現代農業大棚環境監測系統設計研究

屠民偉　陳江明　韓幼華

摘要：本文旨在對農業大棚環境檢測的需求展開分析，從而設計現代農業大棚環境監測系統，實現人工管理到智能管理的轉變。

關鍵詞：農業大棚;環境監測;系統設計

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）02-0149-02

近年來，農業大棚主要采用人工方式實現環境監測，然而該環境監測方法所采集的信息并不全面，極其容易對農作物產量造成影響，更無法實現農民增產增收的目的。為此，現代農業大棚的環境監測尤為重要，本文在基于ZigBee技術理論基礎上，結合實際需求將傳感器網絡化，提高了農業大棚環境監測系統的可靠性與無線性。

1 ZigBee技術

作為全新的無線通信技術——ZigBee技術，可實現傳輸速率不高且短距離情況下的電子設備數據傳輸，具有低反應時間數據、間歇性數據以及周期性數據等特點。與GSM、CDMA類似，均屬于無線數據傳輸網絡，ZigBee可通過模塊之間的相互通信，實現無限擴展。ZigBee的特點在于低功耗、低成本、網絡容量大以及自組織網絡等，其協議棧主要包括安全服務提供層、應用層、網絡層、介入接入控制層以及物理層。

2 系統需求分析

ZigBee單點可覆蓋75米左右，考慮到費用和設計復雜度的問題，在大棚中心位置設置協調器節點，大棚每個進出口位置設置路由器節點，大棚均勻布置兩個終端節點，并負責建立、管理網絡，將搜集到的環境參數上傳到上機位。路由器節點需要統籌整個大棚的環境參數，并上傳到協調器。根據系統設計的實際需求，現對系統運行過程介紹如下：

（1）實施采集光照強度、土壤濕度以及空氣溫濕度等大棚環境信息，并上述按到協調器節點;（2）匯總轉發協調器節點數據;（3）于上機位實現人機交互，對終端客戶提供預警、查詢等功能。

3 現代農業大棚環境監測系統設計

3.1 系統組成

本系統的傳感器模塊設計主要包括空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光照強度傳感器，具體如圖1所示。本文應用樹形網絡拓撲結構，具有整體結構明確、費用低、傳輸路徑位移、拓展便捷等優勢[1]。

3.2 系統硬件設計

（1）傳感器模塊。傳感器模塊主要包括A/D轉換器、傳感器，由于傳感器模塊需要布置于大棚中，是對整個大棚的環境參數進行監測，其選擇十分關鍵。由于大棚空氣流動性差、空間封閉，提供適宜的光照、土壤含水量以及空氣質量，均可以影響作物的生長速度與品質，為此，本文注重選擇光照強度、土壤濕度、空氣溫濕度三個參數作為傳感器模塊的數據采集因子。（2）處理器模塊。本系統的各個節點均要具備較快的運行速度及較高的集成度，故而選用CC2530F256，256KB閃存，作為ZigBee單芯片解決方案，具有高功低耗的優點，而且由于CC2530單片機的資源較為強大，所以其單個芯片便可實現諸多功能，節省外部單片機，降低成本。本系統處理器模塊的特點在于支持ZigBee及其他基于IEEE802.15.4標準的解決方案、高靈敏度、一流阻電性能。（3）無線通信模塊。在無障礙物傳輸試驗中，CC2530的實際傳輸距離為200m，有障礙物傳輸試驗的傳輸距離則為60，考慮農業大棚環境的實際情況，本系統額外增加CC2591射頻芯片，提升傳輸距離，并提高數據傳輸穩定性。（4）電源模塊。節電工作時，需要電源供給才能確保正常運轉，本系統供電不可停止，為此協調節點選用USB連接電源，實現直接供電，其他節點采用電池供電。（5）協調器節點。因為協調器節點需要與上機位形成組網和串口連接，所以不必進行數據采集，其主要硬件包括串口通信模塊、電源模塊、無線通信模塊以及處理器模塊。本系統網絡規模不大，且大棚內環境的傳輸距離有限，所以對通信速度的要求并不高，故而選用RS232接口。（6）路由器節點。路由器節點既不用串口連接，也不用數據采集，僅僅實現數據轉發即可，為此，其基本機構主要包括電源模塊、無線通信模塊以及處理器模塊。一般來說，也可在路由器節點中加入傳感器模塊，從而豐富了路由器節點功能，實現數據采集[2]。

3.3 上機位監測系統設計

上機位監測系統設計具體如：（1）用戶登陸。主要用于用戶登錄環境監測系統的界面，要求用戶輸入正確用戶名、密碼后方可進入系統，實現系統的操作、查詢，否則無法登陸。（2）信息管理。主要對大棚、設備、用戶的信息進行綜合管理，其中，用戶信息管理負責儲存用戶信息，包括用戶ID及其權限等，設備信息管理負責更新關聯設備表，包括設備類型、編號等，大棚信息管理負責記錄、儲存大棚數據，包括大棚作物的成長周期、種植時間、大棚編號等。（3）數據庫管理。數據庫管理主要包括參數閾值、數據查詢、數據儲存以及實時數據管理的四個部分用于實現農作物環境信息的查詢、顯示功能，并可輔助用戶根據專家庫設置環境參數范圍，從而實現調整閾值來控制環境因素的目的。（4）通信。選用RS232實現環境監測系統的上機位與協調器之間的通信。

4 結語

綜上所述，現代農業大棚的環境監測是未來農業發展的大勢所趨，通過對影響農作物的環境因素進行監測，實現作物高產，而環境監測系統作為行之有效的信息技術有點，可幫助大棚管理人員第一時間得到不利于作物生長的預警，便于快速解決大棚問題，促使農作物始終在適宜的環境下成長。

參考文獻

[1] 楊飛，謝濤，伍英，等.基于WIFI的農業物聯網溫室大棚環境監測系統的設計[J].計算機測量與控制，2017（2）：50-53.

[2] 唐英姿，蔣峰.遠程無線高精度溫室大棚環境監控系統設計[J].江蘇農業科學，2017（15）：217-222.

Design of Environmental Monitoring System for Modern Agricultural Greenhouse

TU Min-wei1，CHEN Jiang-ming2， HAN You-hua3

（1.Hangzhou Zhanwang Technology Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang? 310000;

2.Hangzhou Jiwang Communications Technology Co.， Ltd. ， Hangzhou Zhejiang? 310000;

3.Hangzhou Yihe Network Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang? 310000）

Abstract：The purpose of this paper is to analyze the requirements of environmental monitoring in agricultural greenhouses， so as to design a modern environmental monitoring system for agricultural greenhouses， and realize the transformation from manual management to intelligent management.

Key words：agricultural greenhouse; environmental monitoring; system design