基于物聯網的精準農業環境監測系統設計

吳夏艷　郝嘉駿　肖麗萍　王輝

摘要：隨著物聯網信息技術的高速發展，精細農業越來越成為我國現代農業的發展重點。為滿足精準農業對環境監測的需求，以物聯網技術為基礎，結合無線傳感技術，建立精準農業環境監測系統，該系統從數據節點的信息采集、系統基站和遠程監控系統三個方面進行分析，最終實現了對農業現場光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度等要素的智能監控。

關鍵詞：物聯網 精準農業 環境監測 傳感節點

中圖分類號：TP202 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0181-02

1 引言

傳統農業模式下導致的產品質量問題，資源利用率不足，生態環境污染，多樣化的品種需求等諸多問題使農業生產不能達到良性循環的需求。而隨著物聯網技術的發展，精準農業為現代農業的發展提供了一個可持續發展方向，智能精準農業將逐步取代傳統農業生產，這不僅是現代農業發展的趨勢，更是符合我國當代國情的選擇[1]。智能精準農業能夠實現高效利用各類農業資源以及改善環境，促進農業發展方式的轉變。大幅度提高農業生產力同時，也是實現農業高質量、高產量、高環保和低耗能的可持續發展的有效途徑。

2 系統總體設計

2.1 需求分析

在精準農業大棚內部署各類無線傳感器設備，用來種植現場的土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照強度以及二氧化碳濃度等環境參數。農業大棚內各類傳感設備采用電池供電，農業信息采用無線傳輸。各農業大棚園區內配備1套路由節點、無線網關節點等構成信息采集傳輸設備，覆蓋整個農業大棚區，同時，大棚內還應配有少量固定生活供電設備，為風機、加熱器、電卷門、水泵等執行部件供電。最后，從實現功能上講，農業大棚現場信息傳輸通過Internet實現與后臺服務器交互，并通過接受控制指令、響應執行設備，實現對大棚內的智能卷簾、噴水、通風等智能控制，調節農業現場作物環境。

2.2 系統體系結構設計

2.2.1 系統總框架

圖1為系統總體結構設計示意圖的具體展示，整個系統包含有無線通信網絡、Internet網以及3G/4G通信網絡。從應用層面講，系統由感知層、網絡構架層和應用層三部分組成。感知層由大棚內部若干傳感節點組成，用于獲取農業現場環境參數；網絡構架層由路由網關、3G/4G通信網絡模塊和移動基站構成，實現信息通訊；應用層由Web服務器和SQL數據庫構成，用來實現數據信息存儲以及發布。

2.2.2 信息采集系統

信息采集系統實現大棚內溫濕度、光照強度和土壤含水量等數據信息的采集和控制。用戶可能通過訪問服務器監測大棚內部環境參數，還可控制現場執行部件。

3 硬件系統設計

3.1 總體硬件設計

圖3所示，系統的總體硬件設計以MCU為控制中心搭載傳感器、電池以及射頻模塊組成，實現對大棚內環境實時檢測并采集數據。具體而言，各個硬件模塊通過ZigBee無線網絡將種植現場采集到的數據信息與標準生長環境參數對比，由無線收發模塊進行傳輸數據，從而實現對大棚內環境信息的進行遠程控制[2]。

3.2 傳感器節點硬件設計

圖4傳感器節點主要實現數據控制處理模塊，實現功能包括對節點數據處理的算法、節點的通信算法，以及節點的多任務處理，包括外部傳感器模塊、處理器模塊、按鍵模塊、LED模塊、JTAG接口、供電模塊和無線通信模塊等。

4 系統實現與監測實驗

4.1 系統軟件實現方案

一體化控制器、執行設備以及相關線路等構成了整個控制系統。通過控制器可以自由控制各種農業生產執行設備，如：噴水系統（可支持噴淋、滴灌等）、空氣調節系統（可支持卷簾、風機、通風等）、光照調節系統等。圖5為軟件總體設計示意圖[3]。

4.2 上位機（PC機）監控界面

經測試，系統軟硬件均工作正常，可實現預期目標中絕大部分功能。通過ZigBee節點組網測試實現各節點間組網并能正常通信；通過傳感器節點控制實現溫室的遠程控制功能；通過ZigBee與GPRS間的聯合調試，實現終端節點采集光照并由GPRS模塊發送采集數據到手機，實現溫室遠程監控的功能；系統充分發揮了ZigBee具有強大的網絡擴展功能，結合GPRS模塊可實現農業信息傳輸的多樣性。圖6為環境監控界面。

如圖7所示包含了溫度傳感器模塊的網絡地址，溫度信息，及上傳時間。上位機收到的信息首先進行預處理，存入數據庫，然后再從數據庫讀取出，根據時間信息，畫出歷史曲線圖。

5 結語

本文提出了一種基于物聯網的精準農業環境監測系統方案，可實現對農業大棚中各種環境參數進行監測，大大節約了農業管理者的勞動成本，同時，對農作物的生長和實現對溫室大棚環境的實時監控，為提高農作物產量提供了強有力的數據支持。該系統設計方案系統界面穩定，操作界面簡單且擴展性強具有較好的應用前景。

參考文獻

[1]楊超，魏東，莊俊華.基于ZigBee無線網絡技術的地下車庫照明節能控制系統研發[J].電工技術學報，2015（S1）：490-495.

[2]張雄，秦會斌，毛祥根，等.基于ZigBee無線網絡的室內溫度監測系統[J].電子質量，2015（2）：13-17.

[3]李頎，馮宇謙，周曉嵐.基于ZigBee無線網絡的養殖場信息監測系統設計[J].陜西科技大學學報（自然科學版），2016（01）：164-170.