基于物联网的农业大棚环境监测系统的研究与应用

张 阳

（葫芦岛市现代农业发展服务中心，辽宁 葫芦岛  125000）

随着物联网技术的发展与普及，我国农业传统耕种模式逐渐趋于农业现代化。物联网技术应用于农业生产管理中，优化动植物的生产方式并提升管理效率，推动我国农业智慧化发展。设施农业是通过科技手段干预农作物的生长环境，实现高效生产的目的。我国农业大棚发展迅速，种植模式多元化，总面积居世界首位。运用科学技术为农业大棚创造适合农作物生长的环境，人工调控温度、湿度等其他自然因素，减少无关因素的影响，达到促进植物生长的目的。适宜的大棚环境能提升农作物的产量于品质，物联网技术应用于大棚内环境监测系统，对于改善农作物生长环境，增加收益意义重大。

1 农业大棚发展现状

传统耕种模式对环境因素依赖性较强，农业生产设备落后，导致农产品产出不稳定，影响农业经济效益。我国农业温室大棚种植面积广泛，农作物的种植已跨越地区与季节，已成为农业生产构成的重要元素。农业生产由粗放农业转向集约化，以智能、精确的科技手段实现农业可持续发展。塑料大棚是我国农业大棚的主要形式，采用人工管理的模式。虽然农户具备丰富的种植经验，农业机械设备使用率低，不能批量生产。我国东西部经济发展不均衡，很多地区无法建设现代化高质量的农业大棚基地，农业大棚技术也相对落后。

2 农业物联网技术简介

物联网是由独立性的物体连接至传感器组件，传输并自动化处理信息，进行互通互联，实现科学管理的目的。物联网是一个功能强大的智能网络。终端信息收集可采用智能传感器、实物、无线识别、定位系统能方式，通过有线网络或WiFi将采集的信息连接到互联网，准确识别、定位、监管物体。全面识别、传输信息和智能处理是物联网的主要功能。农业物联网可划分为3个层次，感知层、传输层、应用层。感知层是获取信息的基础，由感知对象、识别码、智能传感器构成，收集的农业信息包含，土壤情况、气候变化、农作物生长情况等信息。传输层通过局域网与移动网络将感知层获取的数据传送至应用层。应用层通过数据分析，对农作物实施种植管理，实现智能化农业耕种管理。

3 农业大棚环境监测技术的实施

3.1 环境监测的监测对象

环境监测的监测对象为农作物生长所需要素，目前农业大棚环境监测项目为，空气湿度、土壤温湿度、棚内温度、光照程度、二氧化碳含量、病虫害等情况。监控模式主要有两种形式，一种为实时监控，对农业大棚内部的环境情况，实施24小时不间断监测；另一种为定时监控，控制系统按照固定的时间间隔对数据进行监测。虽然实时监控收集到的数据精准，但设备投入与运行成本较高，因而，恰当的定时监控更适合应用与农业大棚。

3.2 环境监测的硬件支持

硬件是农业大棚实现环境远程监测的设备基础。大棚环境监测终端系统、无线传感器网络与数据中心是组成环境监测系统的重要部分。环境传感器与数据采集器是环境监测终端子系统的两个组成部分。

3.2.1 环境传感器 农业大棚常用的环境传感器为，温湿度传感器、电子温度计、空气湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器、智能芯片与通信模块等。智能传感器通电后，主控芯片发出采集信息的指令，待信息回传后，主控芯片对信息进行编码，将数据通过通信模块进行发送。

温湿度传感器：在农业大棚实际的布置中，对温湿度传感器的需求为小巧，精准高。德国的BME280为一款功能多、尺寸小、精度高的三合一传感器，它可以同时收集大棚内的温湿度与气压的数据，适合应用于农业大棚中。

光照传感器：适宜的光照促进农作物的光合作用，农业大棚采用光敏电阻测量光照强度。光敏电阻利用光电导效应原理制成的电阻器，随着光照强弱的变化而改变电阻值，对光照程度进行监测。建议采用5506光敏电阻，因其对光线敏感性高，光照强度越高，电阻值越低。

二氧化碳传感器：二氧化碳传感器应选用灵敏度强、分辨率高、能耗低的小型传感器，并具备数字与波形输出，高效便捷。

3.2.2 数据采集器 数据采集器是农业大棚环境监测的核心组件，负责收集、显示与处理大棚内环境数据。数据采集器包含ARM 核心控制板、SD卡模块、RS-485通信模块、FLASH模块、LCD屏显示模块、ZigBee模块、无线射频收发模块与预警报警模块等。数据采集器的功能为数据接收、存储、显示、处理与预警报警功能。数据采集器将传感器收集到的环境数据进行预处理，保存至内部Flash之中，保证足够的存储空间与信息存储安全。在数据采集器面板上设计LCD屏，收集到实时的数据通过LCD屏显示出来，利于工作人员阅读并利用相关数据。数据采集器还可以嵌入Linux系统，将预设的温度模型录入后，预测大棚内的温度变化，提升农业大棚内环境调控能力。

3.2.3 模块电路 农业大棚内环境监测的每一个硬件系统，都需要电源模块的支持。环境监测系统的功能模块种类多，不同模块对电压的需求不同。环境传感器的点位灵活，电源适配器不适合用来供电，建议使用5V锂电池供电，锂电池的特点为充电快、质量轻、安全可靠，适合应用与农业大棚环境传感器中。数据采集器作为核心组件，必须保证电源稳定且安全可靠。主要使用电源适配器供应电源，使用AMS1117稳压芯片，能够输出1A的电流，其输出电压稳定、耐温范围广、精度高，适合应用与数据采集器电源供应。

3.2.4 故障检测技术 故障监测作为农业大棚环境监测系统的辅助功能，当传感器或视频处理模块出现故障后，系统会进行预警与报警处理，农业大棚工作人员通过系统提供的故障代码，找到问题模块或元件，及时对其维修或更换。

3.3 环境监测的系统软件

农业大棚环境监测系统的设计，通过计算机语言编写程序，并运用对应的计算机技术，完成数据采集器与服务器之间的信息共享，并展示动态数据的变化。强大的数据库能够提高信息存储容量，进行分析比对，更加高效快捷的运用实时数据。

3.3.1 Linux系统 近年来，Linux系统成为嵌入式系统研究热点。运用系统本身的特质，应用于嵌入式系统之中，Linux实施操作系统，主要应用数据通信与控制。

3.3.2 STM32软件STM32软件是一款可以ARM架构编程的开发工具，可调用的库函数较多，使用μVision操作界面，操作简单，便于应用。采用C语言编程，C语言语法简洁、紧凑；使用方便、灵活。

3.4 防止数据冲突机制

智能监测系统会出现同一时点数据拥堵的情况。通过三角划分，提前预判冲突，运用数学公式对其进行计算，通过建立数据间的数学关系，分析数据拥堵概率，并持续对其进行校验，进而提高计算的准确率，避免数据碰撞情况的出现。

本文对农业大棚环境监测系统的硬件与软件进行研究，针对大棚环境监测终端设备进行设计，注重数据的获取与提高设备的适用性，促进该系统的进一步应用与普及。