基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的果園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)探究

馬麗紅　高茜茜　常勇　于蕾

摘 要：果園環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)能夠?yàn)橐?guī)模化果園的生產(chǎn)提供有益的參考和依據(jù)。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的果園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用多種傳感器監(jiān)測(cè)果園環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器端進(jìn)行分析、處理，可以為精準(zhǔn)果業(yè)生產(chǎn)提供幫助。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);果園環(huán)境監(jiān)測(cè);智能采集節(jié)點(diǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：S126

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190715008

我國(guó)果業(yè)在農(nóng)業(yè)中占據(jù)著關(guān)鍵地位，同時(shí)果業(yè)的發(fā)展也與廣大果農(nóng)的利益息息相關(guān)。最近幾年，逐漸成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和品質(zhì)管理[1]。通過(guò)傳感器信息采集、多元數(shù)據(jù)融合以及物聯(lián)網(wǎng)等多種技術(shù)的結(jié)合，在果園中建設(shè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)果樹(shù)生長(zhǎng)環(huán)境[2]，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化、智能化、科學(xué)化管理。光照、溫度、土壤和水分等環(huán)境條件都會(huì)影響果樹(shù)的生長(zhǎng)和水果的發(fā)育。但是對(duì)這些環(huán)境信息的大規(guī)模采集和不間斷監(jiān)測(cè)產(chǎn)生了大量冗雜的信息，因此增加了數(shù)據(jù)處理和管理的難度，需要較高的投資成本。在傳統(tǒng)果園中，果樹(shù)的生長(zhǎng)、種植以及病蟲(chóng)害的判斷是通過(guò)人工進(jìn)行管理和監(jiān)測(cè)的，不僅耗費(fèi)人力物力，而且依賴(lài)于果農(nóng)的經(jīng)驗(yàn)，帶來(lái)了不確定性和不穩(wěn)定性。隨著物聯(lián)網(wǎng)、傳感器和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)果園數(shù)字化、信息化是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，對(duì)果園各種環(huán)境數(shù)據(jù)、果樹(shù)生長(zhǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能分析具有重要意義[3，4]。

作為一個(gè)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離數(shù)字化和信息化管理還有很長(zhǎng)的路要走，針對(duì)以往水果生產(chǎn)的環(huán)境監(jiān)測(cè)方法留存的數(shù)據(jù)復(fù)雜、采集難度高、監(jiān)測(cè)效率低下、造價(jià)及維護(hù)費(fèi)用高昂的問(wèn)題，本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合低延遲、采集范圍廣的傳感器通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式組成傳感器網(wǎng)絡(luò)并接入互聯(lián)網(wǎng)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的果園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的果園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在果樹(shù)的生長(zhǎng)過(guò)程中，氣候和環(huán)境因素起關(guān)鍵性作用，可以直接影響果園的年總產(chǎn)量和果品的質(zhì)量[5]。因此，為實(shí)現(xiàn)果園管理的自動(dòng)化、智能化，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高質(zhì)量的目標(biāo)，對(duì)諸如光照、空氣溫濕度和土壤溫濕度等影響果樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育的條件變量進(jìn)行及時(shí)精確地監(jiān)控是十分必要的。果園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示：

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于多種環(huán)境傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至采集服務(wù)器，在Web端和APP端查詢(xún)和管理環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為：數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層，如圖2所示。

1.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)層，通過(guò)多種感知終端實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)果園信息的多方面采集，包括土壤含水量、空氣溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度等重要環(huán)境參數(shù)。這些信息將被智能采集節(jié)點(diǎn)接收，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一解析并處理后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器存儲(chǔ)。

1.2 服務(wù)層

服務(wù)層主要對(duì)實(shí)時(shí)采集的果園環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析、處理，并保存至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器進(jìn)行持久化存儲(chǔ)。應(yīng)用服務(wù)器接收數(shù)據(jù)請(qǐng)求并進(jìn)行相關(guān)的業(yè)務(wù)處理，最終將結(jié)果返回給終端用戶(hù)。

1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層通過(guò)Web和APP 2種方式為各種用戶(hù)提供可視化展示，幫助科學(xué)種植，使用戶(hù)能夠更方便、直觀的使用本系統(tǒng)。

2 果園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)選擇

果園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括3個(gè)部分：采集環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和有效處理以及果園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用。智能采集節(jié)點(diǎn)與環(huán)境傳感器通過(guò)串口通訊方式采集數(shù)據(jù)，最終通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集服務(wù)器。環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所要處理的數(shù)據(jù)通常具備以下特點(diǎn)：種類(lèi)多、數(shù)量大、實(shí)時(shí)性等，因此，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的服務(wù)器采用異步I/O模型，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)接收與存儲(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)，同時(shí)可較好的應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)量大及并發(fā)上傳的情況。果園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以Web和APP 2種訪(fǎng)問(wèn)方式為果農(nóng)、專(zhuān)家和管理員提供查詢(xún)和管理數(shù)據(jù)服務(wù)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)所需的硬件環(huán)境主要包括土壤PH值傳感器，空氣溫濕度、二氧化碳濃度以及光照綜合傳感器，土壤溫濕度傳感器。軟件開(kāi)發(fā)工具是MyEclipse和Android Studio。MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)主要用來(lái)存儲(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的持久化。

通過(guò)采集單個(gè)節(jié)點(diǎn)的pH值、二氧化碳濃度和土壤溫度數(shù)據(jù)，我們對(duì)系統(tǒng)的整體功能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試所用智能采集節(jié)點(diǎn)和傳感器如圖3所示。

果園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)果園多種環(huán)境數(shù)據(jù)的查詢(xún)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析。土壤pH值、土壤溫度與空氣溫度的變化曲線(xiàn)分別如圖4（a）、圖4（b）所示。當(dāng)果園專(zhuān)家需要查看數(shù)據(jù)變化曲線(xiàn)時(shí)，首先進(jìn)入Web監(jiān)測(cè)管理應(yīng)用系統(tǒng)，選擇空氣溫度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將空氣溫度數(shù)據(jù)以折線(xiàn)圖形式進(jìn)行可視化。用戶(hù)也可以輸入特定的位置查看某一區(qū)域內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)，用戶(hù)也可以選擇時(shí)間，查詢(xún)某一時(shí)間范圍內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)變化。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層3個(gè)部分，具有實(shí)時(shí)性、自動(dòng)化、連續(xù)性等特點(diǎn)，可以很好的解決傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)中面臨的數(shù)據(jù)采集困難、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題。系統(tǒng)已經(jīng)在某果品基地投入使用，從使用效果來(lái)看，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，可以使管理者實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地掌握各種環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了大面積果園的自動(dòng)化、智能化管理。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

馬麗紅 （ 1977-） ，女，大學(xué)本科，園藝師，研究方向： 果品質(zhì)量控制、果品采后保鮮等。