淺析基于移動互聯網的農業大棚智能監控系統的設計

徐貴鳳，王士璽，卜燦燦

（山東英才學院，濟南250104）

1 引言

眾所周知，我國是農業大國，所以農業的發展直接影響著我國國民經濟的發展。近年來，我國農業取得了較大的進展，農業大棚技術是保障我國農業健康、持續發展的重要基礎技術，受到社會各界的廣泛關注，而智能監控技術作為農業大棚中不可或缺的技術，也受到了人們的重點關注。智能監控系統能夠對農業大棚內的環境進行有效監測和調控，使得農業工作人員能及時了解農作物的生長情況，其應用對于農業發展有重要意義[2]。

2 移動互聯網關鍵技術概述

移動互聯網技術在農業中的應用其實就是指在農業生產過程中，運用移動互聯網技術或設備對農業生產信息進行采集和監控，進而實現農業生產活動的合理規劃，減少農業工作人員的工作量，提升農業生產的智能化水平。在早些時期，農業大棚監控系統主要應用的是有線布線方式，但是這種方法存在較多的缺點，例如初期的安裝以及后期設備的升級比較困難，并且在農業大棚種植范圍不斷擴大的情況下，監控系統的布線及升級也變得越來越復雜。而在農業大棚監控系統中應用移動互聯網技術能很好地解決有線布線方式的問題。這種技術的無線傳輸能夠克服有線傳輸布線復雜的困難，并且可以通過網絡利用計算機、手機等設備對農業大棚內農作物的生長情況、生長環境等進行監控。

現階段，移動互聯網絡技術中的ZigBee技術和GPRS技術在農業大棚監控系統中有比較廣泛的應用。由于ZigBee無線技術具有可靠性高、傳輸距離短、耗能低等多個優點，所以其在數據采集工作中具有較大的優勢。與此同時，ZigBee無線技術的自組網特性使其可以較好地實現傳感設備數據的無線傳輸。以GSM為基礎的GPRS（通用分組無線數據傳輸技術），該技術也有傳輸速度快、覆蓋范圍較廣、通信質量較高以及隨時在線等多項優點。GPRS技術支持TCP／IP協議，能夠和因特網直接進行連接。所以，在農業大棚監控系統中應用ZigBee及GPRS兩項技術，能使ZigBee網絡短距離通信與GPRS網絡遠距離通信的優勢互補，有利于農業大棚智能化的發展。

3 農業大棚智能監控系統需求分析

3.1 系統數據采集需求

數據釆集就是對農業大棚內的相關環境數據進行收集，其需要滿足下面幾點要求：第一，由于農業大棚通常占地面積比較大，小范圍的數據采集無法有效體現出大棚內整體的狀態，因此，相關環境數據的采集范圍需要涵蓋整個大棚內所有的關鍵性區域，這樣才能夠體現出大棚整體的運行狀態；第二，由于大棚內環境的相關數據會受到各種外界因素的干擾，可能會隨時發生改變，所以，進行數據采集時需要具有較高的采集頻率，這個時間間隔應該能夠調節，最好是控制在10～30s；第三，在農業大棚內，影響農作物生長環境因素主要包括溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度以及土壤含水率，這些環境因素直接影響農作物的生長情況，所以進行數據采集時必須采集這些環境數據。

3.2 系統數據存儲需求

數據存儲是農業大棚智能監控系統必須具備的功能，其主要有下面幾點要求：第一，安全性較高。高安全性是數據存儲必須具備的特性，因為一旦存儲的數據出現丟失、損壞等情況，就可能對整個系統的正常運行造成較大的影響。因此，系統應該能夠實現數據的實時備份和異地備份等功能。第二，容易管理。隨著農業大棚智能監控系統的運行，數據會越來越多，數據存儲工作也會變得更加煩瑣，因此必須具有易管理的特性。第三，具有可擴展性。數據存儲必須具備可擴展性，可以在數據容量需求不斷提升的情況下，實現存儲空間的有效擴展。第四，要具有時效性。農業工作人員可能在某一時間點調用系統中存儲的歷史數據，所以系統必須能夠存儲3年以內的數據。

3.3 系統數據管理需求

數據管理，顧名思義就是對系統中的數據進行管理，這些數據主要有用戶數據、設備數據以及環境數據等。這其中用戶數據及設備數據會依據智能監控系統的變更而修改，這兩種數據的管理屬于業務數據的管理。環境數據管理主要是對實時和歷史環境數據進行的管理。實時環境數據主要體現了大棚內當下環境狀況，數據量比較小。而歷史環境數據主要體現了大棚內之前的環境狀況，所以數據量會比較大。通常在系統中，實時環境數據被調用的次數遠遠大于歷史環境數據，因此，不論是存儲還是查詢，實時數據都應該具有較高的優先級。

4 農業大棚智能監控系統的總體設計

農業大棚智能監控系統主要包括ZigBee無線傳感器監控模塊、ZigBee+GPRS無線網關通信模塊以及監控客戶端3個部分。系統的工作原理是：ZigBee無線傳感器監控模塊利用ZigBee網絡把采集到的農業大棚內的環境數據集中到ZigBee+GPRS無線網關通信模塊，該模塊再將處理之后的數據通過GPRS網絡鏈接到移動或聯通基站，基站再將數據傳輸到監控客戶端上，最后監控客戶端再對數據進行處理，支持用戶對農業大棚內的實時環境數據進行直觀的觀測。

4.1 ZigBee無線傳感器監控模塊設計

ZigBee無線傳感器監控模塊（如圖1所示）需要實現數據采集、數據處理、設備控制以及電源管理4項功能。所以，ZigBee傳感器監控模塊設計了以下4個模塊：監測模塊主要功能是連接各種傳感器，采集大棚內的相關環境數據；CC2530模塊其實就是中央處理器模塊，它是整個系統的核心，其主要功能是對傳感器所采集的數據進行處理，并且實時地處理上級下發的一些控制命令；而控制模塊的主要功能是連接農業大棚內的控制設備，控制設備進行灌溉、通風等工作；電源模塊的主要功能就是進行電源管理，為整個系統提供穩定、持續的電能。

圖1 Zigbee無線傳感器監控模塊電路框圖

4.2 ZigBee+GPRS無線網關通信模塊

在基于移動互聯網的農業大棚智能監控系統中，ZigBee+GPRS無線網關通信模塊有效地結合了ZigBee技術以及GPRS技術的優點，使這兩種技術強強聯合、優勢互補，進而有效促進農業大棚監控系統的智能化發展。這兩種技術的結合不僅能夠減少系統的整體成本，更重要的是使系統網絡的覆蓋范圍得到擴大。在硬件結構上整個Zigbee+GPRS無線網關通信模塊主要包括ZigBee協調器和GPRS無線模塊，這兩個模塊之間通過UART串口進行通信。

5 結語

總而言之，在農業大棚智能監控系統中應用移動互聯網技術，有利于提升農業大棚監控系統的智能化水平，通過應用高速的移動通信網絡，對農業大棚內的環境數據、生物生長情況進行實時監控，與此同時還能實現對大棚內設備的有效控制，進而確保農業大棚內生產環境的穩定性，使農作物健康生長。