基于物联网的农业设施群环境监控系统

　　摘要:环境是设施农业中最重要的因素，因此需要对其进行准确的监测和控制。设施农业中安装了大量的传感器，适应利用物联网对生产环节进行监控。为此，基于物联网技术，设计了一个农业设施群的环境监控系统。信息感知层监测环境数据，通过信息传输层的ZigBee无线通讯网络传输给应用管理层;应用管理层接收数据并进行分析和存储，形成控制指令驱动执行相应的操作。在温室4种蔬菜种植环境的测试中，系统能够根据设定值对温度、光照强度、土壤含水量和害虫数量进行准确的监测和控制，各环境因子都维持在蔬菜最适的生长条件范围内。

　　关键词:物联网;设施农业;环境;监控;传感器

　　0引言

　　设施农业通过整合各种农业生产要素，形成资金、技术和劳动力密集的新型产业，成为现代农业的重要组成部分[1-2]。设施农业以人工建造的设施为基础，使农业生产摆脱了自然条件的束缚，农产品实现反季节上市，满足了多元化和多层次的消费需求[3]。另外，设施农业进行程序化生产，可以提高土地、资源利用率，以及劳动生产效率，打破了资源环境的制约，对农业的可持续发展具有重要意义[4]。

　　设施农业在我国发展迅速，已从最初的塑料大棚和小型温室转变到了现代化大型温室和植物工厂等形式，在农业生产中的地位日益提升。设施农业的本质是人工构建可控的环境，保证了农业生产按照预设的程序进行，从而获得理想的产量和效果。因此，设施农业中的环境便成为最重要的因素，对其进行准确的监测和控制是需要重点关注的问题。

　　设施农业的环境包括农产品所处的气象、土壤、水分和生物群落等外部条件，且由于种群内的相互影响，农产品本身也是环境的组成部分。传统的环境监控方法是由人工现场观察，记载相关的环境因子数据，根据经验评估农产品的生长发育状态并进行控制操作。不同人员的主观感受和知识经验之间存在差异，因此监控精确度不高、费时费力，无法满足农业生产模式不断创新的需求[5]。

　　物联网也被称为传感网络技术，可把各种传感器、信息处理器和无线网络融合成一个有机整体，对目标进行智能识别和精准管理[6]。物联网将远程感知、传输、智能决策和控制功能集于一身，是互联网延伸出的网络系统。物联网的基本构架包括3个层次:一是信息感知层，由传感器节点感知目标因子，转换为数字信息发送到互联网上;二是应用管理层，可以接受、存储和分析信息感知层获取的数据，并发出操作指令，实现远程控制;三是信息传输层，以互联网作为桥梁将上述两个层次链接起来实现信息的互通。物联网从诞生起便广泛应用于包括农业生产的各个领域，是提高整体生产效率的重要手段。农业物联网在农业生产中利用传感器检测环境因子的参数，通过智能控制优化农产品的生长条件，可以保证农产品的产量和质量，提高资源利用率，降低生产成本[7]。

　　早在2002年，美国首次应用物联网监测葡萄园的土壤温湿度和有害物剂量，促进葡萄实现丰收[8]。在诞生之初，物联网主要用于对数据的采集、展示和分析，后来演化到利用专家系统的科学分析和决策，拓展了物联网的功能[9]。郭理等根据物联网的架构模型，进行了畜禽养殖环境控制系统的开发，可以有效改善畜禽的养殖环境[10]。

　　张恩迪等基于物联网技术研发了一套农田信息采集系统，实现了对虫害的智能化的监控[11]。另外，物联网还可以作为环境监控系统的基础，为精准农业和智慧农业的推广普及提供保障[12-13]。设施农业是设备和技术密集型的生产模式，整个系统中安装大量的传感器，因此适宜利用物联网进行监控。张开生等通过物联网实现了对农业大棚作物生长环境的实时监测和控制，具有较高的实用性和可靠性[14]。王君君等利用物联网传输协议将各种设备连接在一起，发现系统运行稳定、简单实用，能够完成对设施农业环境的远程实时监控[15]。本文基于物联网技术，设计了一个农业设施群的环境监控系统。工作时，传感器采集环境信息，经过无线网络发送给数据处理器，分析后发出操作指令，使各项环境参数保持在设定的范围内以保障农业生产的正常进行。

　　1总体设计

　　环境监控系统由信息感知层、信息传输层和应用管理层3个部分组成。信息感知层布署在需要监控的农业生产环境中，包括各型传感器用于监测环境数据信息，操作执行装置用于控制环境条件。传感器采集的数据信息汇聚到路由节点，通过信息传输层的ZigBee无线通讯网络传输给应用管理层。

　　应用管理层包括处理器和存储器，可以接收数据信息并进行分析和存储，然后根据分析的结果形成控制指令。控制指令经过无线通讯网络传回信息感知层，驱动操作执行装置进行相应的控制操作，实现对环境因子的调节。

　　2组成部分

　　以农业温室作为设施平台，所安装的环境监控系统具有对温度、光照强度、土壤含水量和虫害的监测和控制功能。各个功能在信息感知层上对应的传感器和控制装置不同，但使用共同的信息传输层和应用管理层。

　　2.1信息感知层

　　JCJ109型传感器用于采集温室内的温度，武汉中科能慧NHZD10型传感器用于采集光照强度，SWR-100型传感器用于采集土壤的含水量，DATA-LYNX型计数传感器通过昆虫飞行撞击产生的脉冲信号记录害虫数量。

　　这些传感器采集的环境信息由AD6673型模数转换器转换为数码信号后汇聚到路由节点。所有的传感器都采用标准的RTU通讯协议，支持RS232和RS485输出接口。当温室中的温度、光照强度、土壤含水量和害虫数量超过设定的阈值时，系统便启动执行装置，对环境进行控制。当温度过高时，启动风扇通风降温;温度过低时，则启动加热器。

　　当光照强度过低时，启动植物补光灯;光照强度过高时，则展开遮阳网。当土壤含水量过低时，通过GAG型多用途电磁阀开启出水口，灌跑马水使其自然落干。出水口上安装DN150型水表，精确记录灌溉量。当监测到害虫数量超过阈值时，开启云飞YF-WL-40型杀虫灯，利用机械振频式高压电网杀虫。操作执行装置由电磁阀、继电器和步进电机控制开启或关闭，控制指令来自于路由节点，通过DAC7631E型数模转换器转换为可以识别的模拟信号。

　　2.2信息传输层

　　信息传输层将信息感知层采集的信息传输给应用管理层，同时将控制指令反向传输，是二者之间连接的桥梁。有线传输需要铺设线路，会增加农业设施的复杂程度，维护成本也较高，因此采用无线传输的方式。在WiFi、蓝牙和ZigBee这3种常用的无线通信方式中选择ZigBee技术，其通信距离较远，抗干扰能力强。ZigBee传输网络采用树形组网的方式，每个端口通过4G移动网络与20个信息感知终端连接。通信的基站为固定式，可以接收4G网络信号发送给应用管理层，信号的有效距离达到5km，足够覆盖整个温室区域。路由节点将汇聚的数据信息传输给ZigBee终端节点，ZigBee节点自行选择优化的通信路径将信息传输给协调节点，最终到达应用管理层。

　　2.3应用管理层

　　应用管理层的计算机为联想扬天4000型台式电脑，配置Inteli7中央处理器、16G内存、2T硬盘和LS2223WC型显示器，利用USB2.0接口进行连接。安装的软件为Windows10操作系统，能在操作界面上实时显示采集的数据，并对系统参数和执行装置的启动阈值进行设定。

　　处理器为联想X3550M5型服务器，配置16GB的DDR4内存和300GB硬盘，可以根据专家经验和知识对采集的信息进行分析，形成专家决策和控制指令。处理器还存储系统采集的所有信息和专家综合数据库和知识数据库，综合数据库是数据信息的推理过程和计算公式，知识数据库是农产品生长规律、养分需求量和病虫害发生规律等信息。农业设施的管理人员可通过移动4G网络在手机等移动终端上远程查看数据信息，并对系统进行参数调整和状态控制。当监测到的环境参数出现异常，长时间偏离设定值的情况下，处理器启动温室的报警装置，并向移动终端发出提示短信。

　　3功能测试

　　温室中种植茄子、辣椒、黄瓜和西红柿4种蔬菜，利用基于物联网的系统进行温度、光照强度、土壤含水量和害虫数量的监控，并测试系统的功能。根据各蔬菜的最适生长条件设定环境因子的阈值，然后记载系统监控所获得的实际值。系统能够根据设定值对温室内的温度、光照强度、土壤含水量和害虫数量进行准确地监测和控制，各环境因子都维持在蔬菜最适合的生长条件范围内。

　　4结论

　　基于物联网技术，设计了一个农业设施群的环境监控系统，由信息感知层、信息传输层和应用管理层3个部分组成。其中，信息感知层监测环境数据，通过信息传输层的ZigBee无线通讯网络传输给应用管理层;应用管理层接收数据并进行分析和存储，然后根据分析的结果形成控制指令，驱动操作执行装置进行相应的控制操作。在温室中利用该系统对4种蔬菜种植环境中的温度、光照强度、土壤含水量和害虫数量进行监测和控制，能够根据设定值进行准确的监测和控制，各环境因子都维持在蔬菜最适的生长条件范围内。因此，基于物联网的环境监控系统可以应用在设施农业中，实现对环境的实时监测和精确控制。

　　参考文献:

　　[1]何成平.基于无线传感网络的设施农业智能监控系统[J].常州轻工职业学院学报，2009，12(4):22-26.

　　[2]王艳青.北京通州区设施蔬菜产业发展的研究与对策[J].农业科技通讯，2009(11):13-15.

　　[3]杨英茹，郭利朋，黄媛，等.设施农业物联网远程监测系统的发展现状[J].河北农业科学，2014，18(6):103-105.

　　[4]周小波.基于物联网技术的设施农业在线测控系统设计[J].太原科技大学学报，2011，32(3):182-185.

　　[5]苏一峰，孙忠富，杜克明，等.基于物联网的农业环境监测技术概述及展望[C]//中国环境科学学会学术年会论文集，2015:1880-1884.

　　[6]吴秋明，缴锡云，潘渝，等.基于物联网的干旱区智能化微灌系统[J].农业工程学报，2012，28(1):118-122.

　　农业刊物推荐：《农业工程学报》是由中国科学技术协会主管，中国农业工程学会主办的全国性学术期刊。国际刊号ISSN：1002-6819;国内刊号CN：11-2047/S，邮发代号：18-57。读者对象为农业工程学科及相关领域的科研、教学及生产科技人员、技术管理及推广人员和大院校师生。