基于物聯網的農業設施群環境監控系統

曹 亮，孫 聰，史志明，陳 賢，張昊鵬

(成都市農林科學院，成都 611130 )

0 引言

設施農業通過整合各種農業生產要素，形成資金、技術和勞動力密集的新型產業，成為現代農業的重要組成部分[1-2]。設施農業以人工建造的設施為基礎，使農業生產擺脫了自然條件的束縛，農產品實現反季節上市，滿足了多元化和多層次的消費需求[3]。另外，設施農業進行程序化生產，可以提高土地、資源利用率，以及勞動生產效率，打破了資源環境的制約，對農業的可持續發展具有重要意義[4]。設施農業在我國發展迅速，已從最初的塑料大棚和小型溫室轉變到了現代化大型溫室和植物工廠等形式，在農業生產中的地位日益提升。

設施農業的本質是人工構建可控的環境，保證了農業生產按照預設的程序進行，從而獲得理想的產量和效果。因此，設施農業中的環境便成為最重要的因素，對其進行準確的監測和控制是需要重點關注的問題。設施農業的環境包括農產品所處的氣象、土壤、水分和生物群落等外部條件，且由于種群內的相互影響，農產品本身也是環境的組成部分。傳統的環境監控方法是由人工現場觀察，記載相關的環境因子數據，根據經驗評估農產品的生長發育狀態并進行控制操作。不同人員的主觀感受和知識經驗之間存在差異，因此監控精確度不高、費時費力，無法滿足農業生產模式不斷創新的需求[5]。

物聯網也被稱為傳感網絡技術，可把各種傳感器、信息處理器和無線網絡融合成一個有機整體，對目標進行智能識別和精準管理[6]。物聯網將遠程感知、傳輸、智能決策和控制功能集于一身，是互聯網延伸出的網絡系統。物聯網的基本構架包括3個層次：一是信息感知層，由傳感器節點感知目標因子，轉換為數字信息發送到互聯網上；二是應用管理層，可以接受、存儲和分析信息感知層獲取的數據，并發出操作指令，實現遠程控制；三是信息傳輸層，以互聯網作為橋梁將上述兩個層次鏈接起來實現信息的互通。

物聯網從誕生起便廣泛應用于包括農業生產的各個領域，是提高整體生產效率的重要手段。農業物聯網在農業生產中利用傳感器檢測環境因子的參數，通過智能控制優化農產品的生長條件，可以保證農產品的產量和質量，提高資源利用率，降低生產成本[7]。早在2002年，美國首次應用物聯網監測葡萄園的土壤溫濕度和有害物劑量，促進葡萄實現豐收[8]。

在誕生之初，物聯網主要用于對數據的采集、展示和分析，后來演化到利用專家系統的科學分析和決策，拓展了物聯網的功能[9]。郭理等根據物聯網的架構模型，進行了畜禽養殖環境控制系統的開發，可以有效改善畜禽的養殖環境[10]。張恩迪等基于物聯網技術研發了一套農田信息采集系統，實現了對蟲害的智能化的監控[11]。另外，物聯網還可以作為環境監控系統的基礎，為精準農業和智慧農業的推廣普及提供保障[12-13]。

設施農業是設備和技術密集型的生產模式，整個系統中安裝大量的傳感器，因此適宜利用物聯網進行監控。張開生等通過物聯網實現了對農業大棚作物生長環境的實時監測和控制，具有較高的實用性和可靠性[14]。王君君等利用物聯網傳輸協議將各種設備連接在一起，發現系統運行穩定、簡單實用，能夠完成對設施農業環境的遠程實時監控[15]。本文基于物聯網技術，設計了一個農業設施群的環境監控系統。工作時，傳感器采集環境信息，經過無線網絡發送給數據處理器，分析后發出操作指令，使各項環境參數保持在設定的范圍內以保障農業生產的正常進行。

1 總體設計

環境監控系統由信息感知層、信息傳輸層和應用管理層3個部分組成，如圖1所示。信息感知層布署在需要監控的農業生產環境中，包括各型傳感器用于監測環境數據信息，操作執行裝置用于控制環境條件。傳感器采集的數據信息匯聚到路由節點，通過信息傳輸層的ZigBee無線通訊網絡傳輸給應用管理層。應用管理層包括處理器和存儲器，可以接收數據信息并進行分析和存儲，然后根據分析的結果形成控制指令。控制指令經過無線通訊網絡傳回信息感知層，驅動操作執行裝置進行相應的控制操作，實現對環境因子的調節。

圖1 環境監控系統的總體設計Fig.1 Overall design of environmental monitoring system

2 組成部分

以農業溫室作為設施平臺，所安裝的環境監控系統具有對溫度、光照強度、土壤含水量和蟲害的監測和控制功能。各個功能在信息感知層上對應的傳感器和控制裝置不同，但使用共同的信息傳輸層和應用管理層。

2.1 信息感知層

JCJ109型傳感器用于采集溫室內的溫度，武漢中科能慧NHZD10型傳感器用于采集光照強度，SWR-100型傳感器用于采集土壤的含水量，DATA-LYNX型計數傳感器通過昆蟲飛行撞擊產生的脈沖信號記錄害蟲數量。這些傳感器采集的環境信息由AD6673型模數轉換器轉換為數碼信號后匯聚到路由節點。所有的傳感器都采用標準的RTU通訊協議，支持RS232和RS485輸出接口。

當溫室中的溫度、光照強度、土壤含水量和害蟲數量超過設定的閾值時，系統便啟動執行裝置，對環境進行控制。當溫度過高時，啟動風扇通風降溫；溫度過低時，則啟動加熱器。當光照強度過低時，啟動植物補光燈；光照強度過高時，則展開遮陽網。當土壤含水量過低時，通過GAG型多用途電磁閥開啟出水口，灌跑馬水使其自然落干。出水口上安裝DN150型水表，精確記錄灌溉量。當監測到害蟲數量超過閾值時，開啟云飛YF-WL-40型殺蟲燈，利用機械振頻式高壓電網殺蟲。操作執行裝置由電磁閥、繼電器和步進電機控制開啟或關閉，控制指令來自于路由節點，通過DAC7631E型數模轉換器轉換為可以識別的模擬信號，信息感知層的結構如圖2所示。

圖2 信息感知層的結構Fig.2 Structure of information sense layer

2.2 信息傳輸層

信息傳輸層將信息感知層采集的信息傳輸給應用管理層，同時將控制指令反向傳輸，是二者之間連接的橋梁。有線傳輸需要鋪設線路，會增加農業設施的復雜程度，維護成本也較高，因此采用無線傳輸的方式。在WiFi、藍牙和ZigBee這3種常用的無線通信方式中選擇ZigBee技術，其通信距離較遠，抗干擾能力強。ZigBee傳輸網絡采用樹形組網的方式，每個端口通過4G移動網絡與20個信息感知終端連接。通信的基站為固定式，可以接收4G網絡信號發送給應用管理層，信號的有效距離達到5km，足夠覆蓋整個溫室區域。路由節點將匯聚的數據信息傳輸給ZigBee終端節點，ZigBee節點自行選擇優化的通信路徑將信息傳輸給協調節點，最終到達應用管理層。

2.3 應用管理層

應用管理層的計算機為聯想揚天4000型臺式電腦，配置Intel i7中央處理器、16G內存、2T硬盤和LS2223WC型顯示器，利用USB2.0接口進行連接，如圖3所示。安裝的軟件為Windows10操作系統，能在操作界面上實時顯示采集的數據，并對系統參數和執行裝置的啟動閾值進行設定。處理器為聯想X3550 M5型服務器，配置16GB的DDR4內存和300GB硬盤，可以根據專家經驗和知識對采集的信息進行分析，形成專家決策和控制指令。處理器還存儲系統采集的所有信息和專家綜合數據庫和知識數據庫，綜合數據庫是數據信息的推理過程和計算公式，知識數據庫是農產品生長規律、養分需求量和病蟲害發生規律等信息。農業設施的管理人員可通過移動4G網絡在手機等移動終端上遠程查看數據信息，并對系統進行參數調整和狀態控制。當監測到的環境參數出現異常， 長時間偏離設定值的情況下， 處理器啟動溫室的報警裝置，并向移動終端發出提示短信。

圖3 應用管理層的結構Fig.3 Structure of application and management layer

3 功能測試

溫室中種植茄子、辣椒、黃瓜和西紅柿4種蔬菜，利用基于物聯網的系統進行溫度、光照強度、土壤含水量和害蟲數量的監控，并測試系統的功能。根據各蔬菜的最適生長條件設定環境因子的閾值，然后記載系統監控所獲得的實際值。測試的結果如表1所示。

表1 環境監控系統的測試效果Table 1 Testing effect of environmental monitoring system

由表1可知：系統能夠根據設定值對溫室內的溫度、光照強度、土壤含水量和害蟲數量進行準確地監測和控制，各環境因子都維持在蔬菜最適合的生長條件范圍內。

4 結論

基于物聯網技術，設計了一個農業設施群的環境監控系統，由信息感知層、信息傳輸層和應用管理層3個部分組成。其中，信息感知層監測環境數據，通過信息傳輸層的ZigBee無線通訊網絡傳輸給應用管理層；應用管理層接收數據并進行分析和存儲，然后根據分析的結果形成控制指令，驅動操作執行裝置進行相應的控制操作。在溫室中利用該系統對4種蔬菜種植環境中的溫度、光照強度、土壤含水量和害蟲數量進行監測和控制，能夠根據設定值進行準確的監測和控制，各環境因子都維持在蔬菜最適的生長條件范圍內。因此，基于物聯網的環境監控系統可以應用在設施農業中，實現對環境的實時監測和精確控制。