基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)

苗君臣，王睿昊，尤 達(dá)，陳 雷，王藝涵，郭登宇，涂德宇

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

農(nóng)業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。溫室大棚是利用目前現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過監(jiān)測和調(diào)節(jié)來控制農(nóng)作物的生長，可以保障農(nóng)作物的生長環(huán)境，從而獲得高質(zhì)量高產(chǎn)量的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生長方式。目前，我國各地溫室大棚種植的技術(shù)傳播廣泛，農(nóng)業(yè)的智能化程度也越來越高。但在目前來看，現(xiàn)有的智能農(nóng)業(yè)大棚采用有線的連接方式，這種方法存在線路布局復(fù)雜、安裝成本較高、維護(hù)工作困難等一些問題，對此本系統(tǒng)采用了ZigBee無線通信的方式，具有體積小、功耗低、設(shè)備成本小、傳輸可靠性高和距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

對于農(nóng)作物在生長過程中的不同環(huán)境因素，監(jiān)控設(shè)備需要采用不同的方法進(jìn)行采集，這很大程度上限制了智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)推廣。本文設(shè)計(jì)一種基于ZigBee 的智能農(nóng)業(yè)檢測系統(tǒng)，可以根據(jù)農(nóng)作物不同的生長環(huán)境和需求進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的集中處理，具有布局簡單、安裝簡易、使用方便、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。對于農(nóng)作物的生長環(huán)境主要檢測的數(shù)據(jù)有空氣溫度、土壤溫濕度、CO2濃度、pH 值、光照條件等。農(nóng)業(yè)溫室大棚智能化對提高農(nóng)作物的最終產(chǎn)量、質(zhì)量，增加農(nóng)民的收入，改善農(nóng)民的工作環(huán)境及條件，推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)自動(dòng)化智能化進(jìn)程具有巨大的發(fā)展價(jià)值。

目前，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也已經(jīng)漸成規(guī)模。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使用到智能農(nóng)業(yè)溫室大棚也是當(dāng)下農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要趨勢。智能農(nóng)業(yè)溫室大棚可以精準(zhǔn)控制產(chǎn)品的生長環(huán)境，實(shí)時(shí)監(jiān)測大棚的狀況以應(yīng)對突發(fā)情況，很大程度節(jié)省農(nóng)業(yè)資源，不會受到季節(jié)環(huán)境的影響，還能給人們提供所需的農(nóng)產(chǎn)品。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，物體通過信息傳播媒介進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能。物聯(lián)網(wǎng)的典型體系構(gòu)架主要有感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)也主要由這三層體系構(gòu)建。

感知系統(tǒng)主要是通過安裝在溫室大棚中各處無線傳感器，完成智能農(nóng)業(yè)溫室大環(huán)境、設(shè)備數(shù)據(jù)的采集，其中包含溫度、光照度、空氣濕度、CO2濃度、土壤pH 值和土壤含水率等。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由中繼器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)組成，匯聚一定區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后上傳到數(shù)據(jù)中心，主要通過傳感器技術(shù)和GPRS 數(shù)據(jù)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)；應(yīng)用系統(tǒng)是由監(jiān)測系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、警戒值報(bào)警、人機(jī)交互等組成，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)體系的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。

智能農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)總體是由感知系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

1.1 環(huán)境數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)

智能農(nóng)業(yè)溫室大棚環(huán)境數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)主要核心模塊為ZigBee 通信模塊和GPRS 無線通信模塊。GPRS 無線通信模塊具有通信成本低、傳輸速率高、接入時(shí)間短、QOS 優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)。

溫室大棚內(nèi)部的溫度、CO2濃度、土壤pH、空氣濕度、光照度和土壤濕度等重要數(shù)據(jù)的收集可以通過在大棚內(nèi)部安裝有限多個(gè)能夠采集農(nóng)作物生長環(huán)境的傳感器，并為每個(gè)傳感器配備ZigBee 節(jié)點(diǎn)，用以A/D 采樣和無線傳輸。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)每天定期地實(shí)時(shí)監(jiān)測農(nóng)作物的生長環(huán)境信息，并通過無線傳輸?shù)姆绞綄⑿畔翁貍鬏斨辆W(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過GPRS 將處理后的信息傳輸?shù)皆品?wù)中心。

1.2 ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)

ZigBee 是基于IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一種近距離、低功耗、低成本、安全性高的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它是利用多個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)、匯節(jié)點(diǎn)和GPRS 數(shù)據(jù)傳輸組成的分布式系統(tǒng)，分布在溫室大棚內(nèi)部的各個(gè)傳感器可以將接收到的數(shù)據(jù)上傳給GPRS 網(wǎng)路，中央控制通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)可以與ZigBee 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)換，控制中心可以通過對GPRS 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集來對大棚內(nèi)部做出相應(yīng)的調(diào)控和管理。

基于ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)的檢測系統(tǒng)可以很好地替代原有人工檢測步驟，而且這個(gè)檢測系統(tǒng)還可以根據(jù)檢測環(huán)境和條件的改變及時(shí)做出相應(yīng)的改進(jìn)和擴(kuò)展。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

2.1.1 空氣溫濕度監(jiān)測模塊

溫濕度傳感器是一種裝有濕敏和熱敏元件，能夠用來測量濕度和溫度的傳感器裝置。溫度和濕度在農(nóng)作物生長過程中有著很大的影響，傳感器將收集的數(shù)據(jù)由網(wǎng)關(guān)發(fā)送給決策系統(tǒng)，當(dāng)溫度過高或過低時(shí)會反饋給中央空調(diào)設(shè)備以達(dá)到合適的溫度。

2.1.2 光照監(jiān)測模塊

光合作用是農(nóng)作物生長的必要過程，控制光照采用光照傳感器，其原理是將光照度轉(zhuǎn)換為電壓值以便數(shù)據(jù)收集，其決策系統(tǒng)會適當(dāng)控制遮陽設(shè)備和燈光設(shè)備來達(dá)到農(nóng)作物所需最佳的光照條件。

2.1.3 CO2濃度監(jiān)測模塊

采用固定式CO2濃度檢測儀對大棚內(nèi)的CO2濃度進(jìn)行測量，通過CO2生成器來調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)部的CO2濃度，保證大棚CO2濃度的穩(wěn)定。

2.1.4 土壤含水率和pH 監(jiān)測模塊

由于土壤介電常數(shù)的變化與土壤的含水量直接相關(guān)，由輸出電壓和水分的關(guān)系則可直接計(jì)算出土壤的含水量。土壤含水量傳感器發(fā)射一定頻率的電磁波，電磁波沿探針傳輸，觸底后返回，此時(shí)檢測探頭輸出電壓。通過安放土壤含水率傳感器和土壤pH 測定儀來監(jiān)測溫室大棚內(nèi)土壤的情況，通過水肥灌溉設(shè)備調(diào)節(jié)土壤的含水率和pH。

2.2 處理器模塊

處理器采用STM 公司的以Cortex-M3 為內(nèi)核的STM32F103 系列芯片。處理器模塊可以根據(jù)需求完成對其他模塊的統(tǒng)一控制。如實(shí)時(shí)記錄各傳感器的信息數(shù)據(jù)，控制設(shè)備的開啟與關(guān)閉，根據(jù)所編寫的程序可以自行調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，讓用戶可以隨時(shí)看到溫室大棚內(nèi)作物的生長狀況。

2.3 CC2530 控制板模塊

CC2530 控制板可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知層和應(yīng)用層的功能。CC2530 是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案，能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8 KB RAM 和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530Z 主要通過A/D 模塊控制對傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理，還能以無線傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和接收。

2.4 無線通信模塊

通過RS 232 將ZigBee 模塊與處理器模塊相連接，接口電路圖如圖2 所示。ZigBee 電路可以將傳感器接收到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式發(fā)送至中央控制模塊，從監(jiān)測中心還可以把處理信號再發(fā)送至控制模塊。

圖2 ZigBee 接口電路設(shè)計(jì)

2.5 電源模塊

設(shè)備提供實(shí)時(shí)供電和電池供電兩種方式，以防止在停電等特殊情況下出現(xiàn)設(shè)備斷電等情況。系統(tǒng)還給傳感器添加控制電源模式，可以在采集空檔期關(guān)閉對傳感器設(shè)備供電，以節(jié)約監(jiān)測系統(tǒng)用電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包含數(shù)據(jù)顯示、監(jiān)控畫面、警戒報(bào)警、專家決策和人機(jī)交互等功能，可以很好地提高用戶的使用體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對大棚的遠(yuǎn)程控制。

3.1 數(shù)據(jù)顯示功能

監(jiān)測系統(tǒng)會實(shí)時(shí)測量溫室大棚內(nèi)溫度、光照度、空氣濕度、CO2濃度、土壤pH 和土壤含水率等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)收集中心統(tǒng)一處理分析，然后以直觀的形式，如柱狀圖和條形圖反饋給用戶，讓用戶可以隨時(shí)了解溫室大棚內(nèi)部的環(huán)境狀態(tài)。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)功能

在溫室大棚內(nèi)部安裝高清攝像頭作為監(jiān)測系統(tǒng)，用戶可以通過手機(jī)和計(jì)算機(jī)設(shè)備隨時(shí)觀看大棚內(nèi)部的監(jiān)控錄像，了解農(nóng)作物生長過程。

3.3 警戒報(bào)警功能

該系統(tǒng)在收集溫室大棚內(nèi)部數(shù)據(jù)時(shí)會實(shí)時(shí)比對預(yù)設(shè)參數(shù)，當(dāng)大棚內(nèi)部某一項(xiàng)數(shù)據(jù)超過或者低于預(yù)設(shè)范圍，及時(shí)通過手機(jī)短信發(fā)送給用戶，讓用戶可以第一時(shí)間知道大棚生長環(huán)境信息，并對特殊情況做出應(yīng)對政策。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)大棚附近出現(xiàn)陌生人時(shí)也會及時(shí)反饋給用戶。

3.4 專家決策系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)不僅能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)環(huán)境信息的采集，而且還具有對信息進(jìn)行分析和決策的專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)是一個(gè)能夠解決困難問題的智能系統(tǒng)。當(dāng)監(jiān)測的信息上傳到云端存儲時(shí)，專家系統(tǒng)首先會根據(jù)信息并結(jié)合專家知識進(jìn)行預(yù)警判斷，當(dāng)上傳的信息異常于農(nóng)作物最佳生長范圍閾值時(shí)，會產(chǎn)生報(bào)警提示，并通過服務(wù)器以短信的方式告知用戶。更重要的是，專家系統(tǒng)會根據(jù)多個(gè)決策系統(tǒng)，對需要調(diào)節(jié)的環(huán)境量進(jìn)行智能決策，并將決策結(jié)果（灌溉量、灌溉時(shí)間等）通過物聯(lián)網(wǎng)反饋至溫室大棚前端的控制系統(tǒng)。決策系統(tǒng)控制流程如圖3所示。

圖3 決策系統(tǒng)控制流程

3.5 人機(jī)交互功能

該系統(tǒng)可以根據(jù)專家系統(tǒng)的決策結(jié)果對溫室大棚前端的控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)制，確保農(nóng)作物的生長環(huán)境保持最佳狀態(tài)，以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。控制系統(tǒng)主要由嵌入式控制模塊、中央空調(diào)設(shè)備、遮陽設(shè)備、卷門設(shè)備、風(fēng)機(jī)設(shè)備、水肥灌溉設(shè)備、燈光設(shè)備以及CO2生成器等組成。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)溫室大棚的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采用ZigBee 無線通信技術(shù)，通過安裝在溫室大棚內(nèi)部的傳感器，實(shí)時(shí)收集溫室大棚內(nèi)部的溫度、光照度、空氣濕度、CO2濃度、土壤pH 值和土壤含水率等數(shù)據(jù)，而且可以根據(jù)需求及時(shí)調(diào)節(jié)大棚內(nèi)部生長環(huán)境。該系統(tǒng)通過無線傳感技術(shù)可以節(jié)省傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚所需人力物力的消耗，還具有安裝方便、功耗小、操作簡單成本低等優(yōu)點(diǎn)。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)的研究有利于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)溫室大棚的自動(dòng)化種植模式。本文系統(tǒng)能夠?qū)厥掖笈镞M(jìn)行全方位檢測，對于農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。