基于農業物聯網的果園環境智能監測系統設計

趙文星++吳至境++劉德力

摘要：針對果園環境智能監測的需求，設計了一種基于農業物聯網果園環境監測系統。該系統由網絡高清紅外智能球、土壤節點、環境節點、網關節點和遠程控制中心組成，能夠對果園農場內土壤溫濕度、葉面濕度、空氣溫濕度、風速風向、太陽輻射、紫外線輻射、雨量、大氣壓力等進行實時在線監測，并轉發給控制中心，控制中心對數據進行處理并用各種圖表格式顯示出來。經過2年多的穩定運行，系統具有操作簡單、方便直觀、配置靈活、功耗低、網絡容量大等優點。

關鍵詞：果園環境監測；農業物聯網；智能監測

中圖分類號： S126；TP277文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0391-04

物聯網作為一個新經濟增長點的戰略新興產業，具有良好的市場效益，廣泛地應用于農業生產上，能夠有效地控制農作物的生長，提高農作物產量和品質，實現農作物的高產、高效、優質、生態、安全[1-2]。農業物聯網是物聯網技術在農業生產、經營、管理和服務中的具體應用，就是運用各類傳感器、RFID、視覺采集終端等感知設備，廣泛地采集大田種植、設施園藝、畜禽養殖、水產養殖、農產品物流等領域的現場信息；通過建立數據傳輸和格式轉換方法，充分利用無線傳感器網絡、電信網和互聯網等多種現代信息傳輸通道，實現農業信息的多尺度的可靠傳輸；最后將獲取的海量農業信息進行融合、處理，并通過智能化操作終端實現農業的自動化生產、最優化控制、智能化管理、系統化物流、電子化交易，進而實現農業集約、高產、優質、高效、生態和安全的目標[3]。在現代果園農場中，實現果園數字化、信息化是未來發展的趨勢，實現果園環境智能監測有利于增強柑橘產業決策和管理能力[4]，對環境、土壤和果樹信息進行智能監測預測具有重要的意義。

1果園環境智能監測系統總體結構

系統應用于全國首家果園精準生產示范基地，即江西千里山（通津）種植基地。果園智能監測系統的拓撲結構[5]如圖1所示，包括5個部分：網絡高清紅外智能球、土壤節點、環境節點、網關節點和遠程控制中心。網絡高清紅外智能球具有遠程監控、網絡傳輸和智能高清的特點，白天自動聚焦提供清晰圖像，晚上能利用紅外燈進行圖像的清晰識別[6]。土壤節點和環境節點均擁有各種傳感器、低能耗微處理器和短距離無線通信模塊，負責感知信息參數并把相關數據發送往網關節點；網關節點電源充足，容量較大，通信能力較強，轉發節點采集的信息至遠程控制中心；遠程控制中心接收網關節點發來的數據包，再進行分析處理智能顯示，同時下達動作指令。

2設備開發

2.1網絡高清紅外智能球

網絡高清紅外智能球由景賽AC24V3A專用適配器供電，采用海康威視高端智能球。在網絡高清紅外智能球中內置云臺，云臺由運轉平穩、反應靈敏、定位準確的精密步進電機驅動，再加上精巧的機械驅動裝置，支持水平360度連續旋轉。這樣就可以按照用戶的意愿，實時調節角度，實現預置點定位、自動翻轉、巡航掃描和花樣掃描等功能[6]。網絡高清紅外智能球內置網絡視頻服務器，支持服務器端本地回放，同時也可以編碼成H.264標準的信息流存儲在本地服務器的硬盤和發送至遠程客戶端。遠程客戶端登入到服務器端，通過轉發的方式訪問網絡高清紅外智能球，遠程客戶端在內置網絡視頻服務器的協助下通過UDP打洞的方式訪問網絡高清紅外智能球。通過訪問網絡高清紅外智能球實現云臺、智能球的遠程控制。

2.2土壤節點設計

圖2為土壤節點的結構。土壤節點主板主要包括MCU微處理器，nRF2401無線通信模塊，溫度、水分、葉面濕度以及模擬量采集電路，實時時鐘模塊，UART模塊，Flash模塊，電源模塊等[7]。土壤節點配備了4個溫度傳感器、4個濕度傳感器和1個葉面濕度傳感器。4個溫度傳感器和4個濕度傳感器位于土壤10、20、40、60 cm的深度。通過預先設定8個不同的ID，將采集的土壤環境信息發送給網關節點。土壤溫度傳感器是由2根長4.6 m線引出的銀灰色不銹鋼探頭組成，該探頭的不銹鋼端長64mm，用于測量空氣溫度、土壤溫度和水分溫度。土壤濕度傳感器是Irrometer公司的電阻型傳感器，通過間接標刻度的方法來測量土壤濕度。葉面濕度傳感器由低壓雙勵磁電路和電導率檢測電路組成的傳感網，用于檢測植物表面的水分和計算濕度持續的時間。圖3為土壤節點傳感器的細節圖。

2.3環境節點設計

環境節點主板與土壤節點基本相同，不同的是傳感器類型不同。環境節點可以監測空氣溫濕度、風速風向、雨量、太陽輻射、紫外線輻射等參數。除了采集的信息參數不同，環境節點的軟硬件設計與土壤節點是一樣。在此不再重述。

2.4網關節點設計

網關節點在整個監測系統中具有重要作用，距離中央計算機300 m。網關節點由轉發器、開關電源、串口服務器、蓄電池和交換機組成。所有設備都放置在防塵、防水IP67防護等級的野外密封防護箱里。轉發器通過短距離無線模塊與土壤節點和環境節點通信，實現柑橘土壤信息、果園環境信息和柑橘信息的實時采集，傳輸至控制中心達到信息存儲的目的。圖4為轉發器安裝配置圖。圖5為網關節點的結構圖。

3控制中心設計

控制中心通過串口服務器與現場的傳感網絡連接。為了安全控制中心采用C/S結構設計，應用程序分為客戶端和服務器端。客戶端負責執行用戶要求服務并將需要服務的內容申請至服務器，同時將服務器返回的內容反饋給用戶。控制中心通過服務器端構建MySQL數據庫。服務器端正常是市電供電，當正常交流供電中斷時，控制中心采用了UPS供電，將蓄電池輸出的直流變換成交流持續供電的電源設備。為了保障系統的穩定安全的運行，控制中心在內部網絡和外部網絡之間構建了一個網絡安全系統，采用了防火墻。

4系統測試與應用

系統部署在經度115°54′，緯度28°54′，海拔260 m的萬安果園農場。網絡高清紅外智能球測試預置點、自動聚焦、日夜模式、三維智能定位和巡航掃描等功能。

在安裝到江西千里山果園之前，還需要做如下測試[8]：（1）能量供應測試；（2）硬件功能和數據傳輸測試；（3）串口服務器-控制端之間信號測試；（4）網關節點-環境節點、網關節點-土壤節點的通信測試。

系統利用視頻監測技術，實現了果樹生長、營養狀況、病蟲害等信息的遠距離動態監測。網絡高清紅外智能球的監測情況如圖6所示。系統利用物聯網技術，實現了果園氣象要素的遠距離實時監測。氣象要素有風速、風向、溫度、濕度、雨量、大氣壓力、太陽輻射等。圖7為氣象要素實時信息。

果園環境采集的數據包括室外溫濕度、風速風向、大氣壓力、UV指數、葉面濕度、葉面溫度、雨量、不同深度土壤的溫濕度、露點、風寒指數和熱指數等。圖8為2014年1月1日的室外溫濕度和土壤節點信息圖。從圖8可以看到，室外溫度變化平穩，在14：00稍有升高，基本穩定在20 ℃左右；室外濕度從上午11：00開始下降至18：00達到最低，后緩慢回升至90%；葉面溫度基本維持在20 ℃左右；葉面濕度12：00—20：00為0，其他時候基本維持在15 cb；不同深度土壤的溫濕度不同，土壤節點深度為10、20、40、60 cm濕度分別基本穩定為22、14、11、8 cb；土壤溫度不同深度各不相同。影響室外溫濕度和土壤節點信息的因素是前段時間連續大雨甚至暴雨引起土壤濕度有明顯差異，后天氣晴朗照射在土壤上引起不同深度溫度不同。

5結束語

基于農業物聯網的果園環境智能監測系統已經在江西省萬安柑橘園投入試用，系統實現了土壤、環境和柑橘信息遠距離實時獲取、控制和管理，具有操作簡單、方便直觀、配置靈活、功耗低、網絡容量大等優點。綜上所述，監測系統的功能如下：（1）土壤節點、環境節點和網關節點形成傳感監測網。（2）土壤節點存儲土壤的溫度、濕度、葉面濕度等信息，并以數據包的形式轉發給網關節點。（3）環境節點監測風速、風向、空氣溫濕度、降雨量、太陽輻射和紫外線輻射，并以數據包的形式轉發給網關節點。（4）網關節點將匯聚的數據通過串口服務器傳輸至控制中心。（5）系統安全與自修復功能。

參考文獻：

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