基于物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)研究

邢玲玲

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅武威，733006）

0 引言

目前，溫室大棚在我國(guó)的發(fā)展勢(shì)頭猛烈，智能溫室大棚已廣泛出現(xiàn)在山東、新疆、安徽等地，溫室大棚的智能化以及信息化的集中化管理，可進(jìn)行自動(dòng)化操作并監(jiān)控大棚內(nèi)的溫度、濕度和通風(fēng)，從而降低人工成本以及人工工作強(qiáng)度。本文在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)關(guān)于溫室大棚智能在線監(jiān)控系統(tǒng)。一方面可以實(shí)施并遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)土壤的溫、濕度、二氧化碳濃度以及空氣的溫濕度，同時(shí)也可以遠(yuǎn)程操控灌溉裝置精準(zhǔn)灌溉作物，為作物的生產(chǎn)質(zhì)量保駕護(hù)航。

1 物聯(lián)網(wǎng)概念

物聯(lián)網(wǎng)所具有的功能包含智能識(shí)別、智能定位跟蹤以及智能監(jiān)控管理、而且功能的實(shí)現(xiàn)需要借助射頻識(shí)別卡、無線傳感器等硬件設(shè)備，輔之云計(jì)算技術(shù)，參照傳輸協(xié)議，使用有線或無線的方式，從而實(shí)現(xiàn)物品和互聯(lián)網(wǎng)之間信息的交換通信。與互聯(lián)網(wǎng)不同的是，物聯(lián)網(wǎng)不需要人工的介入，便可實(shí)現(xiàn)物品和物品之間的識(shí)別信息共享和交流，其本質(zhì)接觸的便是射頻識(shí)別技術(shù)。

智能農(nóng)業(yè)內(nèi)涵在于將智能化農(nóng)機(jī)技術(shù)以及遙感遙測(cè)技術(shù)、全球定位系統(tǒng)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等技術(shù)集為一體，所形成的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[1]。

2 系統(tǒng)總體方案

■2.1 功能設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)，需要滿足以下幾個(gè)功能：第一，也是能夠有效的監(jiān)測(cè)種植環(huán)境數(shù)據(jù)，包含溫度、濕度、光照、土壤、溫濕度以及含水量等數(shù)據(jù)，收集作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)信息，傳感器所測(cè)的數(shù)據(jù)在無線網(wǎng)絡(luò)的幫助下傳輸至系統(tǒng)內(nèi)部，從而對(duì)信息進(jìn)行儲(chǔ)存，分析并通過圖表曲線的形式展現(xiàn)給用戶；第二，便是錯(cuò)誤報(bào)警功能，一般的報(bào)警方式包含手機(jī)短信報(bào)警、多媒體聲光報(bào)警，從而能夠有效監(jiān)控大棚內(nèi)部異常狀況，值班人員在獲取異常信號(hào)之后，可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，解除報(bào)警；第三，系統(tǒng)在不借助人工的情況下，可自動(dòng)化灌溉作物；第四，將數(shù)據(jù)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸；第五，運(yùn)用低成本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的操作界面，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定并加強(qiáng)其實(shí)用性；第六，可以對(duì)加濕器、加熱器以及風(fēng)扇等系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行管理。例如，當(dāng)大棚內(nèi)部的空氣濕度、溫度偏離設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)可啟動(dòng)加濕器和加熱器，恒定大棚內(nèi)部溫濕度，同時(shí)開啟風(fēng)扇，加快大棚內(nèi)部空氣流通；第七便是可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、分析和匯總。在系統(tǒng)的幫助下，可以實(shí)時(shí)了解大棚內(nèi)部空氣溫濕度、工作強(qiáng)度等相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)整理成日?qǐng)?bào)、月報(bào)以及其他報(bào)表的形式，直觀展現(xiàn)給用戶方便用戶對(duì)比分析采集數(shù)據(jù)，分析作物的生長(zhǎng)狀況進(jìn)而做出合理判斷，提升作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[2]。

■2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用有線數(shù)據(jù)傳輸方式，該方式需要高額的成本進(jìn)行維護(hù)，且傳輸數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)穩(wěn)定，影響作物種植。因此本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，且每個(gè)傳感器之間的距離不能太近，并采用LoRa無線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，且該技術(shù)成本低，傳輸過程穩(wěn)定，可以為作物種植提供優(yōu)質(zhì)精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)整體運(yùn)用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組成部分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三大部分。

圖1 溫室大棚智能監(jiān)控與灌溉控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

感知層作用在于可以利用LoRa無線技術(shù)在對(duì)作物生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的同時(shí)，有效獲取溫室大棚內(nèi)環(huán)境變化參數(shù)數(shù)據(jù)，該部分由二氧化碳傳感器、土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照傳感器、監(jiān)控?cái)z像頭、灌溉裝置共同構(gòu)成；感知層采集信息輸入到網(wǎng)絡(luò)層，并由網(wǎng)絡(luò)層將信息傳輸至應(yīng)用層ARM服務(wù)器，該部分包含GPRS、Internet 網(wǎng)；應(yīng)用層主用作用在于通過MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)、農(nóng)業(yè)專家?guī)臁RM服務(wù)器、系統(tǒng)終端的幫助，接收來自于ARM服務(wù)器的作物參數(shù)數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)于MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，農(nóng)業(yè)專家?guī)焱ㄟ^比對(duì)分析數(shù)據(jù)，從而得出適宜的灌溉策略。其中，作為系統(tǒng)終端的用戶，可通過指定的IP地址訪問服務(wù)器控制中心，進(jìn)而通過指令的發(fā)送，獲取關(guān)于大棚內(nèi)部的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[3]。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

■3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

感知層硬件中最為重要的便是傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)由L0Ra無線采集模塊、CO2、光照、土壤溫濕度、空氣溫濕度傳感器以及電源模塊組成。圖2便是傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖

（1）LoRa 無線采集模塊

本文所使用的LoRa無線采集模塊型號(hào)為SX1212，產(chǎn)自美國(guó)SEMTECH公司。該模塊的優(yōu)勢(shì)在于在保持低功耗的基礎(chǔ)上，可以排除各種干擾，借助300MHz擴(kuò)展到510MHz廣闊頻率傳輸范圍，穩(wěn)定將信息進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸。此外，該模塊在系統(tǒng)中的作用是匯總來自于不同傳感器的數(shù)據(jù)輸送到網(wǎng)關(guān)。

（2）傳感器的選擇

由于溫室大棚內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)與傳感器是配套搭配的，因此需要使用多個(gè)傳感器滿足智能監(jiān)控系統(tǒng)需求。為改善此類現(xiàn)象，可使用來自于建大仁科企業(yè)的生產(chǎn)的不同類型的傳感器，滿足監(jiān)測(cè)空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、土壤濕度的要求。首先，空氣溫濕度、光照強(qiáng)度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可采用該公司的三合一傳感器，其擁有10～30 V的直流電以及0.4W的功耗，并在測(cè)量后，得出空氣溫、濕度、光照強(qiáng)度測(cè)量精度為±0.5 ℃、±3%、±7%；傳統(tǒng)的二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)采用半導(dǎo)體傳感器，但是隨著后期的使用開始出現(xiàn)低檢測(cè)精度的問題，因此逐漸淘汰該傳感器轉(zhuǎn)而使用485型CO2傳感器，監(jiān)測(cè)溫室大棚內(nèi)CO2濃度變化范圍，其功耗以及直流供電為0.4 W、10～30 V，所測(cè)得的CO2精度為±40×10-6；HSTL型土壤濕度傳感器采用316l不銹鋼制成，目的在于防止潮濕的土壤環(huán)境對(duì)探針的侵蝕，該傳感器可以采集-40～80℃范圍內(nèi)的土壤濕度，采用5～24伏的供電電壓，0～100%的水分量程，土壤濕度在經(jīng)過檢測(cè)之后測(cè)量精度達(dá)到±2%[4]。

（3）組網(wǎng)方式

系統(tǒng)當(dāng)中的LoRa無線采集模塊擁有多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，并且所有的傳感器圍繞該模塊呈現(xiàn)星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于上手簡(jiǎn)單、容易操作可以快速構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也可以在短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的傳輸。每個(gè)節(jié)點(diǎn)向中心點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，不需要受到時(shí)間的限制。其中當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)將信息同步發(fā)送至中心點(diǎn)時(shí)引發(fā)的數(shù)據(jù)擁堵問題，可借助自動(dòng)調(diào)平以及速率自適應(yīng)技術(shù)進(jìn)行妥善地解決，避免數(shù)據(jù)突出概率數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定的問題，有效采集農(nóng)業(yè)信息，為作物的生長(zhǎng)提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)保障。

圖3 星型組網(wǎng)方式

圖4 灌溉裝置結(jié)構(gòu)圖

（4）灌溉裝置

本文當(dāng)中的灌溉裝置所選用的是新為誠(chéng)微型水泵，開水泵電流和電壓分別為15A以及24V，開口流量一分鐘可達(dá)到16L。灌溉裝置在設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中需要分為兩路:一路是肥液路，而另一路則是水路。首先前者肥液路底端連接出水口，且自下而上分別設(shè)置有電動(dòng)閥門、水過濾器、抽水液泵、手動(dòng)閥門、流量計(jì)、止回閥，并包含4個(gè)肥液罐；而后者的水路控制系統(tǒng)同樣也設(shè)置有流量計(jì)、止回閥等硬件部分，該系統(tǒng)的灌溉流程為：自來水經(jīng)水泵抽取進(jìn)入管道并進(jìn)行過濾，過濾后的自來水會(huì)流經(jīng)流量計(jì)以及水路止回閥到達(dá)肥液路，兩者充分融合形成混合水肥，流經(jīng)壓力機(jī)和電動(dòng)閥，最終由水肥混合管道排出進(jìn)入滴灌帶灌溉作物[5]。

（5）控制節(jié)點(diǎn)

控制節(jié)點(diǎn)與控制器連接，本文監(jiān)控系統(tǒng)采用具有良好兼容性以及性能的STM32F407微控制器，同時(shí)還輔助有LoRa 無線模塊、穩(wěn)壓器模塊、繼電器模塊和電源模塊。能夠在降低功耗的同時(shí)，加快處理數(shù)據(jù)的步伐。控制器分為自動(dòng)開關(guān)控制以及手動(dòng)操控兩種不同的啟停方式。前者關(guān)于閥門以及水泵的自動(dòng)控制，需借助微控制器板子下的繼電器、固態(tài)繼電器控制，將來自于傳感器的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器中，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)將大棚數(shù)據(jù)與庫(kù)內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比決策；后者的可通過控制器上的按鈕手動(dòng)操控閥門與水泵[6]。

■3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)采用GPRS模塊，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離輸送。該節(jié)點(diǎn)一方面可以將監(jiān)控終端所發(fā)出的灌溉控制指令傳輸至控制節(jié)點(diǎn)，另一方面也可以向服務(wù)器傳達(dá)來自傳感器的數(shù)據(jù)信息。

圖5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■4.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)與發(fā)送

因需要實(shí)時(shí)監(jiān)控溫室大棚的環(huán)境，因此便需系統(tǒng)具備超強(qiáng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)，方便信息的儲(chǔ)存。因此本文選擇使用MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)空間龐大，可滿足溫室大棚監(jiān)控要求。與此同時(shí)，為了方便數(shù)據(jù)的查詢，可根據(jù)數(shù)據(jù)的不同種類建立表格進(jìn)行分類存儲(chǔ)；系統(tǒng)與用戶終端手機(jī)連接，可將監(jiān)控信息通過短信的方式通知用戶，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。

■4.2 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖7所示，此次設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)采用Delphi7.0監(jiān)控軟件，同時(shí)并配置MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。該軟件界面不僅可以觀看作物生長(zhǎng)趨勢(shì)、歷史數(shù)據(jù)、水肥配比、水泵控制數(shù)據(jù)，同時(shí)還具人性化的種植技術(shù)指導(dǎo)模塊，以及智能自動(dòng)化遠(yuǎn)程灌溉施肥控制功能。而農(nóng)戶對(duì)各功能模塊的查看，可設(shè)置服務(wù)器IP地址連接用戶端與終端通信，用戶借助Internet網(wǎng)絡(luò)以及GPRS移動(dòng)數(shù)據(jù)便可自由訪問主界面，監(jiān)控作物生長(zhǎng)狀況。

圖6 系統(tǒng)監(jiān)控界面架構(gòu)圖

圖7 系統(tǒng)整體監(jiān)控界面圖

5 試驗(yàn)機(jī)結(jié)果分析

■5.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

該監(jiān)控系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性，需要參考服務(wù)器環(huán)境參數(shù)所形成的趨勢(shì)曲線。以1號(hào)節(jié)點(diǎn)為例，觀察該節(jié)點(diǎn)在14:00～16:00左右時(shí)間所呈現(xiàn)出的光照強(qiáng)度、空氣、土壤相對(duì)濕度、空氣、土壤溫度所呈現(xiàn)出的數(shù)據(jù)變化，便可看出該節(jié)點(diǎn)傳輸處于正常的范圍內(nèi)。再加之空氣溫度以及土壤溫度在24個(gè)小時(shí)內(nèi)，所呈現(xiàn)出的曲線圖無明顯跳動(dòng)和斷點(diǎn)，且曲線一直去平滑的狀態(tài)，因此可以表明該系統(tǒng)具有穩(wěn)定的工作性能[7]。

表1 土壤溫濕度、空氣溫濕度、CO2濃度的數(shù)據(jù)

115:20:471 39839.620.13924.8 115:28:171 28439.620.139.624.9 115:45:051 02739.520.141.824.8 116:07:471 54537.520.242.824.9

■5.2 驗(yàn)證傳感器采集精度

圖8 監(jiān)控系統(tǒng)連續(xù)24h檢測(cè)空氣溫度數(shù)據(jù)曲線

為有效驗(yàn)證傳感器采集精度的高低，總共選取了4個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，以空氣濕度和土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)為例，對(duì)比系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)以及人工所采集的數(shù)據(jù)。根據(jù)下表的最終測(cè)試效果，系統(tǒng)具有較小的誤差，采集精度相對(duì)較高。

圖9 監(jiān)控系統(tǒng)連續(xù)24h檢測(cè)土壤溫度的數(shù)據(jù)曲線

表2 傳感器采集精度測(cè)試效果

■5.3 丟包率測(cè)試

監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定與否與丟包率有著密切的關(guān)聯(lián)。同樣選取4個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，以20分鐘為采集周期，進(jìn)行為期24個(gè)小時(shí)數(shù)據(jù)采集并傳至網(wǎng)關(guān)。通過此實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證，不同的傳感器節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)出不同的丟包率，但是總體丟包率誤差控制在0.45%以內(nèi)，因此總的來說該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可靠準(zhǔn)確性。

表3 丟包率測(cè)試效果

6 結(jié)論

綜上所述，以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)所設(shè)計(jì)的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)云計(jì)算以及無線傳輸技術(shù)，借助多個(gè)傳感器采集數(shù)據(jù)并傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，GPRS無線通信和Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸以及人機(jī)交互。既可以達(dá)到在線監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)狀態(tài)以及遠(yuǎn)程灌溉的目的，同時(shí)也具有智能分析專家在線指導(dǎo)等，智能決策模塊獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)并作出科學(xué)決策，提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度，且該系統(tǒng)在未來一定會(huì)朝著高穩(wěn)定性以及可靠性的方向發(fā)展[8]。