基于物联网的农业产业园环境监测系统的设计

宋俊慷 樊东红 郑鑫 杨保海 韦树贡 曾海燕

摘 要：系统以物联网在农业中的应用为研究对象，实现对农业产业园进行环境检测，方便管理人员及时查看产业园的环境信息。环境检测装置在测量农业产业园内的环境数据的基础上将测量数据通过自组建的数据网络实时地传送到监控终端。监控终端在相应监测数据超过门限的情况下实现告警和远程监测功能，管理人员可以根据告警数据快速组织应对策略。

关键词：物联网;环境检测;远程监测

文章编号：2095-2163（2019）04-0136-04 中图分类号：TP274 文献标志码：A

0 引 言

在现代农业中，由于大棚环境的可控性使得季节性作物能够在任何季节种植[1]，大大提高了农作物产量和多样性，使得农业园大棚技术被广泛应用。但在现阶段，由于中国大部分农业园仍采用人工勞作，需要用到大量劳动力，使得农业产业园的整体效益不高。如何采取有效监测并致力改善农业产业园农作物的生长环境，让农业产业园农作物得到高效生产，现已成为学界的重点研究课题。由于大型农业产业园种植面积广阔，人工检测仍存在延误或人工失误的情况，不能及时发现问题，使得农业产业园作物产量不高。以温度和湿度这2种因素对农作物的生长影响为例，昼夜的温湿度变化大，不利于农作物的生长。农作物所需的光照和水分也不可过多或过少，显然，人工监测难以及时有效地获取上述监测数据。人工灌溉和人工施肥劳动强度大，也需要启用大量劳动力。如果能对生长环境实施监测，并对农业产业园进行通风、灌溉和施肥的自动化控制，就可以增加农作物的产量，减少人工投资成本，避免耗费大量的资金，提高农业园的收成和效益[2]。

1 系统结构与功能设计

农业产业园环境监控系统由7个部分构成，主要包括：摄像装置、环境检测装置、协调器、通风装置、灌溉设备、施肥设备和监控终端。系统结构设计框架如图1所示。

监控终端为整个总控制中心，可根据环境情况和控制决策采取相应措施。摄像装置对农业产业园内外的环境进行摄录，并通过协调器传送到监控终端，方便管理人员及时查看农业产业园的状况。环境检测装置主要包含光照传感器、空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、流量传感器、空气成分浓度传感器，分别用于对农业产业园内的光照强度、空气温度、空气湿度、土壤湿度、灌溉流量、一氧化碳、二氧化碳、氧气浓度进行实时测量，并将测量数据通过协调器传送到监控终端。在一氧化碳、二氧化碳的浓度过高或者农业产业园内温度过高的情况下，监控终端可通过协调器启动通风装置，对农业产业园内进行通风，加强空气对流，降低温度和一氧化碳、二氧化碳的浓度。灌溉设备的管道上串联有加压泵，设备的末端设置有若干喷孔，通过加压泵来调整灌溉设备水压，实现喷孔喷水压力和距离的调节，满足灌溉的要求。此外，可定期利用施肥设备对产业园进行施肥。农业产业园引入物联网环境监控系统[2]，目的是为作物生长提供较好的生长环境，减轻了人力劳动，增加农业园的整体效益。本文主要讨论环境检测装置、协调器和监控系统共同组成的远程监测系统的设计。

2 监测系统功能实现

系统主要由下位机、上位机和协调器三大部分构成。大致说来，上位机为监控终端，可根据环境情况和决策制定调控措施，协调器负责协调建立网络，管理和存储网络节点信息，并提供各节点之间的路由信息，把数据传给监控终端。下位机则由摄像装置、环境检测装置、电动通风装置、灌溉设备和施肥设备构成。其中，环境检测装置主要用于采集农业园内的光照强度、空气温度、空气湿度、土壤湿度、灌溉流量、一氧化碳、二氧化碳、氧气浓度数据等[3]，并将采集的数据汇总给协调器，接着传送到监控终端，再由监控终端解析推得相应决策，最终将指令发送给其他装置，例如进行通风、灌溉、施肥等[4]。监测系统功能框图如图2所示。文中对此拟展开研究论述如下。

2.1 监控终端

监控终端可以监控农业园区的环境摄录、环境数据以及执行决策指令[5]。程序设计流程如图3所示。监控终端设备通过RS232串行通信接口与协调器建立连接进行数据交互，监测终端程序在完成串行通信接口连接后将根据数据采集命令向协调器发送数据查询指令，同时接收由协调器上传的采集数据。

2.2 环境检测装置

传感数据传输模块和数据采集传感器结合基础的供电和调试电路组成环境检测装置，该装置原理框图如图4所示。其中，传感数据传输模块和协调器通过无线组网连接的方式组建星型网络，将数据采集传感器采集的数据上传至协调器的同时，接收由协调器下发的数据采集命令，并将其转发给各数据采集传感器。系统主要使用光照传感器、空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、流量传感器和空气成分浓度传感器等数据采集用传感器，可重点用于采集农业园内光照强度、空气温度、空气湿度、土壤湿度、灌溉流量、一氧化碳、二氧化碳、氧气浓度等数据[6]。为了降低能耗，选用ZigBee通信模块作为环境检测装置的传感数据采集模块。由于ZigBee技术具有低功耗的特点，各个传感器只需要很少的能量便可通过串行通信接口与传感数据传输模块进行数据交互，实现接收采集命令和上传采集数据的功能。

环境检测装置软件流程设计如图5所示。环境检测装置的ZigBee模块在成功加入网络后等待ZigBee协调器下发的数据采集命令，而在实际接收到数据采集命令后读取传感器所采集的监测数据，读取结束后就将监测数据上传给ZigBee协调器。

2.3 协调器

设计中，与数据采集装置的传感模块相关联的协调器也使用ZigBee通信模块进行设计。协调器工作原理如图6所示。协调器的基本功能可阐释分述如下。

（1）和环境采集装置的传感数据传输模块组建新型网络实现组网通信。

（2）接收监控终端下发的控制命令。

（3）将数据采集装置上传的监测数据转发给监控终端。

协调器的软件工作流程如图7所示。由图7可知，协调器在上电后将以星型中心节点建立一个网络，并等待监控终端下发的数据采集命令，而在接收到数据采集命令后，就下发数据采集命令至各个数据采集装置，此时即会等待数据采集装置上传数据，上传数据接收成功后，则将上传的采集数据发送给监控终端。