现代农业大棚环境监测系统设计研究

屠民伟　陈江明　韩幼华

摘要：本文旨在对农业大棚环境检测的需求展开分析，从而设计现代农业大棚环境监测系统，实现人工管理到智能管理的转变。

关键词：农业大棚;环境监测;系统设计

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）02-0149-02

近年来，农业大棚主要采用人工方式实现环境监测，然而该环境监测方法所采集的信息并不全面，极其容易对农作物产量造成影响，更无法实现农民增产增收的目的。为此，现代农业大棚的环境监测尤为重要，本文在基于ZigBee技术理论基础上，结合实际需求将传感器网络化，提高了农业大棚环境监测系统的可靠性与无线性。

1 ZigBee技术

作为全新的无线通信技术——ZigBee技术，可实现传输速率不高且短距离情况下的电子设备数据传输，具有低反应时间数据、间歇性数据以及周期性数据等特点。与GSM、CDMA类似，均属于无线数据传输网络，ZigBee可通过模块之间的相互通信，实现无限扩展。ZigBee的特点在于低功耗、低成本、网络容量大以及自组织网络等，其协议栈主要包括安全服务提供层、应用层、网络层、介入接入控制层以及物理层。

2 系统需求分析

ZigBee单点可覆盖75米左右，考虑到费用和设计复杂度的问题，在大棚中心位置设置协调器节点，大棚每个进出口位置设置路由器节点，大棚均匀布置两个终端节点，并负责建立、管理网络，将搜集到的环境参数上传到上机位。路由器节点需要统筹整个大棚的环境参数，并上传到协调器。根据系统设计的实际需求，现对系统运行过程介绍如下：

（1）实施采集光照强度、土壤湿度以及空气温湿度等大棚环境信息，并上述按到协调器节点;（2）汇总转发协调器节点数据;（3）于上机位实现人机交互，对终端客户提供预警、查询等功能。

3 现代农业大棚环境监测系统设计

3.1 系统组成

本系统的传感器模块设计主要包括空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照强度传感器，具体如图1所示。本文应用树形网络拓扑结构，具有整体结构明确、费用低、传输路径位移、拓展便捷等优势[1]。

3.2 系统硬件设计

（1）传感器模块。传感器模块主要包括A/D转换器、传感器，由于传感器模块需要布置于大棚中，是对整个大棚的环境参数进行监测，其选择十分关键。由于大棚空气流动性差、空间封闭，提供适宜的光照、土壤含水量以及空气质量，均可以影响作物的生长速度与品质，为此，本文注重选择光照强度、土壤湿度、空气温湿度三个参数作为传感器模块的数据采集因子。（2）处理器模块。本系统的各个节点均要具备较快的运行速度及较高的集成度，故而选用CC2530F256，256KB闪存，作为ZigBee单芯片解决方案，具有高功低耗的优点，而且由于CC2530单片机的资源较为强大，所以其单个芯片便可实现诸多功能，节省外部单片机，降低成本。本系统处理器模块的特点在于支持ZigBee及其他基于IEEE802.15.4标准的解决方案、高灵敏度、一流阻电性能。（3）无线通信模块。在无障碍物传输试验中，CC2530的实际传输距离为200m，有障碍物传输试验的传输距离则为60，考虑农业大棚环境的实际情况，本系统额外增加CC2591射频芯片，提升传输距离，并提高数据传输稳定性。（4）电源模块。节电工作时，需要电源供给才能确保正常运转，本系统供电不可停止，为此协调节点选用USB连接电源，实现直接供电，其他节点采用电池供电。（5）协调器节点。因为协调器节点需要与上机位形成组网和串口连接，所以不必进行数据采集，其主要硬件包括串口通信模块、电源模块、无线通信模块以及处理器模块。本系统网络规模不大，且大棚内环境的传输距离有限，所以对通信速度的要求并不高，故而选用RS232接口。（6）路由器节点。路由器节点既不用串口连接，也不用数据采集，仅仅实现数据转发即可，为此，其基本机构主要包括电源模块、无线通信模塊以及处理器模块。一般来说，也可在路由器节点中加入传感器模块，从而丰富了路由器节点功能，实现数据采集[2]。

3.3 上机位监测系统设计

上机位监测系统设计具体如：（1）用户登陆。主要用于用户登录环境监测系统的界面，要求用户输入正确用户名、密码后方可进入系统，实现系统的操作、查询，否则无法登陆。（2）信息管理。主要对大棚、设备、用户的信息进行综合管理，其中，用户信息管理负责储存用户信息，包括用户ID及其权限等，设备信息管理负责更新关联设备表，包括设备类型、编号等，大棚信息管理负责记录、储存大棚数据，包括大棚作物的成长周期、种植时间、大棚编号等。（3）数据库管理。数据库管理主要包括参数阈值、数据查询、数据储存以及实时数据管理的四个部分用于实现农作物环境信息的查询、显示功能，并可辅助用户根据专家库设置环境参数范围，从而实现调整阈值来控制环境因素的目的。（4）通信。选用RS232实现环境监测系统的上机位与协调器之间的通信。

4 结语

综上所述，现代农业大棚的环境监测是未来农业发展的大势所趋，通过对影响农作物的环境因素进行监测，实现作物高产，而环境监测系统作为行之有效的信息技术有点，可帮助大棚管理人员第一时间得到不利于作物生长的预警，便于快速解决大棚问题，促使农作物始终在适宜的环境下成长。

参考文献

[1] 杨飞，谢涛，伍英，等.基于WIFI的农业物联网温室大棚环境监测系统的设计[J].计算机测量与控制，2017（2）：50-53.

[2] 唐英姿，蒋峰.远程无线高精度温室大棚环境监控系统设计[J].江苏农业科学，2017（15）：217-222.

Design of Environmental Monitoring System for Modern Agricultural Greenhouse

TU Min-wei1，CHEN Jiang-ming2， HAN You-hua3

（1.Hangzhou Zhanwang Technology Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang  310000;

2.Hangzhou Jiwang Communications Technology Co.， Ltd. ， Hangzhou Zhejiang  310000;

3.Hangzhou Yihe Network Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang  310000）

Abstract：The purpose of this paper is to analyze the requirements of environmental monitoring in agricultural greenhouses， so as to design a modern environmental monitoring system for agricultural greenhouses， and realize the transformation from manual management to intelligent management.

Key words：agricultural greenhouse; environmental monitoring; system design