基于物聯網技術的果園環境監測系統實現探究

馬麗紅　高茜茜　常勇　于蕾

摘 要：果園環境參數的監測能夠為規模化果園的生產提供有益的參考和依據。基于物聯網技術的果園環境監測系統，采用多種傳感器監測果園環境參數，并通過4G網絡傳輸至服務器端進行分析、處理，可以為精準果業生產提供幫助。

關鍵詞：物聯網;果園環境監測;智能采集節點

中圖分類號：S126

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190715008

我國果業在農業中占據著關鍵地位，同時果業的發展也與廣大果農的利益息息相關。最近幾年，逐漸成熟的物聯網技術越來越多地應用于精準農業生產和品質管理[1]。通過傳感器信息采集、多元數據融合以及物聯網等多種技術的結合，在果園中建設監測系統實時監測果樹生長環境[2]，實現農業生產過程的自動化、智能化、科學化管理。光照、溫度、土壤和水分等環境條件都會影響果樹的生長和水果的發育。但是對這些環境信息的大規模采集和不間斷監測產生了大量冗雜的信息，因此增加了數據處理和管理的難度，需要較高的投資成本。在傳統果園中，果樹的生長、種植以及病蟲害的判斷是通過人工進行管理和監測的，不僅耗費人力物力，而且依賴于果農的經驗，帶來了不確定性和不穩定性。隨著物聯網、傳感器和通信技術的飛速發展，實現果園數字化、信息化是未來發展的趨勢，對果園各種環境數據、果樹生長相關數據進行實時監測、智能分析具有重要意義[3，4]。

作為一個傳統的農業大國，我國農業生產離數字化和信息化管理還有很長的路要走，針對以往水果生產的環境監測方法留存的數據復雜、采集難度高、監測效率低下、造價及維護費用高昂的問題，本文利用物聯網技術，結合低延遲、采集范圍廣的傳感器通過無線的方式組成傳感器網絡并接入互聯網，設計并開發了一個基于物聯網技術的果園環境監測系統。

1 基于物聯網的果園環境監測系統結構

在果樹的生長過程中，氣候和環境因素起關鍵性作用，可以直接影響果園的年總產量和果品的質量[5]。因此，為實現果園管理的自動化、智能化，實現高產高質量的目標，對諸如光照、空氣溫濕度和土壤溫濕度等影響果樹生長發育的條件變量進行及時精確地監控是十分必要的。果園環境監測系統的拓撲結構如圖1所示：

環境監測系統基于多種環境傳感器采集環境數據，并將數據通過網絡上傳至采集服務器，在Web端和APP端查詢和管理環境數據。系統總體結構分為：數據層、服務層、應用層，如圖2所示。

1.1 數據層

數據層是物聯網的基礎層，通過多種感知終端實現對物聯網內果園信息的多方面采集，包括土壤含水量、空氣溫濕度、CO2濃度、光照強度等重要環境參數。這些信息將被智能采集節點接收，對其進行統一解析并處理后，通過網絡上傳至服務器存儲。

1.2 服務層

服務層主要對實時采集的果園環境參數進行分析、處理，并保存至數據庫服務器進行持久化存儲。應用服務器接收數據請求并進行相關的業務處理，最終將結果返回給終端用戶。

1.3 應用層

應用層通過Web和APP 2種方式為各種用戶提供可視化展示，幫助科學種植，使用戶能夠更方便、直觀的使用本系統。

2 果園環境監測系統的技術選擇

果園環境監測系統的關鍵技術包括3個部分：采集環境監測數據、對采集的數據進行傳輸和有效處理以及果園環境監測系統應用。智能采集節點與環境傳感器通過串口通訊方式采集數據，最終通過4G網絡將數據傳輸到數據采集服務器。環境監測系統所要處理的數據通常具備以下特點：種類多、數量大、實時性等，因此，本文設計開發的服務器采用異步I/O模型，實現自動接收與存儲環境數據，同時可較好的應對數據量大及并發上傳的情況。果園環境監測系統以Web和APP 2種訪問方式為果農、專家和管理員提供查詢和管理數據服務。

3 系統測試

本系統所需的硬件環境主要包括土壤PH值傳感器，空氣溫濕度、二氧化碳濃度以及光照綜合傳感器，土壤溫濕度傳感器。軟件開發工具是MyEclipse和Android Studio。MySQL數據庫主要用來存儲環境數據，并實現數據的持久化。

通過采集單個節點的pH值、二氧化碳濃度和土壤溫度數據，我們對系統的整體功能進行測試。測試所用智能采集節點和傳感器如圖3所示。

果園環境監測系統實現了對果園多種環境數據的查詢，并對數據進行可視化分析。土壤pH值、土壤溫度與空氣溫度的變化曲線分別如圖4（a）、圖4（b）所示。當果園專家需要查看數據變化曲線時，首先進入Web監測管理應用系統，選擇空氣溫度數據，系統將空氣溫度數據以折線圖形式進行可視化。用戶也可以輸入特定的位置查看某一區域內的溫度數據，同時，用戶也可以選擇時間，查詢某一時間范圍內的溫度數據變化。

4 結束語

本文設計開發的基于物聯網技術的農業環境監測系統包括數據層、服務層、應用層3個部分，具有實時性、自動化、連續性等特點，可以很好的解決傳統環境監測中面臨的數據采集困難、實時性差等問題。系統已經在某果品基地投入使用，從使用效果來看，該系統運行良好，可以使管理者實時、準確地掌握各種環境參數，實現了大面積果園的自動化、智能化管理。

參考文獻

[1] 張永華. 農業物聯網技術應用及創新發展策略[J]. 農業與技術， 2018， 38（10）：247.

[2] 王文山， 柳平增， 臧官勝，等. 基于物聯網的果園環境信息監測系統的設計[J]. 山東農業大學學報（自然科學版）， 2012， 43（2）：239-243.

[3] 楊常捷， 劉任任. 基于物聯網的智慧大棚種植系統的研究[J]. 計算技術與自動化， 2018， 37（03）：155-159.

[4] 王家農.農業物聯網技術應用現狀和發展趨勢研究[J].農業網絡信息，2015（9）：18-22.

[5] 常勇. 基于4G網絡的果園環境監測系統研究與開發[D].西安理工大學，2018.

作者簡介：

馬麗紅 （ 1977-） ，女，大學本科，園藝師，研究方向： 果品質量控制、果品采后保鮮等。