互聯網在設施農業溫室監控和報警管理系統中的應用

李延國 黃雷 歐志鵬

摘 要：本文介紹了使用互聯網對溫室的環境參數進行實時監控和報警管理的系統。其包括移動檢測裝置，數據獲取裝置，數據接收器，射頻識別接收設備和數據存儲服務器。目的是為了監控和管理農作物在溫室中的生長情況。該系統可以自動收集溫室環境參數，如空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤溫度和土壤濕度等，而且還會自動分析每個參數，并判斷是否報警，使用ZigBee芯片上的集成無線傳感器和數據采集模塊。采用這套系統提供的檢測裝置，可大大降低對溫室的自動化管理的成本。

關鍵詞：環境參數;實時監控;數據獲取;數據接收

中圖分類號：S-1 ? ? ? 文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190830011

概述

農業與國家經濟基礎密切相關，發揮的作用顯著。我國擁有大量的人口，仍是發展中國家。目前我國的溫室大棚主要通過人工檢查，其效率非常低下。想要得到溫室如空氣溫度、濕度、光照、土壤溫度和濕度、土壤中無機元素含量等數據，就必須親自檢查溫度計、濕度指示器或其他設備。通常是根據以往的經驗管理溫室大棚。現在國內外已經有了一些作物自動化管理系統，可以提供給農民種植智能系統集成服務，如測量、配置、運營和施肥，從而實現了農業的科學管理方式。然而，這些智能系統不但體積大，而且非常昂貴且沒有管理農作物的批次的功能，也不能提供報警功能。因此很難普及。

盡管也有一些小的溫室施肥和灌溉系統，但那些系統往往是單一的，而且僅限于溫室的一個有限的區域。如果從業者要檢查或監視某些環境參數，就不得不進入溫室內，在固定的計算機上操作。一旦離開，就不能得到實時的信息。總之，目前缺乏一種智能系統，使從業者實時監控作物的生長以及生長環境。此外，目前這些系統中的數據收集單元和處理單元是有線連接的，因此很大程度上降低了那些系統的靈活性。可想而知，如果使用太多的線，如何分布將是一個比較大的問題。

為解決這些問題，運用網絡系統對溫室進行監控和警報管理，并實時地自動收集數據，比如：土壤溫度和濕度、空氣溫度和濕度、是否需要施肥、植物的灌溉頻率以及生活環境是否適合等。如果肥料和水分，或其他部分因素超出適當的范圍時，系統會自動報警給管理人員，報警方式可以使播放1段音樂或者自動發送警報。此外，該系統還允許用戶設置1個固定的時間點，一旦時間達到該點，將以用戶設置的默認方式報警，從而實現了對溫室內的作物和花卉的自動化管理。同時，所有的收集和管理系統的數據將被存儲在互聯網中，管理人員可以通過訪問計算機或智能手機隨時隨地了解和掌握所需的信息。此外還可以根據自己的設定，通過移動終端獲得語音廣播服務。管理人員在溫室外面使用移動的檢查裝置，根據接收的信號將自動地廣播距離最近的溫室內農作物在生長狀況，從而確定是否要進入溫室。使用這些移動檢測設備，從業者甚至沒有必要進入溫室即可掌握農作物的生長狀況。所以該系統具有智能，易于操作，靈活多變，而且成本低，功耗低的特點。

1 系統工作原理及操作方法

1.1 ?系統工作原理

采用互聯網技術來管理溫室監控和報警管理系統。包括至少1套數據處理設備，可以只是1臺個人計算機或服務器，用于處理從接收裝置傳來的數據，比如：空氣溫度、空氣濕度、光照、土壤溫度和濕度等。可以把已經處理的數據結果以文本消息、圖形等信息告知你，也會自動地判定是否滿足報警條件。如果滿足報警條件，會提供給用戶多種報警方式，例如，語音警報、文本消息警報、電子郵件警報、記錄報警等。此外，所有收集到的數據將被用來生成每日和每月報告。數據處理設備與互聯網連接，并設有從業者可訪問用戶界面。接收裝置用于接收土壤溫度和濕度，空氣溫度和濕度的數據，然后將數據通過串聯端口發送到數據處理裝置。數據收集單元，負責收集包括空氣的溫度和濕度等。土壤傳感器，用于實時收集農作物“生活環境”參數，通過ZigBee無線網絡將數據發送到上述數據處理裝置。射頻識別設備，也被稱為電子標簽，用于識別1個特定的溫室。巡回檢查設備可以從中讀取標簽信息。

溫室監控和報警管理系統的聯網還包括1個終端設備，用來顯示溫室內各種環境因素。一旦環境不適合農作物生長，終端將播放1首樂曲作為報警。該裝置主要用于面積比較大的溫室，以便于從業者實時掌握環境參數。而在面積較小的溫室中，為了降低成本，不設有終端，在這種情況下，從業者直接從數據處理裝置中獲得需要的環境參數。

該溫室監控和報警管理系統的互聯網設備還包括：移動檢測裝置，用于讀取溫室內射頻識別設備的電子標簽，以確定1個唯一的標簽讀取模塊。無線通信模塊可用于該設備，通過無線網絡處理實時數據，還有1個語音播報模塊，可以用聲音廣播的形式告知管理人員溫室的數據和相關建議。

溫室監控和報警管理系統，通過互聯網集中了數據處理設備、接收設備和移動設備于1個多功能移動檢測裝置。該裝置包括1個數據接收單元、射頻識別讀取模塊、存儲單元、1個數據處理單元、通信模塊、輸入/輸出模塊和電源。該射頻識別讀取模塊讀取距離最近的溫室，以確定為唯一的標簽。接收的數據單元負責接收傳回的環境參數。在接收到數據后，將其傳送到處理單元，然后將上述數據保存到存儲單元并判斷是否報警。數據處理單元將定期在互聯網上通過通信模塊上傳所有數據到數據存儲服務器中。輸入/輸出模塊所使用的用戶的配置系統，還可以查詢一些相關的信息，整個裝置由電源供電。

1.2 溫室監控和報警管理系統的操作方法

數據采集單元實時地收集環境參數，如空氣溫度、空氣濕度、光照、土壤溫度和土壤濕度等。

接收裝置有規律地將從收集單元取得的數據，并將其傳送給處理設備。

數據處理設備負責處理接收的數據，并將其存儲到數據庫中，以使其可用于以后的分析和顯示。

數據處理裝置負責分析這些環境參數。如果其中任何一項指標達到先前設定的報警值，會激活報警功能，并給出了一些建議。

數據處理裝置被連接到互聯網上，并在用戶界面上提供了一個圖形，用戶可以管理系統和實時監測作物地生長和生活環境因素。

通過遠程計算機從業者可以通過因特網來訪問數據處理設備，管理系統，或者監視溫室。

管理人員也可以使用智能手機或其他移動終端，通過通信網絡管理系統連接到上述的數據處理設備中。

當從業者攜帶移動設備在大棚周圍巡查時，這些設備會通過語音信息自動播出距離最近的溫室中的狀況，并進一步提出建議。

2 附圖說明

3 具體實施方案

本方案中該系統的功能主要包括：實時收集，例如：環境參數、空氣的溫度、空氣的濕度、光照、土壤溫度和土壤濕度等;自動報警，管理人員根據收集的數據，設置預設類型和報警條件;作物信息管理;用戶管理;管理傳感器節點和其他硬件。

圖1所示為本監視和報警管理系統中在互聯網的整體架構下的設備配置。在該圖中，溫室監控和報警管理系統包括：數據處理裝置1、接收裝置2、數據收集單元3、射頻識別裝置4、終端裝置5、ZigBee網絡6、遠程計算機7、互聯網8、移動終端9、通信網絡10和移動檢測設備11。收集單元3實時采集環境參數的數據，并將它們通過ZigBee網絡6發送到接收裝置2。數據接收裝置2，定期將接收的環境參數數據存儲到數據庫中，并根據預先設定的報警條件來判斷是否傳送給報警處理裝置1。連接接收裝置2和處理裝置1通常通過串聯或USB端口。數據處理設備1通過該遠程計算機7和因特網8或提供用戶界連接，可通過因特網8實時地監測作物內部溫室生長或管理系統。移動終端9，能夠在通信網絡上的TD-SCDMA 10訪問由數據處理裝置1提供的用戶界面和實時地監測溫室內部作物生長或管理系統。移動檢查裝置11能夠讀取射頻識別裝置4上的電子標簽，以確定1個唯一的溫室，并連通過接到通信網絡的TD-SCDMA 10中的數據處理裝置1。會查詢有關溫室信息并將它們以語音的方式傳播給從業者。放置在1個較大的溫室中的終端裝置5可以處理的由接收裝置2傳送的環境參數數據，并判斷當前環境是否適合作物的生長，如果沒有達到標準，會自動播放1段音樂報警，是從業者實時了解溫室環境參數。

圖2 為溫室內部的裝置構成，這些設備包括：接收裝置2、射頻識別設備4、終端設備5和傳感器12，多個傳感器12構成了1個數據收集單元。這些傳感器12實時地收集環境參數如空氣的溫度和濕度、光照、土壤溫度和濕度等，通過ZigBee網絡6，將其發送到接收裝置2。接收裝置2中的數據通過RS232端口連接到終端設備5，終端設備5分析那些環境參數，并判斷當前環境是否適合作物的生長。射頻識別設備4識別確定唯一的1個溫室，并保存信息。可以供從業者的移動檢測設備11隨時讀取。

圖3所示為設備應用于本監控和報警管理系統的功能，其功能如下：

數據收集，收集模塊負責實時地采集環境參數，并將其按照用戶設置的每個指定的時間間隔，存儲到數據庫中的對應表中。該模塊可以自動識別并適應某些硬件端口，并長期穩定運行。

作物信息管理，作物信息包括某些作物的數量、名稱、位置、施肥時間、開花期、果實期、最佳生長溫度、肥料用量和作物的特性。管理信息包括添加、刪除、修改和查詢作物的信息。

報警管理，報警管理主要分為2個部分：報警信息的管理，報警配置。報警信息管理包括添加，刪除，修改，查詢報警信息。報警配置允許用戶設置報警模式，其中主要有2個途徑：音樂報警和短信報警。音樂鬧鈴播放1段音樂提示用戶當前的環境不適合某些作物的生長，而短信提醒是用飛信發送短信（短信服務提供商）來通知用戶。此外，還有1個默認的日志警報，也就是說該警報日志將被自動存儲在系統日志中，用戶可以隨時查看該報警信息

硬件管理，通過硬件管理模塊用戶可以訪問不同的傳感器節點等的狀態信息，查看傳感器節點是否處于正常工作狀態，電源是否充足，還有傳感器的類型等。硬件信息管理也包括添加新的傳感器節點，去除傳感器節點，修改傳感器節點等信息。

用戶管理，用戶管理模塊負責管理用戶的信息，為用戶提供1個登錄界面。其主要功能包括添加，刪除，修改和查詢用戶信息和登錄界面。

數據收集設備3通過傳感器12實時地自動收集環境參數數據，如空氣的溫度和濕度、光照、土壤溫度和濕度等，并且將它們傳輸到接收裝置2，接收裝置將定期發送參數數據到處理設備1。數據處理設備1將存儲器中的數據存儲到數據庫中，并與先前所設定的報警值進行比較，來判斷是否得到滿足警報條件。在較大的溫室中，管理人員可以從數據處理設備1的終端設備5提供的內部連接用戶端實時監測環境參數，也可以直接操作數據處理設備1。而在較小溫室中，通過使用因特網8進行遠程連接，可以連接到數據處理設備1中的任何計算機系統，來監視或管理溫室。同時移動設備可通過遠程用戶通信網絡10做同樣的管理。從業者攜帶移動檢測設備11在大棚周圍檢查時，這些設備11會自動檢測溫室中的農作物最新的生長環境因素，通過廣播給管理人員并提出一些建議。

圖4為本系統中移動檢測設備的內部結構，其功能如下：

移動檢測設備包括：射頻識別讀取模塊14，它沿著incepting（不接受）路徑自動搜索，先從最近的溫室的識別裝置開始，再到達指定的1個具體的溫室中;數據接收裝置13負責發送指令，按要求接收溫室中的環境參數數據并將所接收到的數據傳送到數據處理系統;數據處理裝置16，負責分析所接收的數據是否滿足報警條件;數據通訊模塊17負責和外部進行通訊，數據處理裝置16負責接收發送的各種信息，定期地上傳給數據存儲裝置15;I/O模塊獲取用戶輸入的信號，以執行某些操作，并顯示出1個交互式圖形界面;電源為整套移動檢查裝置提供能源。

4 系統特點

互聯網應用于溫室的監控和報警管理系統時所需的裝置包括：移動的檢測設備，包括數據接收系統、標記識別模塊、存儲系統、數據處理系統數據綜合系統、I/O模塊、電源，還有讀取溫室電子標記裝置，可以通過無線網絡跟蹤指定的溫室，實時監測環境參數，保存數據，以判斷是否報警。一旦報警條件滿足，移動的檢查裝置，根據用戶預先進行的報警設定，匯總所有的環境參數數據，通過無線網絡上傳到數據存儲服務器中。

數據收集系統包括空氣的溫度和濕度傳感器，照度傳感器和土壤參數的傳感器，被放置在溫室中，實時地收集的環境參數數據并輸出環境參數數據，通過無線網絡接收數據。其中，接收裝置被放置在溫室中，接收環境參數數據并通過無線網絡或串聯端口輸出數據。標記識別設備也被放置在溫室中，以供移動檢查裝置讀取來自網絡的數據時，可以根據特定溫室標記確定是哪一個具體的溫室，數據存儲服務器用于存儲管理系統所需的環境參數的所有數據，通過互聯網的用戶訪問界面提供環境參數數據。用戶可以登錄服務器，監測農作物生活環境，或通過管理系統訪問其他界面。

該系統包括的數據收集裝置和接收裝置之間的聯絡使用無線網絡。

該系統還包括1個終端設備放置于1個比較大的溫室中，通過終端裝置來處理接收裝置中的數據，如果環境參數被判定為不適合當前的作物生長，即會播放1首歌曲作為報警鈴聲，這種方式方便了從業者實時地控制溫室環境參數。

收集裝置包括空氣的溫度和濕度傳感器、照度傳感器和分布式土壤傳感器。

溫室監控和警報管理系統，其中的移動檢測裝置，根據功能包括一部分固定裝置，這部分裝置被放置在1個單獨的控制室中。其中，所述固定裝置包括一個數據處理設備，負責處理移動檢測裝置采集的數據、存儲設備、數據通信模塊，還有移動監測設備中的I/O模塊，通過數據收集系統的數據信息來判斷，是否滿足某些作物種植的要求和是否達到需要報警的要求。固定接收設備的數據和上述移動檢測設備的數據相同，用于接收和傳送收集系統的數據比如：土壤溫度和濕度和空氣的溫度和濕度等，通過該接收裝置的數據與數據處理設備和串聯端口相連，傳送到數據處理裝置中。

溫室監控和報警管理系統，移動檢測設備從溫室內的標簽裝置中讀取標簽信息，從而確定某一個具體的溫室，并通過移動通信網絡的TD-SCDMA連接到數據處理裝置中查詢溫室的信息，以語音廣播的形式把收集到的信息提供給管理人員。

溫室監控和報警管理系統，還包括1個路由器，通過以太網連接。具體通過路由器建立1個局域網，通過該路由器連接的數據處理系統獲得的環境參數的數據。

溫室監控和警報管理系統還包括1個串聯端口和溫室監控和報警管理系統進行通信。

溫室監控和警報管理系統還包括1個實時監測系統被放置于溫室中。其中該實時監測裝置是1個定時的單片機，其責任是監測實時環境參數，從收集系統中獲得數據，并判斷該數據是否滿足報警條件，如滿足條件，即通過串聯主機啟動報警信號。控制主機相當于數據處理系統和常斷開和接通的引導主機系統，以顯示實時監視器引導報警信號按照預先設定的方式向從業者報警。其中控制主機和實時顯示器之間通過串口或串聯USB端口連接。

5 結論

該系統能夠自動地收集空氣溫度、濕度、光照、土壤溫度、土壤濕度等環境參數，并判斷參數臨界值和報警，具有高智能化的特點。該系統使用的ZigBee芯片上集成無線傳感器和數據采集模塊，使其具有低功耗和低成本的特點。在這個系統中的傳感器和接收系統的數據發送使用無線傳輸，所以移動方便，操作簡單，易于擴展，并且節省空間。

總之，使用這套系統來管理溫室大棚效果是顯著的。土壤溫度和濕度、光照、空氣溫度和濕度，還有土壤中的營養含量等數據都可以通過互聯網獲得，并能夠及時地掌握這些參數，同時根據這些數據及時作出調整，這樣可以保證作物始終生活在一個比較合適的環境中，以提高作物的產量和質量。因此，該系統能夠科學地監測作物，幫助農民提高收入，并降低溫室大棚的管理成本，使農民可以參與實現標準化、數字化和網絡化的現代化農業。