蔬菜種植數字化監控平臺的設計與實現研究

武立波 徐通 郝炎炎 臨淄區農業技術服務中心 張敬智 山東思遠農業開發有限公司

王新亮 淄博新潤農業發展股份有限公司 馬江濤 臨淄區鳳凰鎮秀全家庭農場

現階段，我國蔬菜種植已經基本實現了數字化控制，能夠對種植的溫濕度以及二氧化碳濃度進行調節、控制及管理，不過其智能化程度還有待于提升。ZigBee 技術屬于無線傳感通信技術，有著低功耗、短距離以及低速率等優點[1]。將該技術用于蔬菜種植監控平臺中，能夠對蔬菜種植環境進行動態調控，使得蔬菜種植的光照、溫濕度、CO2濃度等得到合理調整，從而確保各類蔬菜生長、繁育環境的穩定，還能將外界不利因素消除，到達高產、優產的目的。

一、總體設計

設計人員在設計監控平臺系統時前需要對市場需求進行合理分析，然后開展系統總體架構設計工作，在此基礎上進行分區設計，尤其是上下位機模塊設計，完成設計工作之后設計人員需要對系統進行調試，在調試中修正各項技術缺陷，從而完成監控平臺控制系統的構建，后續將系統用于實際生產中[2]。

一般而言，系統網絡結構的劃分因需求而異，但是大體上主要包含以下幾個組成：系統控制中心、無線監控網絡、5G 控制網絡以及環境因子控制。在這些架構之中，無線監控網絡的構建主要以ZigBee 協調器為主，形成覆蓋性強的通訊網絡。無線網絡的個節點主要分布于蔬菜生長區域，節點的作用是對蔬菜生長環境的溫度、光強、濕度、CO2濃度、土壤濕度、營養液pH 值和EC值等進行動態調控，同時還能監測室外氣象條件。傳感器在獲取數據后會將相關數據發送至控制中心[3]。在整個系統架構之中，無線監控網絡是主體組成。ARM+linux 平臺是控制中心的基礎構造，能夠對各項監測數據進行有效管理，并生成決策數據，幫助人們動態調節植物生長環境。通過RS232 指令可以將控制中心的控制信息傳送到繼電器系統中，然后對植物生長溫度、濕度等各項生長要素進行調節。5G 控制網絡能夠24 小時不間斷地對植物生長情況進行監測。通過應用5G 技術以及ZigBee 網絡可以使得植物生產質量得到提升。

二、上位機模塊

在監控平臺上位機結構中，主要以PC機為主，上位機的主要功能有四個：第一，通過TCP/IP 實現上位機與ZigBee 網連接進行信息傳遞，然后將下位機數據獲取，同時根據實際情況向下位機下達調控指令；第二，在收到相關數據后通過屏幕將數據顯示出來，并對數據進行解碼保存；第三，分析歷史數據，對比數據后處理異常數據，對控制信息進行更新；第四，為使用者提供數據調取服務，同時可以將歷史數據曲線顯示在屏幕上。

三、下位機模塊

下位機主要存在與蔬菜種植基內設置的Zigbee 節點上，其核心部件選用的是意法公司ARM 微控制器。下位機可以采集植物溫濕度、檢測光照強度、檢測空氣中CO2濃度、檢測土壤含水量等，然后將獲取的數據傳輸至ARM 控制器內部，然后對其進行調控。在下位機結構構造中，主要以Zigbee節點為主，借助于分布在區域的傳感器對植物生長的溫濕度、CO2信息以及光照強度等進行檢測，然后借助于模糊算法能夠動態的調節植物生長的溫度、濕度。而LCD 顯示器可以將感器獲取的環境信息現實出來，操作人員也可以使用鍵盤對現場參數進行調節控制，而ZigBee 模塊能夠實時與上位機進行信息傳遞，可以將各類采集的信息發送到上位機，然后由上位機下達控制指令。

四、上、下位機通信

在控制平臺中，實現上位機與下位機通過的主要網絡是ZigBee 無線通網絡，該網絡可以全天候不中斷進行通訊。ZigBee 網絡術語近距離無線傳感器網絡，其優勢在于功耗非常地、成本投入少并且可靠性更高。相比用戶RS-485 網絡或者是RS-232 網絡，采用ZigBee 網絡的優勢在于可以實現監測、控制于一體，極大優化了系統運行的效率。

五、監控平臺功能

采集終端的形式為嵌入式，能夠穩定地將傳感器發送的數據接收到，然后將數據保存顯示。通過該平臺能夠將每個溫室內部的環境參數進行動態分析處理。如果平臺獲取遠程終端請求指令，則可以以短信的形式進行相關數據傳輸，使得用戶通過手機則可以查看具體的情況。平臺可以根據預先設定好的環境監測數據進行調整，如果某一項參數出現異常將會觸發報警機制，相關人員可以通過警報類型分析具體的問題并提出針對性改進措施。技術人員可以借助于PC 機、5G手機通在web 服務器上進行操控，從而解決相關問題。通過這種形式，能夠實現預期功能建設的目標，所以在設計監控平臺時，應該進一步將網絡工具應用，特別是5G 技術，能夠極大地優化網絡平臺的轉速度，解決數據傳輸不及時的問題，進而實現高質量管控的目標。

六、結束語

總而言之，將無線傳感器網絡技術應用在蔬菜種植數字化監控平臺設計之中，并對監控平臺控制流程進行優化，合理地構建上位機、下位機，借助于5G 網絡技術控制信息傳傳遞，可以提升系統的穩定性。本文主機研究了ZigBee 網絡下蔬菜監控平臺構建方案，旨在進一步優化平臺的結構組成，使得平臺能夠發揮出其最大的作用，確保各項調控內容的穩定，這對于蔬菜種植質量的提升十分重要。