淺談基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

董賾銘

摘 要：隨著社會的不斷進步，信息技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，也推動了溫室大棚的技術(shù)水平的大幅度提升。目前，溫室大棚管理和監(jiān)測工作的要求越來越細化。溫室大棚具有控制因子多、系統(tǒng)運行環(huán)境復(fù)雜、溫室環(huán)境測控以及系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定性等特性，針對溫室大棚特性，市場上出現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室只能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托物流聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架，該系統(tǒng)由光照感知系統(tǒng)、溫度系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)和控制系統(tǒng)四個部分組成。相關(guān)實驗數(shù)據(jù)表明，這種基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室監(jiān)控系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好，可靠性較高，低成本、功耗低、可操作性強，具有就較高的使用和推廣價值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);溫室大棚智能監(jiān)控;系統(tǒng)設(shè)計;

近些年，我國溫室大棚規(guī)模不斷擴大，溫室大棚面積逐年遞增。因此，依靠現(xiàn)代科技完成溫室大棚智能監(jiān)控已成為必然趨勢。伴隨科技的不斷創(chuàng)新，利用物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實現(xiàn)溫室大棚管理應(yīng)用范圍正逐步擴大，溫室大棚智能監(jiān)控技術(shù)在歐美等發(fā)達國家得到了廣泛推廣，該技術(shù)在我國部分省市溫室大棚的智能監(jiān)控管理實踐中，取得了廣泛好評。物聯(lián)網(wǎng)框架下的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了溫室大棚環(huán)境進行實時監(jiān)控，其中無線網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)對農(nóng)作物生長的遠程監(jiān)測，溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)可以很好的完成相關(guān)信息數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制工作，濃度監(jiān)測系統(tǒng)是在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上創(chuàng)新研發(fā)的，能夠高效完成溫室大棚的濃度監(jiān)測工作。

一、溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

一是功能設(shè)計。農(nóng)作物生長需要：光、水和二氧化碳以及溫度濕度都是有一定要求的，溫室大棚環(huán)境相對密閉，只有對農(nóng)作物做到實時監(jiān)控，才能創(chuàng)造出有利于農(nóng)作物生長的溫室大棚環(huán)境，從而實現(xiàn)溫室大棚經(jīng)濟效益目標(biāo)。溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)主要作用體現(xiàn)在以下幾方面：實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息無線傳輸;精準(zhǔn)采集農(nóng)作物生長環(huán)境;智能系統(tǒng)運行穩(wěn)定;能夠?qū)崿F(xiàn)自動灌溉;系統(tǒng)操作便捷;性價比高成本低。

二是系統(tǒng)總體架構(gòu)。為了全方位掌握溫室大棚農(nóng)作物的環(huán)境生長數(shù)據(jù)，溫室大棚內(nèi)需要設(shè)置多個傳感器節(jié)點，為實現(xiàn)低成本目標(biāo)，可以適當(dāng)延長傳感器間距。利用有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞讲粌H對農(nóng)作物生長造成一定影響，且成本相對較高，不利于大規(guī)模推廣。為進一步實現(xiàn)溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)低成本目標(biāo)，采用無線數(shù)據(jù)傳輸，不僅能夠保證數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性和及時性，也有利于農(nóng)作物的種植生長，同時也縮減了系統(tǒng)成本支出。溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)主要分為感知層、應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層三個部分。其中感知層由二氧化碳創(chuàng)干起、土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、光照傳感器以及灌溉裝置等組成，通過數(shù)據(jù)傳輸完成溫室大棚中各類環(huán)境數(shù)據(jù)的收集，對溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物的生長狀態(tài)做到實時監(jiān)控，在一定程度上減小了人工作業(yè)量，同時更利于溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物的管理，從而實現(xiàn)溫室大棚的經(jīng)濟效益目標(biāo)。通過網(wǎng)絡(luò)層將采集到的農(nóng)作物參數(shù)及時發(fā)送到服務(wù)器終端。應(yīng)用層主要分為：農(nóng)業(yè)專家?guī)臁⒎?wù)器以及系統(tǒng)終端幾部分。數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)主要是通過服務(wù)器來傳遞的，將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)與農(nóng)業(yè)專家?guī)爝M行認真比對、科學(xué)分析和合理篩選，從中選出最優(yōu)灌溉方式。用戶通過控制界面發(fā)送控制指令，通過客戶端訪問服務(wù)器對應(yīng)的IP地址實現(xiàn)控制器的運行，以此保證溫室大棚環(huán)境的有效監(jiān)測。

二、溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

一是傳感器節(jié)點的設(shè)計。傳感器節(jié)點設(shè)計是感知層硬件設(shè)計的關(guān)鍵，其主要由電源模塊、二氧化碳傳感器、無線采集模塊、空氣溫濕度傳感器、光照傳感器、土壤溫濕度傳感器組成。

二是無線采集模塊。無線采集模塊主要特點是指：抗干擾能力強、傳輸可靠性能高、傳輸距離較遠、低功耗。其特性剛好符合溫室大棚低成本、利于推廣的設(shè)計理念，所以溫室大棚內(nèi)各類傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息主要通過無線采集模塊發(fā)送。無線采集模塊采用的超低耗無線芯片，并且頻率范圍具有一定延展性，能夠進一步實現(xiàn)溫室大棚各類信息數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性。

三是傳感器的選擇。通常每一個傳感器節(jié)點必須搭載一組傳感器，但溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計基于成本考慮，最大程度減少傳感器的使用數(shù)量，同時還要確保其在監(jiān)控系統(tǒng)所發(fā)揮的作用不受影響，采用了三合一傳感器，實現(xiàn)溫室大棚內(nèi)的光照強度和空氣溫濕度的檢測工作。三合一傳感器直流供電10～30V，最大功耗僅為0.4V，對空氣溫度測量、空氣相對濕度測量以及光照強度的精準(zhǔn)度測量結(jié)果均相對較高。二氧化碳傳感器的選擇上，為實現(xiàn)變化的范圍和低成本的設(shè)計要求，采用485型傳感器，直流供電10～30V，最大功耗僅為0.4V，其測量精準(zhǔn)度與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體傳感器相較而言，精準(zhǔn)度相對較高。土壤濕度傳感器的主要作用是為了實時監(jiān)測大棚內(nèi)土壤濕度，土壤濕度對農(nóng)作物生長起著至關(guān)重要的作用。HSTL作為傳感器節(jié)點選用的土壤濕度傳感器，其水分量可根據(jù)農(nóng)作物需要進行調(diào)整，測量精準(zhǔn)度較高，工作范圍較大，電量電壓需求較小，完全符合低成本設(shè)計初衷。考慮到土壤傳感器的探針長期處于潮濕環(huán)境狀態(tài)下，為避免其生銹影響使用效果，應(yīng)該采用316L不銹鋼材料作為土壤傳感器的探針。

四是灌溉裝置。肥液路和水路是灌溉裝置的主要組成部分。肥液路包含4各肥液灌，罐底的出水口與肥液路相通，管路上設(shè)有電動閥門、抽肥液泵、水肥過濾器、流量計、止回閥以及手動閥門;水路控制系統(tǒng)利用水泵將自來水抽入管道，經(jīng)過流量計和上路止回閥后到達肥液路，通過混合管道的壓力機和電動閥，將其配比后的混合水肥經(jīng)過管道出口完成灌溉作業(yè)。

五是控制節(jié)點的設(shè)計。控制器主要由單機片、無線模塊、穩(wěn)壓器模塊、繼電器模塊和電源模塊組成。以微控制為核心，微控制的選擇要滿足控制器處理能力強、高性能、低功耗、兼容性好幾大優(yōu)勢。服務(wù)器中收到的溫室大棚數(shù)據(jù)信息主要是通過傳感器來完成，將數(shù)據(jù)信息與農(nóng)業(yè)專家?guī)爝M行科學(xué)比對后，在進行合理決策，通過無線模塊傳到微控制器，繼而通過繼電器和固態(tài)繼電器來操控控制閥門和水泵的自動控制。另外，控制器上還配備了的手動控制裝置，進一步確保溫室大棚內(nèi)水泵和控制閥門作用的有效發(fā)揮。

三、溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

一是數(shù)據(jù)庫的存儲與輸出。溫室大棚環(huán)境采集到的數(shù)據(jù)信息需要實施傳輸，因此，數(shù)據(jù)儲存需要大量的存儲空間。對收集到的溫室大棚內(nèi)的各類進行通過表格進行分類存儲，并將數(shù)據(jù)信息及時發(fā)送到手機，實現(xiàn)溫室大棚的遠程監(jiān)控。

二是監(jiān)控軟件設(shè)計。只有設(shè)置服務(wù)器IP地址，才能實現(xiàn)用戶端與監(jiān)控終端的通信，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)和移動數(shù)據(jù)來訪問服務(wù)器地址，到達實施監(jiān)控溫室大棚的目的。通過服務(wù)器界面可以實時監(jiān)測農(nóng)作物的生長趨勢、水泵控制、水肥配比、種植技術(shù)指導(dǎo)等相關(guān)功能，實現(xiàn)遠程操控溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物的灌溉量和施肥情況。

結(jié)束語：

溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)是按照溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物對生長環(huán)境的需求，設(shè)計出的一種基于物聯(lián)網(wǎng)的一種實時監(jiān)控系統(tǒng)。該設(shè)計主要是通過溫室大棚內(nèi)設(shè)置的多種數(shù)據(jù)采集器，傳感器節(jié)點實現(xiàn)對溫室大棚內(nèi)各類數(shù)據(jù)信息的采集工作，并將數(shù)據(jù)信息實時傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)信息傳輸指服務(wù)器，利用網(wǎng)絡(luò)和無線通信使用戶可以實時監(jiān)測溫室大棚內(nèi)部環(huán)境。同時，將采集到的數(shù)據(jù)信息與農(nóng)業(yè)專家?guī)斓臄?shù)據(jù)進行科學(xué)比對從而得出相應(yīng)的結(jié)論，根據(jù)比對結(jié)果來決策農(nóng)作物是否需要進行灌溉和施肥等相關(guān)的管理。該系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)信息精準(zhǔn)度較高，并且具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，符合該系統(tǒng)的設(shè)計要求。

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