基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

引言

對于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì), 不僅要依靠優(yōu)良的農(nóng)產(chǎn)品種質(zhì)資源，還需要精確的植物生長 環(huán)境控制技術(shù)。近年來，以溫室為代表的，溫度、濕度、光照、 水、肥、空氣等環(huán)境條件相對可控的設(shè)施農(nóng)業(yè)得到了重視和 大力發(fā)展。目前，我國的溫室內(nèi)環(huán)境要素的監(jiān)測，主要還是通 過人工監(jiān)測操控為主。溫室植物種植管理主要還是依賴生產(chǎn) 者的經(jīng)驗，缺乏統(tǒng)一規(guī)范的水肥光溫調(diào)控標(biāo)準(zhǔn)，不僅勞動生 產(chǎn)率較低，而且會造成水肥的超量投入，不僅浪費了生產(chǎn)能耗, 拉高了生產(chǎn)成本，還會對生態(tài)環(huán)境造成污染。雖然近年來，智 能化的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)得到了發(fā)展，但是目前還處于初步階 段。系統(tǒng)體積偏大、價格偏高以及尚不穩(wěn)定和完善的信息傳輸 及決策系統(tǒng)，使其在溫室植物生產(chǎn)實踐中受到很多限制。特 別是當(dāng)溫室面積達(dá)到一定規(guī)模后，數(shù)據(jù)的采集和控制指令的 傳輸成為制約溫室智能化的技術(shù)瓶頸。如何借助現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通 訊技術(shù)實現(xiàn)對溫室實時狀態(tài)的監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制，成為決定設(shè) 施農(nóng)業(yè)效益的關(guān)鍵。本文探討了如何利用現(xiàn)有技術(shù)建立實用 可行的基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室監(jiān)測系統(tǒng)，以期為智能溫室的建設(shè) 提供參考。

1溫室物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

物聯(lián)網(wǎng)是指通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、衛(wèi)星 定位、各種傳感器，按既定的協(xié)議，將相關(guān)的對象與互聯(lián)網(wǎng)相 連接，進(jìn)行對象信息共享，以實現(xiàn)目標(biāo)的智能化識別、定位、、監(jiān)控和管理的一種新型網(wǎng)絡(luò)。它以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，將 互聯(lián)網(wǎng)中人與人之間的信息傳遞擴展到現(xiàn)實世界中實體與實體 之間，并將信息的處理由人腦交由電腦，以實現(xiàn)管理的智能化。 被認(rèn)為是繼計算機和互聯(lián)網(wǎng)之后的“第三代信息技術(shù)"。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，將推動信息化對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè) 的改造升級，帶來新的產(chǎn)業(yè)發(fā)展機遇［%物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與溫室 為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)結(jié)合，已成為我國智能農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向叫 目前，國內(nèi)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)測研究正在興起。 熊迎軍等設(shè)計了基于客戶端/服務(wù)器（C/S）和服務(wù)器/客戶 端（B/S）混合架構(gòu)的智能溫室信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了溫室信 息局域網(wǎng)的采集、處理、存儲、顯示和決策，以及廣域網(wǎng)的 高效遠(yuǎn)程訪問與管理［4］。文獻(xiàn)［5］探討了利用Android智能 手機系統(tǒng)實現(xiàn)溫室環(huán)境的實時監(jiān)測。文獻(xiàn)［6］提出了一種基 于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動Agent技術(shù)的溫室大棚管理模型。文獻(xiàn) ［7］提出了基于物聯(lián)網(wǎng)與云服務(wù)技術(shù)的農(nóng)業(yè)溫室智能化系統(tǒng)設(shè) 計方案，對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的理論進(jìn)行了有益的補充與完善。文 獻(xiàn)［8］以嵌入式GIS組件庫作為開發(fā)平臺，增強了溫室監(jiān)測 系統(tǒng)的空間顯示與分析功能，并利用逐步回歸及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建 模，實現(xiàn)了溫室低溫災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警。

2溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計要求

溫室按照用途分，可分為兩種類型。一種為商品型溫室, 主要用于蔬菜、瓜果、花卉等商品性植物的種植。該類型溫 室通常面積較大，并充分考慮溫室運營成本。另一種為科研 型溫室，主要為科學(xué)研究培養(yǎng)植物材料，或者用于研究環(huán)境 對植物生長的影響。該類型的溫室一般面積較小，對溫室環(huán) 境參數(shù)的控制要求較精確。但無論何種類型的溫室，對于溫 室環(huán)境監(jiān)測的要求都是一致的。概況起來有以下幾個方面：

監(jiān)測系統(tǒng)的實時性和可靠性，要求系統(tǒng)獲取實時準(zhǔn) 確的溫室環(huán)境參數(shù)；

監(jiān)測系統(tǒng)智能化，對實時獲取的溫室環(huán)境參數(shù)作出 是否超出預(yù)設(shè)范圍進(jìn)行判斷響應(yīng)；

監(jiān)測系統(tǒng)的可擴展性，要求能便捷地擴展環(huán)境監(jiān)測 的范圍和項目；

監(jiān)測系統(tǒng)便于維護(hù)，盡量采用無線傳輸技術(shù)，避免 過多地使用線纜連接；

系統(tǒng)建設(shè)及運行成本低廉，盡可能降低監(jiān)測系統(tǒng)的 能耗。

3系統(tǒng)設(shè)計方案

按照溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計要求，針對溫室環(huán)境的特 點，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出了溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案, 其系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示，圖中虛線代表無線傳輸方式，實線代 表有線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，箭頭表示信息傳輸方向。該系統(tǒng)能夠?qū)?時收集溫室內(nèi)諸如土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照強度、CO2 濃度等環(huán)境參數(shù)，并自動判斷是否滿足所種植物的生長條件。 如果環(huán)境參數(shù)超出了設(shè)定的范圍，系統(tǒng)將向溫室管理者發(fā)出 預(yù)警信息。植物生長期間的所有環(huán)境數(shù)據(jù)都會被采集并儲存。 溫室管理者無論何時何地都可以借助于連接在網(wǎng)絡(luò)上的電腦 或智能手機方便地獲取溫室信息。

溫室中的環(huán)境傳感器是整個監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其作用是 負(fù)責(zé)采集溫室內(nèi)的空氣溫濕度、光照強度、土壤溫濕度、CO2 濃度等溫室環(huán)境參數(shù)。數(shù)據(jù)接收器用于接收傳感器收集到的 溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，它們之間通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)連接。ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的 雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不 高的各種電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸叫數(shù)據(jù)接收器通過串口 將數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)處理器。數(shù)據(jù)處理器是整個系統(tǒng)的核心。具 體而言就是一臺電腦或服務(wù)器。主要用于處理來自于溫室中 各種傳感器的數(shù)據(jù)信號，并將數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，以便溫 室管理者調(diào)閱分析。數(shù)據(jù)處理器接入互聯(lián)網(wǎng)(Internet)，遠(yuǎn)程 終端可以登錄到數(shù)據(jù)處理器對整個監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行管理和監(jiān)測。 對于一些地處偏僻的小型溫室，接入互聯(lián)網(wǎng)可能會增加建設(shè) 成本，這種情況可以考慮只建立局域網(wǎng)LAN。局域網(wǎng)內(nèi)部的 終端可以登錄到數(shù)據(jù)處理器，對整個監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行管理和監(jiān) 測。另外，對于通過有線方式接入互聯(lián)網(wǎng)困難的地方，可以考 慮將數(shù)據(jù)處理器連接至3G網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)無線方式接入互聯(lián)網(wǎng)。

可以看到，溫室環(huán)境的監(jiān)控信息只有通過Internet、LAN 或3G三種網(wǎng)絡(luò)，才能將終端設(shè)備，即電腦或智能手機，與數(shù) 據(jù)處理器連接，實現(xiàn)信息的顯示。這對于實際生產(chǎn)中想即時 獲取某一溫室實時的環(huán)境參數(shù)帶來不便。因此，本方案中設(shè) 置了手持監(jiān)測器。當(dāng)溫室管理者手持監(jiān)測器靠近溫室，手持 監(jiān)測器內(nèi)的識別系統(tǒng)就與該溫室之間建立特定的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn) 信息的傳遞。該功能通過射頻識別技術(shù)RFID實現(xiàn)。手持監(jiān) 測裝置中的標(biāo)簽閱讀模塊讀取特定溫室中RFID裝置上的電 子標(biāo)簽并進(jìn)行認(rèn)證，手持監(jiān)測裝置便可以從電子標(biāo)簽上讀出 溫室的相關(guān)信息。同時移動監(jiān)測裝置中的無線傳輸模塊可通 過無線網(wǎng)絡(luò)從數(shù)據(jù)處理器獲取認(rèn)證溫室的實時環(huán)境參數(shù)。

溫室內(nèi)部除了各種環(huán)境傳感器單元、RFID裝置和數(shù)據(jù)接 收器外，還設(shè)置了溫室報警器。當(dāng)溫室環(huán)境參數(shù)超出設(shè)定閾 值時，數(shù)據(jù)處理器發(fā)出的預(yù)警信號啟動溫室內(nèi)的聲光報警器， 可以提示溫室附近的管理者。

4系統(tǒng)工作流程

整個系統(tǒng)的工作流程為：

數(shù)據(jù)采集單元實時收集溫室中的環(huán)境參數(shù)；

數(shù)據(jù)接收器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)從傳感器獲取溫室環(huán)境 監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過串行接口將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理器；

( 3)數(shù)據(jù)處理器對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時將其儲 存在數(shù)據(jù)庫中以便后續(xù)的分析和展示；

( 4)數(shù)據(jù)處理器對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析，如果某一參數(shù)超 出預(yù)先設(shè)定的門限值，將會啟動溫室內(nèi)部聲光報警裝置，同 時向網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)出手機短信、飛信、微信、QQ等信息提示；

(5)接入互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理器提供有系統(tǒng)圖形操作界面， 通過該界面，用戶可以通過接入互聯(lián)網(wǎng)的計算機遠(yuǎn)程訪問系 統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理器，實現(xiàn)對溫室的遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控；

用戶也能使用智能手機、平板電腦等移動終端通過 互聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)據(jù)處理器實現(xiàn)對溫室的遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控；

用戶攜帶手持監(jiān)測裝置靠近溫室時，裝置會自動接 收并顯示該溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)信息，用戶也可以通過該裝置 通過3G網(wǎng)絡(luò)或無線局域網(wǎng)接入溫室遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)對該溫室環(huán)境閾值進(jìn)行設(shè)置。

5結(jié)語

本文提出了一種適合于溫室生產(chǎn)管理的基于物聯(lián)網(wǎng)的溫 室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)匯總傳感器采集的溫 室環(huán)境數(shù)據(jù)并輸入數(shù)據(jù)處理器。當(dāng)環(huán)境參數(shù)超出設(shè)定的閾值, 可以通過接入互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)的電腦終端，或者接入3G網(wǎng)絡(luò) 的移動終端向溫室管理者發(fā)出預(yù)警信息。溫室管理者也可借助 RFID技術(shù)實現(xiàn)對特定溫室環(huán)境信息的提取。該系統(tǒng)可以有效 地幫助溫室生產(chǎn)者監(jiān)測和管理溫室環(huán)境，以降低生產(chǎn)中人力、 物力的投入，達(dá)到節(jié)能增收的效果。

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