基于物聯網的農業環境監測系統的設計及應用

杜朝，王英師

摘要：物聯網技術為農業環境監測系統的設計提供了技術條件。為了研究基于物聯網技術環境監測系統的設計及其在農業上的應用，文章采用了文獻資料法對從土壤溫濕度監測、大氣溫濕度監測、風向傳感器監測、風速傳感器監測、太陽輻射監測以及數據傳輸與處理等方面研究了基于物聯網技術的環境監測系統設計，并從警報功能、管理功能以及監控功能三方面分析了物聯網技術環境監測系統在農業上的應用。

關鍵詞：物聯網技術;農業;環境監測;系統設計

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）34-0141-02

我國的傳統農業正在進行現代化轉型，基于互聯網技術的環境監測系統為我國農業的現代化發展提供了重要的技術支撐。基于物聯網技術的環境監測系統從土壤溫濕度、大氣溫濕度、風向、風速以及太陽輻射等方面的數據對農作物的生長條件進行分析，并依據分析結果實施針對性處理，對于提升我國的農作物產量和促進我國的傳統農業現代化轉型具有重要意義。

1 基于物聯網技術的農業環境監測系統概述

物聯網技術是一項實現物物連接的現代化網絡技術，能實現對物品的實時追蹤和大數據管理。環境監測就是對固定環境中的各環境參數進行詳細統計全面分析，對環境的變化及時了解并制定與之對應的處理方案。基于物聯網技術的環境監測系統由三個技術層次組成，分別是對外界信息進行采集處理的感知層、實現信息傳遞和數據交互的應用層以及應用于特定環境和項目的應用層[1]。農業生產的環境要素由許多方面組成，土壤的溫濕度、大氣的溫濕度、風向、風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業生產環境的構成要素。基于物聯網技術的農業環境監測系統就是對著農業生產環境中的各要素進行全面監測、數據采集以及科學管理的綜合系統。

2 基于物聯網技術農業環境監測系統的設計

物聯網技術分為感知層、網絡層以及應用層三個技術層級。在進行基于物聯網技術的農業環境監測系統設計時，也要根據這三個技術層面按照邏輯順序進行分層次設計。農業環境監測系統中對感知層的設計是基礎，構建全面的感知技術層可以對農業環境中各要素的具體數據進行全面采集，是設計工作的關鍵環節，也是農業環境監測系統設計的主要內容。在數據采集完成之后將數據上傳服務器進行數據分析，實現對網絡層次和應用層次的系統設計。

2.1土壤溫濕度監測

在基于物聯網技術農業環境監測系統的設計中，對農作物生長環境中的土壤溫濕度要進行全面監測。對土壤溫濕度監測使用的傳感器是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，對于土壤中水分含量的測量誤差在5%以內。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傳感器的通訊參數有著固定的數值，8個數據位、一個起始位、一個停止位、數據傳輸速率必須保持在波特率9600bps以及不需要校驗。對CSF11傳感器通訊參數的設置可以通過更改Modbus命令或者進行程序設置來操作。CSF11傳感器的系統默認值中將傳從機地址默認為“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設定。CSF11傳感器溫度值寄存器在Modbus協議中的通道值是0，溫度值的范圍以數據的表現形式來展現，零下40攝氏度到零上80攝氏度對應的數值范圍是-4000到8000.CSF11傳感器水分含量寄存器在Modbus協議中的通道值是1，土壤中水分含量0%～100%對應的數值范圍是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值范圍，再將溫度濕度與相對應的數值范圍進行換算，就可以得出土壤中的溫度值和濕度值。

2.2 大氣溫濕度監測

在基于物聯網技術農業環境監測系統的設計中，對大氣溫濕度監測的設計是非常重要的設計環節。監測大氣溫濕度的用的是HT485DS傳感器。HT485DS傳感器的溫度監測范圍是零下20攝氏度到零上70攝氏度，相對濕度監測范圍是0%到100%。HT485DS傳感器的測量精度較之CSF11傳感器更高，對溫度的監測誤差能保持在0.1攝氏度以內，對相對濕度的監測誤差能保持在0.1%以內。Modbus協議同樣對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傳感器地址進行設置用“06”命令，對HT485DS傳感器采集到的溫度濕度數據讀取用的是“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協議中的CRC校驗碼。

2.3 風向傳感器監測

在基于物聯網技術農業環境監測系統的設計中，對風向進行監測采用的是PHWD傳感器。PHWD傳感器可以實現360度無死角的風向監測，在氣象、機場、實驗室、港口、交通以及農業等領域都有著廣泛的應用。PHWD傳感器的內部裝設有精密電位器，在進行風向監測時使用的是受慣性作用影響小的金屬風向標。PHWD傳感器具有非常優良的動態性能，非常強的抗雷擊能力可以使其在室外環境下持續工作。PHWD傳感器還具有觀測便捷、線性好以及量程大等優點。PHWD傳感器的觀測精度非常高，在360度的全方位風向監測中，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傳感器采集到數據的對外傳輸方式有電流、電壓以及變送器輸出等方式。采用電壓進行數據輸出是PHWD傳感器數據輸出的最常見方式，風向角度示值與輸出電壓的關系公式為：風向示值=360×電壓伏數÷5。

2.4風速傳感器監測

在基于物聯網技術農業環境監測系統的設計中，對風速進行監測采用的是PHWS風速傳感器。PHWS風速傳感器是由傳統的三風杯風速結構構成[3]。風杯材料選用的是碳纖維材料，具有較高的強度。PHWS風速傳感器在氣象、農業、實驗室、港口以及機場等方面都被廣泛應用。PHWS風速傳感器風杯的內部設置有信號處理單元能根據不同的應用需求對輸出的風速信號進行變更。PHWS風速傳感器的風速測量范圍在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風速傳感器的風速監測誤差不會超過0.1米/每秒。PHWS風速傳感器和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風速傳感器的風速數據輸出方式有電流型、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風速傳感器對風速監測時，風速與電壓的關系公式為：風速=45×電壓伏數÷5。

2.5太陽輻射監測

在基于物聯網技術農業環境監測系統的設計中，對太陽輻射監測使用的是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、建筑以及農業等方面被廣泛應用。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測數據輸出方式有電流、電壓以及變送器輸出等。在運用變送器輸出監測數據時，一般采用RS485接口或者RS232接口。在運用電壓進行監測數據輸出時，太陽輻射功率和電壓的關系公式為：功率=1500×電壓÷5。

2.6 數據傳輸與處理

在對農業生產環境的各要素數據進行精確地采集之后，這些數據會被傳送到云計算中心服務器。在進行監測數據傳輸時，基于TCP/IP協議通過LAN、WiFi、GPRS等方式連入互聯網，將監測數據傳輸到計算分析終端。應用軟件在接收到農業生產環境中土壤溫濕度、大氣溫濕度、風向、風速以及太陽輻射等方面的監測數據之后，對這些數據進行計算處理，分析這些數據是否在合理區間內，對于超出合理區間的數據情況，及時發出預警[4]。對監測數據進行傳輸和處理的過程是對物聯網技術網絡技術層和應用技術層的實現。對于農業生產環境中土壤溫濕度、大氣溫濕度、風向、風速以及太陽輻射等方面的監測數據，要能夠長期保存，用戶在登錄監測系統之后就可以對監測區域的歷史數據信息進行隨時查看，數據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語言進行監測系統的軟件設計。

3 物聯網技術環境監測系統在農業上的應用功能

3.1 警報功能

物聯網技術環境監測系統可以對農業生產環境中土壤溫濕度、大氣溫濕度、風向、風速以及太陽輻射等方面的數據的變化進行及時感知，在某項參數超出預先設定的正常值范圍時，就會對用戶發出警報，讓用戶對農業生產環境的變化及時了解，用戶可以在對數據變化進行科學計算的基礎上，做出對農作物生長干預的科學決策。物聯網技術環境監測系統在農業應用中的警報系統可以規避許多農業風險，對保障農作物的正常健康生長起到非常重要的作用。

3.2 管理功能

物聯網技術環境監測系統可以實現用戶對農業生產環境的遠程監控管理。物聯網技術背景下，農業生產環境中土壤溫濕度、大氣溫濕度、風向、風速以及太陽輻射等方面的數據可以實現網絡傳輸，用戶可以對這些數據信息進行遠程接受[5]。除此之外，物聯網技術環境監測系統還可以和用戶的手機、電腦等網絡終端相連接，實現對農業生產環境的遠程智慧化管理。例如用戶手機可以連接農田的灌溉控制器對農田的灌溉實現遠程操控，物聯網技術環境監測系統還可以實現自身的智慧化調節，在農業生產環境中出現數據異常時，可以連通控制系統對農業生產環境進行自動控制和調節。

3.3 監控功能

物聯網技術環境監測系統可以完成無人操作的農業生產環境全方位晝夜監測，采用多元化的監測方式，對農業生產環境中土壤溫濕度、大氣溫濕度、風向、風速以及太陽輻射等方面的數據進行實時監測，并通過電流、電壓以及變送器等方法將采集到的數據傳輸到云計算平臺，用戶可以不用親臨農田就能對農田的外在環境了如指掌，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估處理方式。監控功能為農作物的生長提供了一張數據化的安全網，對農作物生長中的異常情況起到全面的監測和管控作用[6]。

4 結語

基于物聯網技術環境監測系統的設計及其在農業上的應用，是我國農業技術創新的優秀成果，為實現現代化的農業生產起到重要作用。物聯網技術農業監控系統可以為農業提供精準的環境監測、科學化的環境管理以及智慧化的環境控制，為提高我國農作物產量發揮出重要作用，不僅可以減輕農業人員的辛勞程度，還能改善農業的生產環境，除此之外，還為更新農業技術的研究發展做出了必要準備，可為一舉三得。

參考文獻：

[1] 瞿榮錦，韋琮，趙麗娟.基于物聯網技術的農田環境監測系統的研究與構建[J].農業開發與裝備，2018（9）：104-105.

[2] 高成，王鵬，張亞玲.基于物聯網技術環境監測系統的設計及其在農業上的應用[J].貴州農業科學，2017，45（4）：120-123.

[3] 王娜，尹向東，楊振南.現代農業物聯網云平臺環境監測系統研究[J].湖南科技學院學報，2020，41（5）：58-60.

[4] 馬麗紅，高茜茜，常勇，等.基于物聯網技術的果園環境監測系統實現探究[J].農業與技術，2019，39（13）：22-23.

[5] 宋俊慷，樊東紅，鄭鑫，等.基于物聯網的農業產業園環境監測系統的設計[J].智能計算機與應用，2019，9（4）：136-139.

[6] 徐識溥，劉勇，李雙喜，等.基于農業物聯網的農田土壤環境監測系統的研究與設計[J].中國農學通報，2018，34（23）：145-150.

【通聯編輯：唐一東】