基于物聯網的農業產業園環境監測系統的設計

宋俊慷 樊東紅 鄭鑫 楊保海 韋樹貢 曾海燕

摘 要：系統以物聯網在農業中的應用為研究對象，實現對農業產業園進行環境檢測，方便管理人員及時查看產業園的環境信息。環境檢測裝置在測量農業產業園內的環境數據的基礎上將測量數據通過自組建的數據網絡實時地傳送到監控終端。監控終端在相應監測數據超過門限的情況下實現告警和遠程監測功能，管理人員可以根據告警數據快速組織應對策略。

關鍵詞：物聯網;環境檢測;遠程監測

文章編號：2095-2163（2019）04-0136-04 中圖分類號：TP274 文獻標志碼：A

0 引 言

在現代農業中，由于大棚環境的可控性使得季節性作物能夠在任何季節種植[1]，大大提高了農作物產量和多樣性，使得農業園大棚技術被廣泛應用。但在現階段，由于中國大部分農業園仍采用人工勞作，需要用到大量勞動力，使得農業產業園的整體效益不高。如何采取有效監測并致力改善農業產業園農作物的生長環境，讓農業產業園農作物得到高效生產，現已成為學界的重點研究課題。由于大型農業產業園種植面積廣闊，人工檢測仍存在延誤或人工失誤的情況，不能及時發現問題，使得農業產業園作物產量不高。以溫度和濕度這2種因素對農作物的生長影響為例，晝夜的溫濕度變化大，不利于農作物的生長。農作物所需的光照和水分也不可過多或過少，顯然，人工監測難以及時有效地獲取上述監測數據。人工灌溉和人工施肥勞動強度大，也需要啟用大量勞動力。如果能對生長環境實施監測，并對農業產業園進行通風、灌溉和施肥的自動化控制，就可以增加農作物的產量，減少人工投資成本，避免耗費大量的資金，提高農業園的收成和效益[2]。

1 系統結構與功能設計

農業產業園環境監控系統由7個部分構成，主要包括：攝像裝置、環境檢測裝置、協調器、通風裝置、灌溉設備、施肥設備和監控終端。系統結構設計框架如圖1所示。

監控終端為整個總控制中心，可根據環境情況和控制決策采取相應措施。攝像裝置對農業產業園內外的環境進行攝錄，并通過協調器傳送到監控終端，方便管理人員及時查看農業產業園的狀況。環境檢測裝置主要包含光照傳感器、空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、流量傳感器、空氣成分濃度傳感器，分別用于對農業產業園內的光照強度、空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、灌溉流量、一氧化碳、二氧化碳、氧氣濃度進行實時測量，并將測量數據通過協調器傳送到監控終端。在一氧化碳、二氧化碳的濃度過高或者農業產業園內溫度過高的情況下，監控終端可通過協調器啟動通風裝置，對農業產業園內進行通風，加強空氣對流，降低溫度和一氧化碳、二氧化碳的濃度。灌溉設備的管道上串聯有加壓泵，設備的末端設置有若干噴孔，通過加壓泵來調整灌溉設備水壓，實現噴孔噴水壓力和距離的調節，滿足灌溉的要求。此外，可定期利用施肥設備對產業園進行施肥。農業產業園引入物聯網環境監控系統[2]，目的是為作物生長提供較好的生長環境，減輕了人力勞動，增加農業園的整體效益。本文主要討論環境檢測裝置、協調器和監控系統共同組成的遠程監測系統的設計。

2 監測系統功能實現

系統主要由下位機、上位機和協調器三大部分構成。大致說來，上位機為監控終端，可根據環境情況和決策制定調控措施，協調器負責協調建立網絡，管理和存儲網絡節點信息，并提供各節點之間的路由信息，把數據傳給監控終端。下位機則由攝像裝置、環境檢測裝置、電動通風裝置、灌溉設備和施肥設備構成。其中，環境檢測裝置主要用于采集農業園內的光照強度、空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、灌溉流量、一氧化碳、二氧化碳、氧氣濃度數據等[3]，并將采集的數據匯總給協調器，接著傳送到監控終端，再由監控終端解析推得相應決策，最終將指令發送給其他裝置，例如進行通風、灌溉、施肥等[4]。監測系統功能框圖如圖2所示。文中對此擬展開研究論述如下。

2.1 監控終端

監控終端可以監控農業園區的環境攝錄、環境數據以及執行決策指令[5]。程序設計流程如圖3所示。監控終端設備通過RS232串行通信接口與協調器建立連接進行數據交互，監測終端程序在完成串行通信接口連接后將根據數據采集命令向協調器發送數據查詢指令，同時接收由協調器上傳的采集數據。

2.2 環境檢測裝置

傳感數據傳輸模塊和數據采集傳感器結合基礎的供電和調試電路組成環境檢測裝置，該裝置原理框圖如圖4所示。其中，傳感數據傳輸模塊和協調器通過無線組網連接的方式組建星型網絡，將數據采集傳感器采集的數據上傳至協調器的同時，接收由協調器下發的數據采集命令，并將其轉發給各數據采集傳感器。系統主要使用光照傳感器、空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、流量傳感器和空氣成分濃度傳感器等數據采集用傳感器，可重點用于采集農業園內光照強度、空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、灌溉流量、一氧化碳、二氧化碳、氧氣濃度等數據[6]。為了降低能耗，選用ZigBee通信模塊作為環境檢測裝置的傳感數據采集模塊。由于ZigBee技術具有低功耗的特點，各個傳感器只需要很少的能量便可通過串行通信接口與傳感數據傳輸模塊進行數據交互，實現接收采集命令和上傳采集數據的功能。

環境檢測裝置軟件流程設計如圖5所示。環境檢測裝置的ZigBee模塊在成功加入網絡后等待ZigBee協調器下發的數據采集命令，而在實際接收到數據采集命令后讀取傳感器所采集的監測數據，讀取結束后就將監測數據上傳給ZigBee協調器。

2.3 協調器

設計中，與數據采集裝置的傳感模塊相關聯的協調器也使用ZigBee通信模塊進行設計。協調器工作原理如圖6所示。協調器的基本功能可闡釋分述如下。

（1）和環境采集裝置的傳感數據傳輸模塊組建新型網絡實現組網通信。

（2）接收監控終端下發的控制命令。

（3）將數據采集裝置上傳的監測數據轉發給監控終端。

協調器的軟件工作流程如圖7所示。由圖7可知，協調器在上電后將以星型中心節點建立一個網絡，并等待監控終端下發的數據采集命令，而在接收到數據采集命令后，就下發數據采集命令至各個數據采集裝置，此時即會等待數據采集裝置上傳數據，上傳數據接收成功后，則將上傳的采集數據發送給監控終端。