基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

杜朝，王英師

摘要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計提供了技術(shù)條件。為了研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計及其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，文章采用了文獻資料法對從土壤溫濕度監(jiān)測、大氣溫濕度監(jiān)測、風(fēng)向傳感器監(jiān)測、風(fēng)速傳感器監(jiān)測、太陽輻射監(jiān)測以及數(shù)據(jù)傳輸與處理等方面研究了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，并從警報功能、管理功能以及監(jiān)控功能三方面分析了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);農(nóng)業(yè);環(huán)境監(jiān)測;系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）34-0141-02

我國的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正在進行現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)為我國農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展提供了重要的技術(shù)支撐。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)從土壤溫濕度、大氣溫濕度、風(fēng)向、風(fēng)速以及太陽輻射等方面的數(shù)據(jù)對農(nóng)作物的生長條件進行分析，并依據(jù)分析結(jié)果實施針對性處理，對于提升我國的農(nóng)作物產(chǎn)量和促進我國的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型具有重要意義。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)概述

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一項實現(xiàn)物物連接的現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能實現(xiàn)對物品的實時追蹤和大數(shù)據(jù)管理。環(huán)境監(jiān)測就是對固定環(huán)境中的各環(huán)境參數(shù)進行詳細統(tǒng)計全面分析，對環(huán)境的變化及時了解并制定與之對應(yīng)的處理方案。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由三個技術(shù)層次組成，分別是對外界信息進行采集處理的感知層、實現(xiàn)信息傳遞和數(shù)據(jù)交互的應(yīng)用層以及應(yīng)用于特定環(huán)境和項目的應(yīng)用層[1]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境要素由許多方面組成，土壤的溫濕度、大氣的溫濕度、風(fēng)向、風(fēng)速以及太陽光照度以及空氣中二氧化碳的濃度和含量都是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的構(gòu)成要素。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)就是對著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的各要素進行全面監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集以及科學(xué)管理的綜合系統(tǒng)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層三個技術(shù)層級。在進行基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計時，也要根據(jù)這三個技術(shù)層面按照邏輯順序進行分層次設(shè)計。農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中對感知層的設(shè)計是基礎(chǔ)，構(gòu)建全面的感知技術(shù)層可以對農(nóng)業(yè)環(huán)境中各要素的具體數(shù)據(jù)進行全面采集，是設(shè)計工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容。在數(shù)據(jù)采集完成之后將數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器進行數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)層次和應(yīng)用層次的系統(tǒng)設(shè)計。

2.1土壤溫濕度監(jiān)測

在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中，對農(nóng)作物生長環(huán)境中的土壤溫濕度要進行全面監(jiān)測。對土壤溫濕度監(jiān)測使用的傳感器是CSF11，這種傳感器的供電方式是直流電電壓供電，交流電電壓的供電對其并不適用，供電的電壓在5伏到30伏之間。CSF11傳感器具有非常高的測量精度，對于土壤溫度測量的誤差在0.5攝氏度以內(nèi)，對于土壤中水分含量的測量誤差在5%以內(nèi)。CSF11傳感器對于采集到的土壤溫濕度信息有多種對外傳輸方式，如RS-485接口、電壓以及電流等。CSF11傳感器的通訊參數(shù)有著固定的數(shù)值，8個數(shù)據(jù)位、一個起始位、一個停止位、數(shù)據(jù)傳輸速率必須保持在波特率9600bps以及不需要校驗。對CSF11傳感器通訊參數(shù)的設(shè)置可以通過更改Modbus命令或者進行程序設(shè)置來操作。CSF11傳感器的系統(tǒng)默認(rèn)值中將傳從機地址默認(rèn)為“1”，可以通過命令“03”“06”“16”進入“0x0200”通道，改變對從機地址的默認(rèn)設(shè)定。CSF11傳感器溫度值寄存器在Modbus協(xié)議中的通道值是0，溫度值的范圍以數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式來展現(xiàn)，零下40攝氏度到零上80攝氏度對應(yīng)的數(shù)值范圍是-4000到8000.CSF11傳感器水分含量寄存器在Modbus協(xié)議中的通道值是1，土壤中水分含量0%～100%對應(yīng)的數(shù)值范圍是0-10000.對CSF11傳感器溫度值寄存器和CSF11傳感器水分含量寄存器通過命令“04”或者“03”進行訪問，即可獲得采集到的數(shù)值范圍，再將溫度濕度與相對應(yīng)的數(shù)值范圍進行換算，就可以得出土壤中的溫度值和濕度值。

2.2 大氣溫濕度監(jiān)測

在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中，對大氣溫濕度監(jiān)測的設(shè)計是非常重要的設(shè)計環(huán)節(jié)。監(jiān)測大氣溫濕度的用的是HT485DS傳感器。HT485DS傳感器的溫度監(jiān)測范圍是零下20攝氏度到零上70攝氏度，相對濕度監(jiān)測范圍是0%到100%。HT485DS傳感器的測量精度較之CSF11傳感器更高，對溫度的監(jiān)測誤差能保持在0.1攝氏度以內(nèi)，對相對濕度的監(jiān)測誤差能保持在0.1%以內(nèi)。Modbus協(xié)議同樣對HT485DS傳感器起到命令作用，HT485DS傳感器接受的命令代號是“06”和“04”。對HT485DS傳感器地址進行設(shè)置用“06”命令，對HT485DS傳感器采集到的溫度濕度數(shù)據(jù)讀取用的是“04”命令[2]。HT485DS傳感器的溫度和濕度通道號分別為“0”和“1”。與CSF11傳感器不同的是，HT485DS傳感器需要校驗，校驗碼是ModBus協(xié)議中的CRC校驗碼。

2.3 風(fēng)向傳感器監(jiān)測

在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中，對風(fēng)向進行監(jiān)測采用的是PHWD傳感器。PHWD傳感器可以實現(xiàn)360度無死角的風(fēng)向監(jiān)測，在氣象、機場、實驗室、港口、交通以及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。PHWD傳感器的內(nèi)部裝設(shè)有精密電位器，在進行風(fēng)向監(jiān)測時使用的是受慣性作用影響小的金屬風(fēng)向標(biāo)。PHWD傳感器具有非常優(yōu)良的動態(tài)性能，非常強的抗雷擊能力可以使其在室外環(huán)境下持續(xù)工作。PHWD傳感器還具有觀測便捷、線性好以及量程大等優(yōu)點。PHWD傳感器的觀測精度非常高，在360度的全方位風(fēng)向監(jiān)測中，判斷誤差不會超過3度。PHWD傳感器的供電電壓是固定的，采用直流電壓供電，一般有5伏、12伏和24伏三種供電方式。PHWD傳感器采集到數(shù)據(jù)的對外傳輸方式有電流、電壓以及變送器輸出等方式。采用電壓進行數(shù)據(jù)輸出是PHWD傳感器數(shù)據(jù)輸出的最常見方式，風(fēng)向角度示值與輸出電壓的關(guān)系公式為：風(fēng)向示值=360×電壓伏數(shù)÷5。

2.4風(fēng)速傳感器監(jiān)測

在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中，對風(fēng)速進行監(jiān)測采用的是PHWS風(fēng)速傳感器。PHWS風(fēng)速傳感器是由傳統(tǒng)的三風(fēng)杯風(fēng)速結(jié)構(gòu)構(gòu)成[3]。風(fēng)杯材料選用的是碳纖維材料，具有較高的強度。PHWS風(fēng)速傳感器在氣象、農(nóng)業(yè)、實驗室、港口以及機場等方面都被廣泛應(yīng)用。PHWS風(fēng)速傳感器風(fēng)杯的內(nèi)部設(shè)置有信號處理單元能根據(jù)不同的應(yīng)用需求對輸出的風(fēng)速信號進行變更。PHWS風(fēng)速傳感器的風(fēng)速測量范圍在0米/每秒到45米/每秒之間，測量精度能夠達到0.1米/每秒，也就是說PHWS風(fēng)速傳感器的風(fēng)速監(jiān)測誤差不會超過0.1米/每秒。PHWS風(fēng)速傳感器和PHWD傳感器相同，供電電壓都是固定的，采用直流電壓供電，一般有5伏、12伏和24伏三種供電方式。PHWS風(fēng)速傳感器的風(fēng)速數(shù)據(jù)輸出方式有電流型、電壓型以及脈沖型，比較常用的輸出方式為0伏到5伏的電壓輸出。PHWS風(fēng)速傳感器對風(fēng)速監(jiān)測時，風(fēng)速與電壓的關(guān)系公式為：風(fēng)速=45×電壓伏數(shù)÷5。

2.5太陽輻射監(jiān)測

在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中，對太陽輻射監(jiān)測使用的是PHJYZ簡易總輻射傳感器。PHJYZ簡易總輻射傳感器可以測量太陽總輻射的光譜范圍0.3微米到3微米之間。PHJYZ簡易總輻射傳感器在能源、氣象、建筑以及農(nóng)業(yè)等方面被廣泛應(yīng)用。PHJYZ簡易總輻射傳感器對太陽總輻射的最高測量范圍可達500瓦/每平方米，其供電方式采用直流電，一般有5伏、12伏和24伏三種供電方式。PHJYZ簡易總輻射傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)輸出方式有電流、電壓以及變送器輸出等。在運用變送器輸出監(jiān)測數(shù)據(jù)時，一般采用RS485接口或者RS232接口。在運用電壓進行監(jiān)測數(shù)據(jù)輸出時，太陽輻射功率和電壓的關(guān)系公式為：功率=1500×電壓÷5。

2.6 數(shù)據(jù)傳輸與處理

在對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的各要素數(shù)據(jù)進行精確地采集之后，這些數(shù)據(jù)會被傳送到云計算中心服務(wù)器。在進行監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸時，基于TCP/IP協(xié)議通過LAN、WiFi、GPRS等方式連入互聯(lián)網(wǎng)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎惴治鼋K端。應(yīng)用軟件在接收到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中土壤溫濕度、大氣溫濕度、風(fēng)向、風(fēng)速以及太陽輻射等方面的監(jiān)測數(shù)據(jù)之后，對這些數(shù)據(jù)進行計算處理，分析這些數(shù)據(jù)是否在合理區(qū)間內(nèi)，對于超出合理區(qū)間的數(shù)據(jù)情況，及時發(fā)出預(yù)警[4]。對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行傳輸和處理的過程是對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)層和應(yīng)用技術(shù)層的實現(xiàn)。對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中土壤溫濕度、大氣溫濕度、風(fēng)向、風(fēng)速以及太陽輻射等方面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，要能夠長期保存，用戶在登錄監(jiān)測系統(tǒng)之后就可以對監(jiān)測區(qū)域的歷史數(shù)據(jù)信息進行隨時查看，數(shù)據(jù)的長期保存和用戶的安全登錄一般依托于clipse平臺并使用java語言進行監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用功能

3.1 警報功能

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中土壤溫濕度、大氣溫濕度、風(fēng)向、風(fēng)速以及太陽輻射等方面的數(shù)據(jù)的變化進行及時感知，在某項參數(shù)超出預(yù)先設(shè)定的正常值范圍時，就會對用戶發(fā)出警報，讓用戶對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的變化及時了解，用戶可以在對數(shù)據(jù)變化進行科學(xué)計算的基礎(chǔ)上，做出對農(nóng)作物生長干預(yù)的科學(xué)決策。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的警報系統(tǒng)可以規(guī)避許多農(nóng)業(yè)風(fēng)險，對保障農(nóng)作物的正常健康生長起到非常重要的作用。

3.2 管理功能

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)用戶對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的遠程監(jiān)控管理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)背景下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中土壤溫濕度、大氣溫濕度、風(fēng)向、風(fēng)速以及太陽輻射等方面的數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸，用戶可以對這些數(shù)據(jù)信息進行遠程接受[5]。除此之外，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)還可以和用戶的手機、電腦等網(wǎng)絡(luò)終端相連接，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的遠程智慧化管理。例如用戶手機可以連接農(nóng)田的灌溉控制器對農(nóng)田的灌溉實現(xiàn)遠程操控，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)還可以實現(xiàn)自身的智慧化調(diào)節(jié)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時，可以連通控制系統(tǒng)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境進行自動控制和調(diào)節(jié)。

3.3 監(jiān)控功能

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以完成無人操作的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境全方位晝夜監(jiān)測，采用多元化的監(jiān)測方式，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中土壤溫濕度、大氣溫濕度、風(fēng)向、風(fēng)速以及太陽輻射等方面的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，并通過電流、電壓以及變送器等方法將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆朴嬎闫脚_，用戶可以不用親臨農(nóng)田就能對農(nóng)田的外在環(huán)境了如指掌，在化肥的使用、灌溉量的計算以及病蟲害防治等方面都能提前預(yù)估處理方式。監(jiān)控功能為農(nóng)作物的生長提供了一張數(shù)據(jù)化的安全網(wǎng)，對農(nóng)作物生長中的異常情況起到全面的監(jiān)測和管控作用[6]。

4 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計及其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，是我國農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的優(yōu)秀成果，為實現(xiàn)現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起到重要作用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)可以為農(nóng)業(yè)提供精準(zhǔn)的環(huán)境監(jiān)測、科學(xué)化的環(huán)境管理以及智慧化的環(huán)境控制，為提高我國農(nóng)作物產(chǎn)量發(fā)揮出重要作用，不僅可以減輕農(nóng)業(yè)人員的辛勞程度，還能改善農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境，除此之外，還為更新農(nóng)業(yè)技術(shù)的研究發(fā)展做出了必要準(zhǔn)備，可為一舉三得。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】