基于物聯網技術的智能溫室環境監控中的應用研究

徐偉 張曉峰

[摘要] 本文是以物聯網在農業產業中的應用為基礎，在物聯網技術的基礎上與其相關技術相結合，完成對智能溫室進行集中管理與控制，在應用中實現精確控制提高農產品產量與質量。該溫室控制系統可進行精確的自動采集與存儲，依照溫室大棚內的生產作物的生長環境和生長需求，完成溫室內各項參數指標的準確控制，最終實現智能溫室控制與信息化的完美融合。

[關鍵詞] 物聯網；智能控制；溫室；農業信息化

[DOI] 10.13939/j.cnki.zgsc.2015.24.051

中國是農業和人口大國，農業生產在國民經濟發展中有著舉足輕重的作用。在國家大力發展現代化大農業的宏觀背景下，農業生產過程的綠色環保、精準智能正在逐步成為主流發展方向。

利用物聯網技術，可以實現實時遠程監控大棚土壤含水量與酸堿度，棚內光照、溫度與濕度，甚至監測病蟲害情況。配合相應的控制系統，可以實現棚內環境的遠程控制和自動控制，為農作物營造最適宜的生長環境，實現溫室作物生產精細化的調控與管理，提高作物產量，提升生產水平，推動現代化農業建設。

1 ZigBee技術及無線傳感器網絡的建立

ZigBee技術是一種在控制器件或傳感器之間的無線通信技術。與其他通信技術相比，ZigBee技術具有成本低、功耗小、能夠自動組網等優點，但同時也存在傳輸速率低、覆蓋范圍小等缺點，如果在系統中要求的傳輸的速率不是很高的情況下ZigBee技術就比較適合。

ZigBee技術有自己的無線電標準，主要為自動化控制數據傳輸而建立，在傳感器構建的網絡里依靠ZigBee技術可以實現節點之間的信息傳遞。所傳遞的信息以無線電信號的形式向外輻射，在信息傳遞中需要的功耗非常的低，并以接力的形式傳遞增加了傳遞的可靠性。

無線傳感網絡技術是在傳感器、無線通信和低功耗嵌入式系統的基礎上發展起來的。它在完成環境信息感知的同時以其低功耗、低成本、白組織的特點進行工作。我們在需要環境信息監控的位置布置對應的傳感器節點，再把它們組織成一個網絡。物聯網智能溫室控制系統在無線傳感器網絡技術的基礎上完成數據采集功能（溫濕度數據采集、光照度數據采集、安防信息數據采集）和自動控制功能（風扇控制、加濕器控制、加熱器控制），通過ZigBee協議實現無線傳感器網絡中的數據通信。

無線傳感網絡節點采用模塊化設計，共四部分，分別是核心板、傳感器模組、控制模組、主板等。結構化的設計方便用戶更換器件，最大程度地滿足實際設計的需求。其中核心板、傳感器模組、主板組合為數據采集節點，核心板、控制模組、主板三者組合為控制節點。

2 智能溫室系統整體設計

應用無線傳感器網絡技術實現數據控制與采集功能的物聯網智能溫室控制系統選用ZigBee協議來組建無線傳感器網絡；GPRS和Intemet網遠程訪問與控制功能、數據顯示功能、視頻監測功能，均選用Lmux操作系統的嵌入式網關技術運行的載體來完成。

無線傳感器網絡采集的數據由嵌入式網關完成數據的存儲，存儲的位置在數據庫中并對其進行管理，按照系統的需求調取相關數據。液晶顯示器完成顯示數據功能；驅動USB攝像頭完成視頻監測功能。在GPRS模塊的作用下網關可以將數據以無線的形式上傳到GPRS網絡上實現資源共享，通過無線網卡和無線路由將數據共享到Intemet網中，實現了農業溫室環境信息與人之間的交互即物聯網。

3 智能溫室系統測試與分析

整個溫室系統可以工作在自動控制和手動控制兩種模式。在自動控制模式下，嵌入式網關將根據用戶設定的各項作物生長環境參數進行自動調節，比如用戶設定的溫室內溫度不低于25℃，當檢測到溫度低于25℃時，系統會自動開啟加熱器，提高環境的溫度；在手動控制模式下，用戶可以通過嵌入式網關界面打開或關閉風扇、加熱器、加濕器這些位置，還可以通過控制卷簾的展開和收縮人為調節光照度。系統上電后默認工作在自動控制模式。

（1） 在自動控制模式下可以設定系統的各項自動調節閾值。

（2） 可以設置的項目包括溫度閾值（自動加熱的溫度下限）、濕度閾值（自動加濕的濕度下限）、光照度（自動通風的光照上限）以及卷簾每天自動打開和自動收縮的時間。每一項設置在自動控制模式下的具體作用：①溫度：當系統檢測到溫室環境溫度低于此值時，會自動開啟加熱器，否則加熱器保持關閉。②濕度：當系統檢測到溫室環境濕度低于此值時，會自動開啟加濕器，否則加濕器保持關閉。③光照度：當系統檢測到光照度高于此值時，會自動開啟風扇，否則風扇保持關閉。④卷簾工作時間：系統自動控制卷簾的狀態，當處于設定的時間范圍內保持收縮，否則展開卷簾。

4 結論

本文設計的溫室控制系統采用無線傳感器網絡，免去布線的麻煩，提高自動化程度，同時提高傳感器布置的靈活性、方便區域化測控。菜單的設置使本系統可以應用于更加廣泛的范圍，應用于不同的領域，同時也可以對報警方式進行選擇，對傳感器以及短信進行設置。應用網關界面進行數據的顯示與調試，將系統中傳感器測得的值和商用傳感器測得值進行比較，了解傳感器的穩定性和反應速度，更進一步了解整個系統的檢測性能。

該系統在示范園區進行了測試，在數據遠端監控的實時性和精度上還存在欠缺，如：實際測量溫度26℃，在監控界面下顯示與實際存在2℃～3℃的誤差，在視頻監控上，由于移動網絡傳輸速度的限制，現在還無法完成預定的任務，本系統在傳感器的測量精度上和信號傳輸速度上還需要做一定的改進。選用工業級測量精度更高的傳感器器件，依靠4G網絡的高速率傳輸，來完善系統功能。

在農業溫室智能化應用方面繼續完善系統并進行深入研究，進一步拓展應用，為系統的大面積實施提供技術保證。在未來的研究中，可以使用虛擬化技術和云平臺建立農業溫室智能化應用平臺，也就是在智能農業物聯網的基礎上建立云計算上的農業云資源與云應用服務平臺。