數據異常，將由控制模塊生成的解決方案控制相應控制設備。

(二)感知層數據采集模塊設計

大棚內的傳感器，將采集到的數據匯總傳輸到網關，根據其功能需求，其節點必須有數據的采集、處理及傳遞的功能[2]。數據采集模塊是整個物聯網監控系統的關鍵部分，故數據采集模塊的傳感器構建也要遵循系統總體設計的原則，實時、穩定、適用、抗干擾、安全。

傳感器包括：二氧化碳變送器、土壤水分傳感器、光照強度傳感器，A/D轉換模塊設計：A/D轉換器又叫模/數轉換器(Analog-to-Digital Converter)，也就是將模擬的電壓或電流信號轉換成可以讓計算機接口、儀表、微處理機來操作的數字信號[3]。本系統使用ADC0809型號的A/D轉換器，用戶可以編程控制監測環境參數，具有高精度、抗干擾能力強等優勢。

(三)網絡傳輸層無線通信模塊設計

無線通信技術的選擇：短距離無線通信是指通信的雙方在比較近的距離范圍內通過無線電波進行數據的傳輸，在實際應用中使用非常廣泛。無線通信的發射功率在幾微瓦到十幾微瓦之間，平時只需要電池供電即可。

因為農業無線傳感器網絡周圍的環境比較復雜，而且會連接多個節點，所以我們要考慮到成本以及網絡的穩定性，快速性。以前的情況來看ZigBee這種通信技術應用的比較廣泛，也是最適合的。

大棚內部有很多微型的傳感器，節點能夠進行數據的采集，節點之間的網絡通過自組織實現；通過節點獲得的大量數據運用逐級跳到匯聚節點，再通過無線網絡傳到管理節點；最后通過管理節點用戶對網絡進行控制和管理。

無線傳感器網絡分別由傳感器節點、匯聚節點、管理節點組成，傳感器節點主要包括處理模塊、無線通信模塊、傳感器模塊、能量供應模塊。

匯聚節點主要包括處理模塊、存儲模塊、通信模塊、能源供應模塊，把監測和收集到的數據通過轉換傳導到外面的網絡同時也能對自身節點進行監測管理，管理節點主要是對整個網絡進行管理。

(四)應用層終端模塊設計

(1)應用層終端模塊總體設計方案

系統的結構設計應該具有大棚數據采集、服務通信、GPRS報警、自動灌溉、服務器界面顯示等功能。系統應用層的終端模塊可以劃分為前端數據采集、控制、網絡通信、數據庫、服務器、決策管理六個模塊，再可以分為三個模塊，分別為：前端管理模塊、服務器模塊、后端管理模塊。

系統在進行數據控制，以及瀏覽的過程中，記住了，管理模塊。管理模塊是由多個子模塊組合而成的，例如用戶的登錄，用戶的信息，以及實施顯示模塊遠程控制模塊等等，前端的管理模塊能夠直接，針對用戶登錄模塊進行系統的增刪改以及個人信息的瀏覽查詢；實現對大棚各環境參數實時采集和歷史數據的查詢；以圖表的方式統計采集參數數據匯總，在地圖上查找大棚所在位置。

服務器模塊能夠進行數據以及終端的連接，其中包括多個部分，終端管理的模塊，數據接收的模塊，進行數據分析的模塊傳輸的模塊等等。在進行數據接收的過程中，可以直接用智能手機的客戶端。數據分析能夠對收集到的數據進行快速處理，并通過傳輸模塊，把信息轉發或者是傳輸到手機客戶端里。其中還有一個命令，防干擾模塊，也就是說在執行命令或者是控制命令的過程中不會受到其他信號的干擾，也就不會出現錯誤處理。

在這過程中，擁有最大權限的就是系統后端的管理模塊，這也是系統，必不可少的一部分。其中包括了系統管理監控設備的管理，以及系統分析等等。系統管理模塊，主要是接收用戶的管理，之后再進行參數的設定，或者是配置。能夠管控監測點，實現監控的目的。在統計分析的過程中，能夠根據參數的變化提前進行預警分析，決策支持模塊，也就是把得到的信息分析的結果總結下來，進行智能決策。

(2)總體數據庫的設計

(3)終端用戶數據庫設計

本系統使用MySQL建成dpgs.mdb數據庫，dpgs.mdb數據庫主要包含了四個數據表，分為為tb_user (用戶表)、tb_collect(數據參數采集表)、tb_connect (關聯表)、tb_management(管理表)。

(4)SSH組合開發框架構建

當今最為流行的開發框架是SSH2框架。使用的SSH2框架的版本為：struts-2.2.2+spring-2.5.4+hibernate-3.6.8

SSH組合框架：集成的SSH框架主要分為四個層面：WEB層、業務層、DAO層、持久層。

(5)終端應用

系統的一部分使用了 web 技術，采用的是瀏覽器的構架模式，和終端用戶形成了一個三層的模式結構。在這個結構里，用戶端只需要安裝一個火狐瀏覽器就可以了，服務器使用的數據庫是 oracle。項目在開發的過程中可以安裝安卓手機的客戶端，直接下載，客戶要想了解大棚內果蔬的生長情況，以及參數值，直接用手機查看就可以了，還可以直接用手機進行遠程控制。

(五)最優環境參數控制模塊設計

由于，大棚內部的果蔬生長環境比較復雜，我們為了更好的控制監控，利用了PID 控制以及模糊控制，這兩種控制方法，能夠嚴密的監控各項環境的參數。分析濕度、溫度，以及光照探究其中的耦合關系，在這個基礎上設計出補償模糊 PID控制器。

三、總結

當前有很多人都在關注智能農業，這也是非常熱點的話題，因為關系到人們的生活。而且農業增產在一定程度上能夠提高國民的生活水平。所以我們在這過程中，首先要改進的就是環境監控以及數據傳輸，能夠精確的控制大棚內部的環境，確保環境能夠更適合作物的生長。系統能夠在第一時間向用戶反饋信息，這樣就能進行標準化的生產。要根據實際情況不斷完善內部的系統功能，引入一些新技術。最終實現智能化的管理，在大棚果蔬產前產中以及產后都要進行嚴密監控。