基于物联网的精准农业环境监测系统设计

吴夏艳　郝嘉骏　肖丽萍　王辉

摘要：随着物联网信息技术的高速发展，精细农业越来越成为我国现代农业的发展重点。为满足精准农业对环境监测的需求，以物联网技术为基础，结合无线传感技术，建立精准农业环境监测系统，该系统从数据节点的信息采集、系统基站和远程监控系统三个方面进行分析，最终实现了对农业现场光照、温度、湿度、二氧化碳浓度等要素的智能监控。

关键词：物联网 精准农业 环境监测 传感节点

中图分类号：TP202 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）09-0181-02

1 引言

传统农业模式下导致的产品质量问题，资源利用率不足，生态环境污染，多样化的品种需求等诸多问题使农业生产不能达到良性循环的需求。而随着物联网技术的发展，精准农业为现代农业的发展提供了一个可持续发展方向，智能精准农业将逐步取代传统农业生产，这不仅是现代农业发展的趋势，更是符合我国当代国情的选择[1]。智能精准农业能够实现高效利用各类农业资源以及改善环境，促进农业发展方式的转变。大幅度提高农业生产力同时，也是实现农业高质量、高产量、高环保和低耗能的可持续发展的有效途径。

2 系统总体设计

2.1 需求分析

在精准农业大棚内部署各类无线传感器设备，用来种植现场的土壤温湿度、空气温湿度、光照强度以及二氧化碳浓度等环境参数。农业大棚内各类传感设备采用电池供电，农业信息采用无线传输。各农业大棚园区内配备1套路由节点、无线网关节点等构成信息采集传输设备，覆盖整个农业大棚区，同时，大棚内还应配有少量固定生活供电设备，为风机、加热器、电卷门、水泵等执行部件供电。最后，从实现功能上讲，农业大棚现场信息传输通过Internet实现与后台服务器交互，并通过接受控制指令、响应执行设备，实现对大棚内的智能卷帘、喷水、通风等智能控制，调节农业现场作物环境。

2.2 系统体系结构设计

2.2.1 系统总框架

图1为系统总体结构设计示意图的具体展示，整个系统包含有无线通信网络、Internet网以及3G/4G通信网络。从应用层面讲，系统由感知层、网络构架层和应用层三部分组成。感知层由大棚内部若干传感节点组成，用于获取农业现场环境参数；网络构架层由路由网关、3G/4G通信网络模块和移动基站构成，实现信息通讯；应用层由Web服务器和SQL数据库构成，用来实现数据信息存储以及发布。

2.2.2 信息采集系统

信息采集系统实现大棚内温湿度、光照强度和土壤含水量等数据信息的采集和控制。用户可能通过访问服务器监测大棚内部环境参数，还可控制现场执行部件。

3 硬件系统设计

3.1 总体硬件设计

图3所示，系统的总体硬件设计以MCU为控制中心搭载传感器、电池以及射频模块组成，实现对大棚内环境实时检测并采集数据。具体而言，各个硬件模块通过ZigBee无线网络将种植现场采集到的数据信息与标准生长环境参数对比，由无线收发模块进行传输数据，从而实现对大棚内环境信息的进行远程控制[2]。

3.2 传感器节点硬件设计

图4传感器节点主要实现数据控制处理模块，实现功能包括对节点数据处理的算法、节点的通信算法，以及节点的多任务处理，包括外部传感器模块、处理器模块、按键模块、LED模块、JTAG接口、供电模块和无线通信模块等。

4 系统实现与监测实验

4.1 系统软件实现方案

一体化控制器、执行设备以及相关线路等构成了整个控制系统。通过控制器可以自由控制各种农业生产执行设备，如：喷水系统（可支持喷淋、滴灌等）、空气调节系统（可支持卷帘、风机、通风等）、光照调节系统等。图5为软件总体设计示意图[3]。

4.2 上位机（PC机）监控界面

经测试，系统软硬件均工作正常，可实现预期目标中绝大部分功能。通过ZigBee节点组网测试实现各节点间组网并能正常通信；通过传感器节点控制实现温室的远程控制功能；通过ZigBee与GPRS间的联合调试，实现终端节点采集光照并由GPRS模块发送采集数据到手机，实现温室远程监控的功能；系统充分发挥了ZigBee具有强大的网络扩展功能，结合GPRS模块可实现农业信息传输的多样性。图6为环境监控界面。

如图7所示包含了温度传感器模块的网络地址，温度信息，及上传时间。上位机收到的信息首先进行预处理，存入数据库，然后再从数据库读取出，根据时间信息，画出历史曲线图。

5 结语

本文提出了一种基于物联网的精准农业环境监测系统方案，可实现对农业大棚中各种环境参数进行监测，大大节约了农业管理者的劳动成本，同时，对农作物的生长和实现对温室大棚环境的实时监控，为提高农作物产量提供了强有力的数据支持。该系统设计方案系统界面稳定，操作界面简单且扩展性强具有较好的应用前景。

参考文献

[1]杨超，魏东，庄俊华.基于ZigBee无线网络技术的地下车库照明节能控制系统研发[J].电工技术学报，2015（S1）：490-495.

[2]张雄，秦会斌，毛祥根，等.基于ZigBee无线网络的室内温度监测系统[J].电子质量，2015（2）：13-17.

[3]李颀，冯宇谦，周晓岚.基于ZigBee无线网络的养殖场信息监测系统设计[J].陕西科技大学学报（自然科学版），2016（01）：164-170.