基于物聯網的農田環境監測系統設計

劉紅霞

（榆林學院 信息工程學院，陜西榆林 719000）

中國的農業人口比例很大，改革開放以來，我國的農業生產水平有了很大的發展，但管理水平與發達國家相比仍然存在著一定差距[1]。隨著物聯網技術的高速發展，為了更好地發展智慧農業，很多學者研究了農田環境，探索了環境對田間作物生長產生的影響，重點關注了土壤、空氣及其各組成成分的比例關系[2]。文獻[3]設計了用于蔬菜大棚的無線傳感器網絡體系架構，在分析溫室環境特點的基礎上，設計了低成本的無線傳感器網絡技術和實用的溫室環境監測系統。文獻[4]提出了一種利用無線傳感技術的無線環境監控系統，在偏遠地區的遠程農田環境監控系統中，該技術的使用大大降低了人工成本和更換傳感器電池的成本。文獻[5-6]利用傳感器進行空氣溫度、濕度、CO2濃度、光照強度、土壤溫濕度等農業環境信息的實時采集，為精準控制農業生產耕作方案提供了有力的數據支撐。文獻[7]設計了自動控制滴灌系統，實時監測了農田環境的溫度、光照的變化和植物土壤濕度等參數。目前，農業物聯網的發展還處在初級階段，農業物聯網體系架構不完善，底層感知系統搭建門檻高，物聯網資源共享性差，呈碎片化狀態。因此，文中以物聯網技術為基礎，結合無線傳感器網絡技術和數據融合技術等，設計了一種基于物聯網的農田環境監測預警系統，實現對農業生產要素信息的實時動態管控，從而有效推動農業向精細化、智能化的方向發展。

1 農業物聯網環境分析

農田的環境監測與溫室或其他監測不同，不需要實時采集環境數據。因此，可以選擇一些成本低、功耗較低的數據傳輸方式。其次，實時采集技術的數據傳輸周期也較長，一般地，土壤監測系統中可以每隔幾個月或更長周期對土壤的各項數據信息進行監測[8]，因此，只要事先設置好數據的上傳周期，即可實現自動化監測管理。

2 監控系統總體設計

該系統主要應用在農田環境中采集土壤的溫度、濕度、PH 值、光照等數據[9]，通過監測這些數據，可以為農業生產提供精準調控的科學依據，以提高產量與經濟效益并提升品質。

基于農田實際環境的考慮，系統采用ZigBee技術結合4G 網絡，設計適于農田環境的智能監測系統[10]，該系統總體要求如下：

1）覆蓋150 畝農田，每50 m2設置傳感器節點，平均每20 畝地設置匯聚節點。

2）要求監測土壤的溫度、濕度、PH 值以及空氣的溫度濕度和光照。

3）傳感器節點要求體積小、成本低、安裝部署簡單，并防水防塵，適于戶外運行。

4）數據傳輸穩定，自動設置上傳周期，節點電池要求連續工作3 個月以上。

系統主要設計了數據采集和數據監測兩個模塊[11]。系統的總體結構如圖1 所示，數據通過傳感器終端采集上傳到ZigBee 網絡中的匯聚節點，再通過4G 網絡將數據傳輸到監測系統平臺的PC 端，對數據進行展示和分析。此外，監測端提供WEB 服務，方便用戶以B/S 方式連接監測系統，查詢實時數據。

圖1 系統總體結構

該系統的網絡總體結構由下至上劃分為感知層、網絡層和應用層[12]。感知層主要利用溫濕度傳感器等各類傳感器進行信息的采集和獲取，并通過ZigBee 傳輸協議將采集到的數據發送到傳輸層[13]。傳輸層主要將設備采集到的數據借助4G 網絡進行信息交換與共享。在應用層中，系統可以通過數據處理為農業生產智能化與信息化管理提供依據。

3 系統硬件設計

3.1 數據采集模塊

系統中的數據采集模塊主要完成農田環境參數的采集，該模塊由兩部分組成：傳感器和電路。系統中的采集節點主要有空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照強度傳感器等[14]。通過ZigBee 技術和4G通信技術使傳感器與系統進行通信。該系統采用的ZigBee 芯片是TI 公司生產的芯片CC2530，該芯片使用了增強的8.51CPU，具有超低功耗的特點，可實現多功能、高效率的無線數據傳輸[15]。其中，ZigBee 無線傳感器網絡的輸出數據需要進行數據采樣和A/D轉換[16]，數字化后再進行采集數據與網關間的串口數據傳輸。系統硬件框架如圖2 所示。

圖2 系統硬件框架

1）空氣溫濕度傳感器。該傳感器是一種復合傳感器，主要應用數字采集技術、溫度傳感技術和濕度傳感技術，最主要的特點是抗干擾能力強、性能穩定、體積小、功耗低、性價比高[16]。

2）土壤溫濕度傳感器。通過在農田埋入熱敏電阻實現對土壤穩定性和含水率的測量。

3）光照強度傳感器。利用光敏元件可將光照強度信號轉換為電信號傳輸到監測平臺，進行分析和匯總。

3.2 無線通信模塊

ZigBee 技術是一種低功耗的、技術簡單、組網成本相對較低的雙向無線通信技術，它的主要特點是適用于對數據傳輸速率要求不高的近距離傳輸[17]。ZigBee 的數據通信速率一般為250 kB/s。在系統的通信傳輸過程中，需要在ZigBee 網絡中再增加4G 傳輸模塊才能進行數據傳輸，4G 網絡的各層間接口都是開放的。物理網絡層、中間環境層、應用環境層之間能夠提供無縫高數據率的無線服務[18]，該系統通過運營商的移動網絡將采集模塊和監測系統在空間上進行分離。ZigBee 天線一般要求全向輻射，使用倒F 天線[19]。

4 系統軟件設計

4.1 功能設計

文中設計開發了農田環境監測系統，監測系統以Eclipse 為開發工具平臺，系統采用B/S 架構。整個系統監測平臺功能分為五大模塊，分別是新聞通知、農田管理、病蟲害預防、統計分析和用戶管理，如圖3 所示。系統采用了基于BP 神經網絡的數據融合算法對系統中采集到的數據進行融合處理[20]。

圖3 系統功能模塊

4.2 數據庫設計

鑒于傳統關系型數據庫不能更好地解決物聯網的數據存儲問題，該系統采用數據混合存儲的方式，選用數據庫MySql 和NoSql。非關系型數據庫NoSql選取了模式自由、面向集合存儲、易存儲對象類型的數據庫MongoDb，它是介于關系數據庫和非關系數據庫之間的產品[21]。這個數據庫的優點是表的結構是可變的，對于數據結構沒有嚴格要求，不需要預先定義表的結構映像，這與關系數據庫是完全不同的；其缺點是沒有統一的查詢語法。因此，從傳感器獲取的數據首先存儲在MongoDb 數據庫，經過大數據分析后進行匯總，然后再把結果轉存到MySql數據庫中，由MySql 數據庫向用戶提供數據的查詢服務，由此提高了系統中數據服務的響應速度與查詢質量。

5 系統實現及應用

該系統的開發基于B/S 模式完成，系統的登錄界面如圖4 所示。由于系統對不同用戶設置的權限和功能需求不完全相同，所以在成功登錄后顯示不同的界面。管理員登錄后的主界面如圖5 所示。

圖4 系統登錄界面

圖5 登錄主界面

系統基于MVC 模式開發，采用S2SH 框架開發部署，以實現對農田中各種環境參數，如溫度、濕度、光照等的數據采集和管理。在系統使用過程中，用戶在計算機終端登錄農田監測系統，能夠瀏覽系統數據監測界面，用戶可以在該界面查詢數據，也可以對各節點設備進行控制。圖6 所示為某區域一時間段內的溫度查詢曲線圖。如果監測界面中數據以紅色顯示，則表示該數值超過了系統預設的閾值。無線傳感器網絡中的傳感器節點在實際使用可以采集到大量的數據，這些數據通過該網絡的匯聚和處理功能最終傳輸到終端設備。這樣系統用戶就可以分析和處理終端采集到的數據，從而實現對農田監測區域的監測和綜合管理[22]。

圖6 溫度值曲線圖

6 結論

通過物聯網技術在農田安裝傳感器，采集農田中溫度、濕度、光照等農作物生長環境指標，對農作物的生長環境與狀態進行實時監測，并利用WEB 技術設計實現監測系統平臺，使農田管理者可以不在現場就能監測到作物生長環境。文中農田物聯網的監測系統是基于無線傳感器網絡設計的，該項研究在農業物聯網技術的自動化、智能化等領域均提供了一定技術支持，在智慧農業的自動監測、控制以及智能化管理的研究中也提供了一定依據。