基于物聯網的農業大棚環境監測系統的研究與應用

張 陽

（葫蘆島市現代農業發展服務中心，遼寧?葫蘆島??125000）

隨著物聯網技術的發展與普及，我國農業傳統耕種模式逐漸趨于農業現代化。物聯網技術應用于農業生產管理中，優化動植物的生產方式并提升管理效率，推動我國農業智慧化發展。設施農業是通過科技手段干預農作物的生長環境，實現高效生產的目的。我國農業大棚發展迅速，種植模式多元化，總面積居世界首位。運用科學技術為農業大棚創造適合農作物生長的環境，人工調控溫度、濕度等其他自然因素，減少無關因素的影響，達到促進植物生長的目的。適宜的大棚環境能提升農作物的產量于品質，物聯網技術應用于大棚內環境監測系統，對于改善農作物生長環境，增加收益意義重大。

1 農業大棚發展現狀

傳統耕種模式對環境因素依賴性較強，農業生產設備落后，導致農產品產出不穩定，影響農業經濟效益。我國農業溫室大棚種植面積廣泛，農作物的種植已跨越地區與季節，已成為農業生產構成的重要元素。農業生產由粗放農業轉向集約化，以智能、精確的科技手段實現農業可持續發展。塑料大棚是我國農業大棚的主要形式，采用人工管理的模式。雖然農戶具備豐富的種植經驗，農業機械設備使用率低，不能批量生產。我國東西部經濟發展不均衡，很多地區無法建設現代化高質量的農業大棚基地，農業大棚技術也相對落后。

2 農業物聯網技術簡介

物聯網是由獨立性的物體連接至傳感器組件，傳輸并自動化處理信息，進行互通互聯，實現科學管理的目的。物聯網是一個功能強大的智能網絡。終端信息收集可采用智能傳感器、實物、無線識別、定位系統能方式，通過有線網絡或WiFi將采集的信息連接到互聯網，準確識別、定位、監管物體。全面識別、傳輸信息和智能處理是物聯網的主要功能。農業物聯網可劃分為3個層次，感知層、傳輸層、應用層。感知層是獲取信息的基礎，由感知對象、識別碼、智能傳感器構成，收集的農業信息包含，土壤情況、氣候變化、農作物生長情況等信息。傳輸層通過局域網與移動網絡將感知層獲取的數據傳送至應用層。應用層通過數據分析，對農作物實施種植管理，實現智能化農業耕種管理。

3 農業大棚環境監測技術的實施

3.1 環境監測的監測對象

環境監測的監測對象為農作物生長所需要素，目前農業大棚環境監測項目為，空氣濕度、土壤溫濕度、棚內溫度、光照程度、二氧化碳含量、病蟲害等情況。監控模式主要有兩種形式，一種為實時監控，對農業大棚內部的環境情況，實施24小時不間斷監測；另一種為定時監控，控制系統按照固定的時間間隔對數據進行監測。雖然實時監控收集到的數據精準，但設備投入與運行成本較高，因而，恰當的定時監控更適合應用與農業大棚。

3.2 環境監測的硬件支持

硬件是農業大棚實現環境遠程監測的設備基礎。大棚環境監測終端系統、無線傳感器網絡與數據中心是組成環境監測系統的重要部分。環境傳感器與數據采集器是環境監測終端子系統的兩個組成部分。

3.2.1 環境傳感器 農業大棚常用的環境傳感器為，溫濕度傳感器、電子溫度計、空氣濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳濃度傳感器、智能芯片與通信模塊等。智能傳感器通電后，主控芯片發出采集信息的指令，待信息回傳后，主控芯片對信息進行編碼，將數據通過通信模塊進行發送。

溫濕度傳感器：在農業大棚實際的布置中，對溫濕度傳感器的需求為小巧，精準高。德國的BME280為一款功能多、尺寸小、精度高的三合一傳感器，它可以同時收集大棚內的溫濕度與氣壓的數據，適合應用于農業大棚中。

光照傳感器：適宜的光照促進農作物的光合作用，農業大棚采用光敏電阻測量光照強度。光敏電阻利用光電導效應原理制成的電阻器，隨著光照強弱的變化而改變電阻值，對光照程度進行監測。建議采用5506光敏電阻，因其對光線敏感性高，光照強度越高，電阻值越低。

二氧化碳傳感器：二氧化碳傳感器應選用靈敏度強、分辨率高、能耗低的小型傳感器，并具備數字與波形輸出，高效便捷。

3.2.2 數據采集器 數據采集器是農業大棚環境監測的核心組件，負責收集、顯示與處理大棚內環境數據。數據采集器包含ARM?核心控制板、SD卡模塊、RS-485通信模塊、FLASH模塊、LCD屏顯示模塊、ZigBee模塊、無線射頻收發模塊與預警報警模塊等。數據采集器的功能為數據接收、存儲、顯示、處理與預警報警功能。數據采集器將傳感器收集到的環境數據進行預處理，保存至內部Flash之中，保證足夠的存儲空間與信息存儲安全。在數據采集器面板上設計LCD屏，收集到實時的數據通過LCD屏顯示出來，利于工作人員閱讀并利用相關數據。數據采集器還可以嵌入Linux系統，將預設的溫度模型錄入后，預測大棚內的溫度變化，提升農業大棚內環境調控能力。

3.2.3 模塊電路 農業大棚內環境監測的每一個硬件系統，都需要電源模塊的支持。環境監測系統的功能模塊種類多，不同模塊對電壓的需求不同。環境傳感器的點位靈活，電源適配器不適合用來供電，建議使用5V鋰電池供電，鋰電池的特點為充電快、質量輕、安全可靠，適合應用與農業大棚環境傳感器中。數據采集器作為核心組件，必須保證電源穩定且安全可靠。主要使用電源適配器供應電源，使用AMS1117穩壓芯片，能夠輸出1A的電流，其輸出電壓穩定、耐溫范圍廣、精度高，適合應用與數據采集器電源供應。

3.2.4 故障檢測技術 故障監測作為農業大棚環境監測系統的輔助功能，當傳感器或視頻處理模塊出現故障后，系統會進行預警與報警處理，農業大棚工作人員通過系統提供的故障代碼，找到問題模塊或元件，及時對其維修或更換。

3.3 環境監測的系統軟件

農業大棚環境監測系統的設計，通過計算機語言編寫程序，并運用對應的計算機技術，完成數據采集器與服務器之間的信息共享，并展示動態數據的變化。強大的數據庫能夠提高信息存儲容量，進行分析比對，更加高效快捷的運用實時數據。

3.3.1 Linux系統 近年來，Linux系統成為嵌入式系統研究熱點。運用系統本身的特質，應用于嵌入式系統之中，Linux實施操作系統，主要應用數據通信與控制。

3.3.2 STM32軟件STM32軟件是一款可以ARM架構編程的開發工具，可調用的庫函數較多，使用μVision操作界面，操作簡單，便于應用。采用C語言編程，C語言語法簡潔、緊湊；使用方便、靈活。

3.4 防止數據沖突機制

智能監測系統會出現同一時點數據擁堵的情況。通過三角劃分，提前預判沖突，運用數學公式對其進行計算，通過建立數據間的數學關系，分析數據擁堵概率，并持續對其進行校驗，進而提高計算的準確率，避免數據碰撞情況的出現。

本文對農業大棚環境監測系統的硬件與軟件進行研究，針對大棚環境監測終端設備進行設計，注重數據的獲取與提高設備的適用性，促進該系統的進一步應用與普及。