基于物联网技术的果园环境监测系统实现探究

马丽红　高茜茜　常勇　于蕾

摘 要：果园环境参数的监测能够为规模化果园的生产提供有益的参考和依据。基于物联网技术的果园环境监测系统，采用多种传感器监测果园环境参数，并通过4G网络传输至服务器端进行分析、处理，可以为精准果业生产提供帮助。

关键词：物联网;果园环境监测;智能采集节点

中图分类号：S126

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190715008

我国果业在农业中占据着关键地位，同时果业的发展也与广大果农的利益息息相关。最近几年，逐渐成熟的物联网技术越来越多地应用于精准农业生产和品质管理[1]。通过传感器信息采集、多元数据融合以及物联网等多种技术的结合，在果园中建设监测系统实时监测果树生长环境[2]，实现农业生产过程的自动化、智能化、科学化管理。光照、温度、土壤和水分等環境条件都会影响果树的生长和水果的发育。但是对这些环境信息的大规模采集和不间断监测产生了大量冗杂的信息，因此增加了数据处理和管理的难度，需要较高的投资成本。在传统果园中，果树的生长、种植以及病虫害的判断是通过人工进行管理和监测的，不仅耗费人力物力，而且依赖于果农的经验，带来了不确定性和不稳定性。随着物联网、传感器和通信技术的飞速发展，实现果园数字化、信息化是未来发展的趋势，对果园各种环境数据、果树生长相关数据进行实时监测、智能分析具有重要意义[3，4]。

作为一个传统的农业大国，我国农业生产离数字化和信息化管理还有很长的路要走，针对以往水果生产的环境监测方法留存的数据复杂、采集难度高、监测效率低下、造价及维护费用高昂的问题，本文利用物联网技术，结合低延迟、采集范围广的传感器通过无线的方式组成传感器网络并接入互联网，设计并开发了一个基于物联网技术的果园环境监测系统。

1 基于物联网的果园环境监测系统结构

在果树的生长过程中，气候和环境因素起关键性作用，可以直接影响果园的年总产量和果品的质量[5]。因此，为实现果园管理的自动化、智能化，实现高产高质量的目标，对诸如光照、空气温湿度和土壤温湿度等影响果树生长发育的条件变量进行及时精确地监控是十分必要的。果园环境监测系统的拓扑结构如图1所示：

环境监测系统基于多种环境传感器采集环境数据，并将数据通过网络上传至采集服务器，在Web端和APP端查询和管理环境数据。系统总体结构分为：数据层、服务层、应用层，如图2所示。

1.1 数据层

数据层是物联网的基础层，通过多种感知终端实现对物联网内果园信息的多方面采集，包括土壤含水量、空气温湿度、CO2浓度、光照强度等重要环境参数。这些信息将被智能采集节点接收，对其进行统一解析并处理后，通过网络上传至服务器存储。

1.2 服务层

服务层主要对实时采集的果园环境参数进行分析、处理，并保存至数据库服务器进行持久化存储。应用服务器接收数据请求并进行相关的业务处理，最终将结果返回给终端用户。

1.3 应用层

应用层通过Web和APP 2种方式为各种用户提供可视化展示，帮助科学种植，使用户能够更方便、直观的使用本系统。

2 果园环境监测系统的技术选择

果园环境监测系统的关键技术包括3个部分：采集环境监测数据、对采集的数据进行传输和有效处理以及果园环境监测系统应用。智能采集节点与环境传感器通过串口通讯方式采集数据，最终通过4G网络将数据传输到数据采集服务器。环境监测系统所要处理的数据通常具备以下特点：种类多、数量大、实时性等，因此，本文设计开发的服务器采用异步I/O模型，实现自动接收与存储环境数据，同时可较好的应对数据量大及并发上传的情况。果园环境监测系统以Web和APP 2种访问方式为果农、专家和管理员提供查询和管理数据服务。

3 系统测试

本系统所需的硬件环境主要包括土壤PH值传感器，空气温湿度、二氧化碳浓度以及光照综合传感器，土壤温湿度传感器。软件开发工具是MyEclipse和Android Studio。MySQL数据库主要用来存储环境数据，并实现数据的持久化。

通过采集单个节点的pH值、二氧化碳浓度和土壤温度数据，我们对系统的整体功能进行测试。测试所用智能采集节点和传感器如图3所示。

果园环境监测系统实现了对果园多种环境数据的查询，并对数据进行可视化分析。土壤pH值、土壤温度与空气温度的变化曲线分别如图4（a）、图4（b）所示。当果园专家需要查看数据变化曲线时，首先进入Web监测管理应用系统，选择空气温度数据，系统将空气温度数据以折线图形式进行可视化。用户也可以输入特定的位置查看某一区域内的温度数据，同时，用户也可以选择时间，查询某一时间范围内的温度数据变化。

4 结束语

本文设计开发的基于物联网技术的农业环境监测系统包括数据层、服务层、应用层3个部分，具有实时性、自动化、连续性等特点，可以很好的解决传统环境监测中面临的数据采集困难、实时性差等问题。系统已经在某果品基地投入使用，从使用效果来看，该系统运行良好，可以使管理者实时、准确地掌握各种环境参数，实现了大面积果园的自动化、智能化管理。

参考文献

[1] 张永华. 农业物联网技术应用及创新发展策略[J]. 农业与技术， 2018， 38（10）：247.

[2] 王文山， 柳平增， 臧官胜，等. 基于物联网的果园环境信息监测系统的设计[J]. 山东农业大学学报（自然科学版）， 2012， 43（2）：239-243.

[3] 杨常捷， 刘任任. 基于物联网的智慧大棚种植系统的研究[J]. 计算技术与自动化， 2018， 37（03）：155-159.

[4] 王家农.农业物联网技术应用现状和发展趋势研究[J].农业网络信息，2015（9）：18-22.

[5] 常勇. 基于4G网络的果园环境监测系统研究与开发[D].西安理工大学，2018.

作者简介：

马丽红 （ 1977-） ，女，大学本科，园艺师，研究方向： 果品质量控制、果品采后保鲜等。