基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

宋俊慷 樊東紅 鄭鑫 楊保海 韋樹貢 曾海燕

摘 要：系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園進(jìn)行環(huán)境檢測(cè)，方便管理人員及時(shí)查看產(chǎn)業(yè)園的環(huán)境信息。環(huán)境檢測(cè)裝置在測(cè)量農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)自組建的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地傳送到監(jiān)控終端。監(jiān)控終端在相應(yīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)門限的情況下實(shí)現(xiàn)告警和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能，管理人員可以根據(jù)告警數(shù)據(jù)快速組織應(yīng)對(duì)策略。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);環(huán)境檢測(cè);遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

文章編號(hào)：2095-2163（2019）04-0136-04 中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，由于大棚環(huán)境的可控性使得季節(jié)性作物能夠在任何季節(jié)種植[1]，大大提高了農(nóng)作物產(chǎn)量和多樣性，使得農(nóng)業(yè)園大棚技術(shù)被廣泛應(yīng)用。但在現(xiàn)階段，由于中國(guó)大部分農(nóng)業(yè)園仍采用人工勞作，需要用到大量勞動(dòng)力，使得農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園的整體效益不高。如何采取有效監(jiān)測(cè)并致力改善農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，讓農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園農(nóng)作物得到高效生產(chǎn)，現(xiàn)已成為學(xué)界的重點(diǎn)研究課題。由于大型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園種植面積廣闊，人工檢測(cè)仍存在延誤或人工失誤的情況，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，使得農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園作物產(chǎn)量不高。以溫度和濕度這2種因素對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)影響為例，晝夜的溫濕度變化大，不利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)。農(nóng)作物所需的光照和水分也不可過(guò)多或過(guò)少，顯然，人工監(jiān)測(cè)難以及時(shí)有效地獲取上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。人工灌溉和人工施肥勞動(dòng)強(qiáng)度大，也需要啟用大量勞動(dòng)力。如果能對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境實(shí)施監(jiān)測(cè)，并對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園進(jìn)行通風(fēng)、灌溉和施肥的自動(dòng)化控制，就可以增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，減少人工投資成本，避免耗費(fèi)大量的資金，提高農(nóng)業(yè)園的收成和效益[2]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由7個(gè)部分構(gòu)成，主要包括：攝像裝置、環(huán)境檢測(cè)裝置、協(xié)調(diào)器、通風(fēng)裝置、灌溉設(shè)備、施肥設(shè)備和監(jiān)控終端。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

監(jiān)控終端為整個(gè)總控制中心，可根據(jù)環(huán)境情況和控制決策采取相應(yīng)措施。攝像裝置對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園內(nèi)外的環(huán)境進(jìn)行攝錄，并通過(guò)協(xié)調(diào)器傳送到監(jiān)控終端，方便管理人員及時(shí)查看農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園的狀況。環(huán)境檢測(cè)裝置主要包含光照傳感器、空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、流量傳感器、空氣成分濃度傳感器，分別用于對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園內(nèi)的光照強(qiáng)度、空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、灌溉流量、一氧化碳、二氧化碳、氧氣濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)調(diào)器傳送到監(jiān)控終端。在一氧化碳、二氧化碳的濃度過(guò)高或者農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園內(nèi)溫度過(guò)高的情況下，監(jiān)控終端可通過(guò)協(xié)調(diào)器啟動(dòng)通風(fēng)裝置，對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)，加強(qiáng)空氣對(duì)流，降低溫度和一氧化碳、二氧化碳的濃度。灌溉設(shè)備的管道上串聯(lián)有加壓泵，設(shè)備的末端設(shè)置有若干噴孔，通過(guò)加壓泵來(lái)調(diào)整灌溉設(shè)備水壓，實(shí)現(xiàn)噴孔噴水壓力和距離的調(diào)節(jié)，滿足灌溉的要求。此外，可定期利用施肥設(shè)備對(duì)產(chǎn)業(yè)園進(jìn)行施肥。農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園引入物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[2]，目的是為作物生長(zhǎng)提供較好的生長(zhǎng)環(huán)境，減輕了人力勞動(dòng)，增加農(nóng)業(yè)園的整體效益。本文主要討論環(huán)境檢測(cè)裝置、協(xié)調(diào)器和監(jiān)控系統(tǒng)共同組成的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主要由下位機(jī)、上位機(jī)和協(xié)調(diào)器三大部分構(gòu)成。大致說(shuō)來(lái)，上位機(jī)為監(jiān)控終端，可根據(jù)環(huán)境情況和決策制定調(diào)控措施，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)建立網(wǎng)絡(luò)，管理和存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息，并提供各節(jié)點(diǎn)之間的路由信息，把數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控終端。下位機(jī)則由攝像裝置、環(huán)境檢測(cè)裝置、電動(dòng)通風(fēng)裝置、灌溉設(shè)備和施肥設(shè)備構(gòu)成。其中，環(huán)境檢測(cè)裝置主要用于采集農(nóng)業(yè)園內(nèi)的光照強(qiáng)度、空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、灌溉流量、一氧化碳、二氧化碳、氧氣濃度數(shù)據(jù)等[3]，并將采集的數(shù)據(jù)匯總給協(xié)調(diào)器，接著傳送到監(jiān)控終端，再由監(jiān)控終端解析推得相應(yīng)決策，最終將指令發(fā)送給其他裝置，例如進(jìn)行通風(fēng)、灌溉、施肥等[4]。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。文中對(duì)此擬展開(kāi)研究論述如下。

2.1 監(jiān)控終端

監(jiān)控終端可以監(jiān)控農(nóng)業(yè)園區(qū)的環(huán)境攝錄、環(huán)境數(shù)據(jù)以及執(zhí)行決策指令[5]。程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。監(jiān)控終端設(shè)備通過(guò)RS232串行通信接口與協(xié)調(diào)器建立連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，監(jiān)測(cè)終端程序在完成串行通信接口連接后將根據(jù)數(shù)據(jù)采集命令向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)查詢指令，同時(shí)接收由協(xié)調(diào)器上傳的采集數(shù)據(jù)。

2.2 環(huán)境檢測(cè)裝置

傳感數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)采集傳感器結(jié)合基礎(chǔ)的供電和調(diào)試電路組成環(huán)境檢測(cè)裝置，該裝置原理框圖如圖4所示。其中，傳感數(shù)據(jù)傳輸模塊和協(xié)調(diào)器通過(guò)無(wú)線組網(wǎng)連接的方式組建星型網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)采集傳感器采集的數(shù)據(jù)上傳至協(xié)調(diào)器的同時(shí)，接收由協(xié)調(diào)器下發(fā)的數(shù)據(jù)采集命令，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給各數(shù)據(jù)采集傳感器。系統(tǒng)主要使用光照傳感器、空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、流量傳感器和空氣成分濃度傳感器等數(shù)據(jù)采集用傳感器，可重點(diǎn)用于采集農(nóng)業(yè)園內(nèi)光照強(qiáng)度、空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、灌溉流量、一氧化碳、二氧化碳、氧氣濃度等數(shù)據(jù)[6]。為了降低能耗，選用ZigBee通信模塊作為環(huán)境檢測(cè)裝置的傳感數(shù)據(jù)采集模塊。由于ZigBee技術(shù)具有低功耗的特點(diǎn)，各個(gè)傳感器只需要很少的能量便可通過(guò)串行通信接口與傳感數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)接收采集命令和上傳采集數(shù)據(jù)的功能。

環(huán)境檢測(cè)裝置軟件流程設(shè)計(jì)如圖5所示。環(huán)境檢測(cè)裝置的ZigBee模塊在成功加入網(wǎng)絡(luò)后等待ZigBee協(xié)調(diào)器下發(fā)的數(shù)據(jù)采集命令，而在實(shí)際接收到數(shù)據(jù)采集命令后讀取傳感器所采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，讀取結(jié)束后就將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳給ZigBee協(xié)調(diào)器。

2.3 協(xié)調(diào)器

設(shè)計(jì)中，與數(shù)據(jù)采集裝置的傳感模塊相關(guān)聯(lián)的協(xié)調(diào)器也使用ZigBee通信模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。協(xié)調(diào)器工作原理如圖6所示。協(xié)調(diào)器的基本功能可闡釋分述如下。

（1）和環(huán)境采集裝置的傳感數(shù)據(jù)傳輸模塊組建新型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)通信。

（2）接收監(jiān)控終端下發(fā)的控制命令。

（3）將數(shù)據(jù)采集裝置上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控終端。

協(xié)調(diào)器的軟件工作流程如圖7所示。由圖7可知，協(xié)調(diào)器在上電后將以星型中心節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并等待監(jiān)控終端下發(fā)的數(shù)據(jù)采集命令，而在接收到數(shù)據(jù)采集命令后，就下發(fā)數(shù)據(jù)采集命令至各個(gè)數(shù)據(jù)采集裝置，此時(shí)即會(huì)等待數(shù)據(jù)采集裝置上傳數(shù)據(jù)，上傳數(shù)據(jù)接收成功后，則將上傳的采集數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控終端。