互联网在设施农业温室监控和报警管理系统中的应用

李延国 黄雷 欧志鹏

摘 要：本文介绍了使用互联网对温室的环境参数进行实时监控和报警管理的系统。其包括移动检测装置，数据获取装置，数据接收器，射频识别接收设备和数据存储服务器。目的是为了监控和管理农作物在温室中的生长情况。该系统可以自动收集温室环境参数，如空气温度、空气湿度、光照强度、土壤温度和土壤湿度等，而且还会自动分析每个参数，并判断是否报警，使用ZigBee芯片上的集成无线传感器和数据采集模块。采用这套系统提供的检测装置，可大大降低对温室的自动化管理的成本。

关键词：环境参数;实时监控;数据获取;数据接收

中图分类号：S-1       文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190830011

概述

农业与国家经济基础密切相关，发挥的作用显著。我国拥有大量的人口，仍是发展中国家。目前我国的温室大棚主要通过人工检查，其效率非常低下。想要得到温室如空气温度、湿度、光照、土壤温度和湿度、土壤中无机元素含量等数据，就必须亲自检查温度计、湿度指示器或其他设备。通常是根据以往的经验管理温室大棚。现在国内外已经有了一些作物自动化管理系统，可以提供给农民种植智能系统集成服务，如测量、配置、运营和施肥，从而实现了农业的科学管理方式。然而，这些智能系统不但体积大，而且非常昂贵且没有管理农作物的批次的功能，也不能提供报警功能。因此很难普及。

尽管也有一些小的温室施肥和灌溉系统，但那些系统往往是单一的，而且仅限于温室的一个有限的区域。如果从业者要检查或监视某些环境参数，就不得不进入温室内，在固定的计算机上操作。一旦离开，就不能得到实时的信息。总之，目前缺乏一种智能系统，使从业者实时监控作物的生长以及生长环境。此外，目前这些系统中的数据收集单元和处理单元是有线连接的，因此很大程度上降低了那些系统的灵活性。可想而知，如果使用太多的线，如何分布将是一个比较大的问题。

为解决这些问题，运用网络系统对温室进行监控和警报管理，并实时地自动收集数据，比如：土壤温度和湿度、空气温度和湿度、是否需要施肥、植物的灌溉频率以及生活环境是否适合等。如果肥料和水分，或其他部分因素超出适当的范围时，系统会自动报警给管理人员，报警方式可以使播放1段音乐或者自动发送警报。此外，该系统还允许用户设置1个固定的时间点，一旦时间达到该点，将以用户设置的默认方式报警，从而实现了对温室内的作物和花卉的自动化管理。同时，所有的收集和管理系统的数据将被存储在互联网中，管理人员可以通过访问计算机或智能手机随时随地了解和掌握所需的信息。此外还可以根据自己的设定，通过移动终端获得语音广播服务。管理人员在温室外面使用移动的检查装置，根据接收的信号将自动地广播距离最近的温室内农作物在生长状况，从而确定是否要进入温室。使用这些移动检测设备，从业者甚至没有必要进入温室即可掌握农作物的生长状况。所以该系统具有智能，易于操作，灵活多变，而且成本低，功耗低的特点。

1 系统工作原理及操作方法

1.1  系统工作原理

采用互联网技术来管理温室监控和报警管理系统。包括至少1套数据处理设备，可以只是1台个人计算机或服务器，用于处理从接收装置传来的数据，比如：空气温度、空气湿度、光照、土壤温度和湿度等。可以把已经处理的数据结果以文本消息、图形等信息告知你，也会自动地判定是否满足报警条件。如果满足报警条件，会提供给用户多种报警方式，例如，语音警报、文本消息警报、电子邮件警报、记录报警等。此外，所有收集到的数据将被用来生成每日和每月报告。数据处理设备与互联网连接，并设有从业者可访问用户界面。接收装置用于接收土壤温度和湿度，空气温度和湿度的数据，然后将数据通过串联端口发送到数据处理装置。数据收集单元，负责收集包括空气的温度和湿度等。土壤传感器，用于实时收集农作物“生活环境”参数，通过ZigBee无线网络将数据发送到上述数据处理装置。射频识别设备，也被称为电子标签，用于识别1个特定的温室。巡回检查设备可以从中读取标签信息。

温室监控和报警管理系统的联网还包括1个终端设备，用来显示温室内各种环境因素。一旦环境不适合农作物生长，终端将播放1首乐曲作为报警。该装置主要用于面积比较大的温室，以便于从业者实时掌握环境参数。而在面积较小的温室中，为了降低成本，不设有终端，在这种情况下，从业者直接从数据处理装置中获得需要的环境参数。

该温室监控和报警管理系统的互联网设备还包括：移动检测装置，用于读取温室内射频识别设备的电子标签，以確定1个唯一的标签读取模块。无线通信模块可用于该设备，通过无线网络处理实时数据，还有1个语音播报模块，可以用声音广播的形式告知管理人员温室的数据和相关建议。

温室监控和报警管理系统，通过互联网集中了数据处理设备、接收设备和移动设备于1个多功能移动检测装置。该装置包括1个数据接收单元、射频识别读取模块、存储单元、1个数据处理单元、通信模块、输入/输出模块和电源。该射频识别读取模块读取距离最近的温室，以确定为唯一的标签。接收的数据单元负责接收传回的环境参数。在接收到数据后，将其传送到处理单元，然后将上述数据保存到存储单元并判断是否报警。数据处理单元将定期在互联网上通过通信模块上传所有数据到数据存储服务器中。输入/输出模块所使用的用户的配置系统，还可以查询一些相关的信息，整个装置由电源供电。

1.2 温室监控和报警管理系统的操作方法

数据采集单元实时地收集环境参数，如空气温度、空气湿度、光照、土壤温度和土壤湿度等。

接收装置有规律地将从收集单元取得的数据，并将其传送给处理设备。

数据处理设备负责处理接收的数据，并将其存储到数据库中，以使其可用于以后的分析和显示。

数据处理装置负责分析这些环境参数。如果其中任何一项指标达到先前设定的报警值，会激活报警功能，并给出了一些建议。

数据处理装置被连接到互联网上，并在用户界面上提供了一个图形，用户可以管理系统和实时监测作物地生长和生活环境因素。

通过远程计算机从业者可以通过因特网来访问数据处理设备，管理系统，或者监视温室。

管理人员也可以使用智能手机或其他移动终端，通过通信网络管理系统连接到上述的数据处理设备中。

当从业者携带移动设备在大棚周围巡查时，这些设备会通过语音信息自动播出距离最近的温室中的状况，并进一步提出建议。

2 附图说明

3 具体实施方案

本方案中该系统的功能主要包括：实时收集，例如：环境参数、空气的温度、空气的湿度、光照、土壤温度和土壤湿度等;自动报警，管理人员根据收集的数据，设置预设类型和报警条件;作物信息管理;用户管理;管理传感器节点和其他硬件。

图1所示为本监视和报警管理系统中在互联网的整体架构下的设备配置。在该图中，温室监控和报警管理系统包括：数据处理装置1、接收装置2、数据收集单元3、射频识别装置4、终端装置5、ZigBee网络6、远程计算机7、互联网8、移动终端9、通信网络10和移动检测设备11。收集单元3实时采集环境参数的数据，并将它们通过ZigBee网络6发送到接收装置2。数据接收装置2，定期将接收的环境参数数据存储到数据库中，并根据预先设定的报警条件来判断是否传送给报警处理装置1。连接接收装置2和处理装置1通常通过串联或USB端口。数据处理设备1通过该远程计算机7和因特网8或提供用户界连接，可通过因特网8实时地监测作物内部温室生长或管理系统。移动终端9，能够在通信网络上的TD-SCDMA 10访问由数据处理装置1提供的用户界面和实时地监测温室内部作物生长或管理系统。移动检查装置11能够读取射频识别装置4上的电子标签，以确定1个唯一的温室，并连通过接到通信网络的TD-SCDMA 10中的数据处理装置1。会查询有关温室信息并将它们以语音的方式传播给从业者。放置在1个较大的温室中的终端装置5可以处理的由接收装置2传送的环境参数数据，并判断当前环境是否适合作物的生长，如果没有达到标准，会自动播放1段音乐报警，是从业者实时了解温室环境参数。

图2 为温室内部的装置构成，这些设备包括：接收装置2、射频识别设备4、终端设备5和传感器12，多个传感器12构成了1个数据收集单元。这些传感器12实时地收集环境参数如空气的温度和湿度、光照、土壤温度和湿度等，通过ZigBee网络6，将其发送到接收装置2。接收装置2中的數据通过RS232端口连接到终端设备5，终端设备5分析那些环境参数，并判断当前环境是否适合作物的生长。射频识别设备4识别确定唯一的1个温室，并保存信息。可以供从业者的移动检测设备11随时读取。

图3所示为设备应用于本监控和报警管理系统的功能，其功能如下：

数据收集，收集模块负责实时地采集环境参数，并将其按照用户设置的每个指定的时间间隔，存储到数据库中的对应表中。该模块可以自动识别并适应某些硬件端口，并长期稳定运行。

作物信息管理，作物信息包括某些作物的数量、名称、位置、施肥时间、开花期、果实期、最佳生长温度、肥料用量和作物的特性。管理信息包括添加、删除、修改和查询作物的信息。

报警管理，报警管理主要分为2个部分：报警信息的管理，报警配置。报警信息管理包括添加，删除，修改，查询报警信息。报警配置允许用户设置报警模式，其中主要有2个途径：音乐报警和短信报警。音乐闹铃播放1段音乐提示用户当前的环境不适合某些作物的生长，而短信提醒是用飞信发送短信（短信服务提供商）来通知用户。此外，还有1个默认的日志警报，也就是说该警报日志将被自动存储在系统日志中，用户可以随时查看该报警信息

硬件管理，通过硬件管理模块用户可以访问不同的传感器节点等的状态信息，查看传感器节点是否处于正常工作状态，电源是否充足，还有传感器的类型等。硬件信息管理也包括添加新的传感器节点，去除传感器节点，修改传感器节点等信息。

用户管理，用户管理模块负责管理用户的信息，为用户提供1个登录界面。其主要功能包括添加，删除，修改和查询用户信息和登录界面。

数据收集设备3通过传感器12实时地自动收集环境参数数据，如空气的温度和湿度、光照、土壤温度和湿度等，并且将它们传输到接收装置2，接收装置将定期发送参数数据到处理设备1。数据处理设备1将存储器中的数据存储到数据库中，并与先前所设定的报警值进行比较，来判断是否得到满足警报条件。在较大的温室中，管理人员可以从数据处理设备1的终端设备5提供的内部连接用户端实时监测环境参数，也可以直接操作数据处理设备1。而在较小温室中，通过使用因特网8进行远程连接，可以连接到数据处理设备1中的任何计算机系统，来监视或管理温室。同时移动设备可通过远程用户通信网络10做同样的管理。从业者携带移动检测设备11在大棚周围检查时，这些设备11会自动检测温室中的农作物最新的生长环境因素，通过广播给管理人员并提出一些建议。

图4为本系统中移动检测设备的内部结构，其功能如下：

移动检测设备包括：射频识别读取模块14，它沿着incepting（不接受）路径自动搜索，先从最近的温室的识别装置开始，再到达指定的1个具体的温室中;数据接收装置13负责发送指令，按要求接收温室中的环境参数数据并将所接收到的数据传送到数据处理系统;数据处理装置16，负责分析所接收的数据是否满足报警条件;数据通讯模块17负责和外部进行通讯，数据处理装置16负责接收发送的各种信息，定期地上传给数据存储装置15;I/O模块获取用户输入的信号，以执行某些操作，并显示出1个交互式图形界面;电源为整套移动检查装置提供能源。

4 系统特点

互联网应用于温室的监控和报警管理系统时所需的装置包括：移动的检测设备，包括数据接收系统、标记识别模块、存储系统、数据处理系统数据综合系统、I/O模块、电源，还有读取温室电子标记装置，可以通过无线网络跟踪指定的温室，实时监测环境参数，保存数据，以判断是否报警。一旦报警条件满足，移动的检查装置，根据用户预先进行的报警设定，汇总所有的环境参数数据，通过无线网络上传到数据存储服务器中。

数据收集系统包括空气的温度和湿度传感器，照度传感器和土壤参数的传感器，被放置在温室中，实时地收集的环境参数数据并输出环境参数数据，通过无线网络接收数据。其中，接收装置被放置在温室中，接收环境参数数据并通过无线网络或串联端口输出数据。标记识别设备也被放置在温室中，以供移动检查装置读取来自网络的数据时，可以根据特定温室标记确定是哪一个具体的温室，数据存储服务器用于存储管理系统所需的环境参数的所有数据，通过互联网的用户访问界面提供环境参数数据。用户可以登录服务器，监测农作物生活环境，或通过管理系统访问其他界面。

该系统包括的数据收集装置和接收装置之间的联络使用无线网络。

该系统还包括1个终端设备放置于1个比较大的温室中，通过终端装置来处理接收装置中的数据，如果环境参数被判定为不适合当前的作物生长，即会播放1首歌曲作为报警铃声，这种方式方便了从业者实时地控制温室环境参数。

收集装置包括空气的温度和湿度传感器、照度传感器和分布式土壤传感器。

温室监控和警报管理系统，其中的移动检测装置，根据功能包括一部分固定装置，这部分装置被放置在1个单独的控制室中。其中，所述固定装置包括一个数据处理设备，负责处理移动检测装置采集的数据、存储设备、数据通信模块，还有移动监测设备中的I/O模块，通过数据收集系统的数据信息来判断，是否满足某些作物种植的要求和是否达到需要报警的要求。固定接收设备的数据和上述移动检测设备的数据相同，用于接收和传送收集系统的数据比如：土壤温度和湿度和空气的温度和湿度等，通过该接收装置的数据与数据处理设备和串联端口相连，传送到数据处理装置中。

温室监控和报警管理系统，移动检测设备从温室内的标签装置中读取标签信息，从而确定某一个具体的温室，并通过移动通信网络的TD-SCDMA连接到数据处理装置中查询温室的信息，以语音广播的形式把收集到的信息提供给管理人员。

温室监控和报警管理系统，还包括1个路由器，通过以太网连接。具体通过路由器建立1个局域网，通過该路由器连接的数据处理系统获得的环境参数的数据。

温室监控和警报管理系统还包括1个串联端口和温室监控和报警管理系统进行通信。

温室监控和警报管理系统还包括1个实时监测系统被放置于温室中。其中该实时监测装置是1个定时的单片机，其责任是监测实时环境参数，从收集系统中获得数据，并判断该数据是否满足报警条件，如满足条件，即通过串联主机启动报警信号。控制主机相当于数据处理系统和常断开和接通的引导主机系统，以显示实时监视器引导报警信号按照预先设定的方式向从业者报警。其中控制主机和实时显示器之间通过串口或串联USB端口连接。

5 结论

该系统能够自动地收集空气温度、湿度、光照、土壤温度、土壤湿度等环境参数，并判断参数临界值和报警，具有高智能化的特点。该系统使用的ZigBee芯片上集成无线传感器和数据采集模块，使其具有低功耗和低成本的特点。在这个系统中的传感器和接收系统的数据发送使用无线传输，所以移动方便，操作简单，易于扩展，并且节省空间。

总之，使用这套系统来管理温室大棚效果是显着的。土壤温度和湿度、光照、空气温度和湿度，还有土壤中的营养含量等数据都可以通过互联网获得，并能够及时地掌握这些参数，同时根据这些数据及时作出调整，这样可以保证作物始终生活在一个比较合适的环境中，以提高作物的产量和质量。因此，该系统能够科学地监测作物，帮助农民提高收入，并降低温室大棚的管理成本，使农民可以参与实现标准化、数字化和网络化的现代化农业。