基于物联网的智能农业温室大棚监测系统

苗君臣，王睿昊，尤 达，陈 雷，王艺涵，郭登宇，涂德宇

（安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

农业是我国经济发展的基础。温室大棚是利用目前现有的物联网技术，通过监测和调节来控制农作物的生长，可以保障农作物的生长环境，从而获得高质量高产量的现代化农业生长方式。目前，我国各地温室大棚种植的技术传播广泛，农业的智能化程度也越来越高。但在目前来看，现有的智能农业大棚采用有线的连接方式，这种方法存在线路布局复杂、安装成本较高、维护工作困难等一些问题，对此本系统采用了ZigBee无线通信的方式，具有体积小、功耗低、设备成本小、传输可靠性高和距离远等优点。

对于农作物在生长过程中的不同环境因素，监控设备需要采用不同的方法进行采集，这很大程度上限制了智能农业的发展和技术推广。本文设计一种基于ZigBee 的智能农业检测系统，可以根据农作物不同的生长环境和需求进行监测，实现监测数据的集中处理，具有布局简单、安装简易、使用方便、应用广泛等特点。对于农作物的生长环境主要检测的数据有空气温度、土壤温湿度、CO2浓度、pH 值、光照条件等。农业温室大棚智能化对提高农作物的最终产量、质量，增加农民的收入，改善农民的工作环境及条件，推动我国农业自动化智能化进程具有巨大的发展价值。

目前，物联网的发展也已经渐成规模。将物联网技术使用到智能农业温室大棚也是当下农业现代化发展的重要趋势。智能农业温室大棚可以精准控制产品的生长环境，实时监测大棚的状况以应对突发情况，很大程度节省农业资源，不会受到季节环境的影响，还能给人们提供所需的农产品。

1 系统总体设计

物联网是指通过信息传感设备，按约定的协议，将任何物体与网络相连接，物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能。物联网的典型体系构架主要有感知层、网络层和应用层三层。基于物联网的智能农业温室大棚监测系统也主要由这三层体系构建。

感知系统主要是通过安装在温室大棚中各处无线传感器，完成智能农业温室大环境、设备数据的采集，其中包含温度、光照度、空气湿度、CO2浓度、土壤pH 值和土壤含水率等。

网络系统主要由中继器节点和网关组成，汇聚一定区域内的监测节点数据，然后上传到数据中心，主要通过传感器技术和GPRS 数据通信技术实现；应用系统是由监测系统、实现数据显示、警戒值报警、人机交互等组成，实现物联网体系的业务应用系统。

智能农业温室大棚监测系统总体是由感知系统、网络系统和应用系统组成。系统总体设计图如图1 所示。

图1 系统总体设计图

1.1 环境数据收集系统

智能农业温室大棚环境数据收集系统主要核心模块为ZigBee 通信模块和GPRS 无线通信模块。GPRS 无线通信模块具有通信成本低、传输速率高、接入时间短、QOS 优化等优点。

温室大棚内部的温度、CO2浓度、土壤pH、空气湿度、光照度和土壤湿度等重要数据的收集可以通过在大棚内部安装有限多个能够采集农作物生长环境的传感器，并为每个传感器配备ZigBee 节点，用以A/D 采样和无线传输。

无线传感器节点每天定期地实时监测农作物的生长环境信息，并通过无线传输的方式将信息单跳地传输至网关，网关通过GPRS 将处理后的信息传输到云服务中心。

1.2 ZigBee 无线通信网络

ZigBee 是基于IEEE 802.15.4 标准的低功耗局域网协议，是一种近距离、低功耗、低成本、安全性高的无线网络技术。它是利用多个无线传感器节点、汇节点和GPRS 数据传输组成的分布式系统，分布在温室大棚内部的各个传感器可以将接收到的数据上传给GPRS 网路，中央控制通过GPRS 网络可以与ZigBee 节点实现无线数据传输与转换，控制中心可以通过对GPRS 网络的数据收集来对大棚内部做出相应的调控和管理。

基于ZigBee 无线通信网络的检测系统可以很好地替代原有人工检测步骤，而且这个检测系统还可以根据检测环境和条件的改变及时做出相应的改进和扩展。

2 系统硬件设计

2.1 数据采集模块

2.1.1 空气温湿度监测模块

温湿度传感器是一种装有湿敏和热敏元件，能够用来测量湿度和温度的传感器装置。温度和湿度在农作物生长过程中有着很大的影响，传感器将收集的数据由网关发送给决策系统，当温度过高或过低时会反馈给中央空调设备以达到合适的温度。

2.1.2 光照监测模块

光合作用是农作物生长的必要过程，控制光照采用光照传感器，其原理是将光照度转换为电压值以便数据收集，其决策系统会适当控制遮阳设备和灯光设备来达到农作物所需最佳的光照条件。

2.1.3 CO2浓度监测模块

采用固定式CO2浓度检测仪对大棚内的CO2浓度进行测量，通过CO2生成器来调节温室大棚内部的CO2浓度，保证大棚CO2浓度的稳定。

2.1.4 土壤含水率和pH 监测模块

由于土壤介电常数的变化与土壤的含水量直接相关，由输出电压和水分的关系则可直接计算出土壤的含水量。土壤含水量传感器发射一定频率的电磁波，电磁波沿探针传输，触底后返回，此时检测探头输出电压。通过安放土壤含水率传感器和土壤pH 测定仪来监测温室大棚内土壤的情况，通过水肥灌溉设备调节土壤的含水率和pH。

2.2 处理器模块

处理器采用STM 公司的以Cortex-M3 为内核的STM32F103 系列芯片。处理器模块可以根据需求完成对其他模块的统一控制。如实时记录各传感器的信息数据，控制设备的开启与关闭，根据所编写的程序可以自行调节温室大棚内的环境参数，让用户可以随时看到温室大棚内作物的生长状况。

2.3 CC2530 控制板模块

CC2530 控制板可以实现环境感知层和应用层的功能。CC2530 是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 的一个真正的片上系统解决方案，能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。

CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存、8 KB RAM 和许多其他强大的功能。CC2530Z 主要通过A/D 模块控制对传感器数据的采集和处理，还能以无线传输的方式实现数据的传输和接收。

2.4 无线通信模块

通过RS 232 将ZigBee 模块与处理器模块相连接，接口电路图如图2 所示。ZigBee 电路可以将传感器接收到的数据通过无线传输方式发送至中央控制模块，从监测中心还可以把处理信号再发送至控制模块。

图2 ZigBee 接口电路设计

2.5 电源模块

设备提供实时供电和电池供电两种方式，以防止在停电等特殊情况下出现设备断电等情况。系统还给传感器添加控制电源模式，可以在采集空档期关闭对传感器设备供电，以节约监测系统用电。

3 系统软件设计

系统软件主要包含数据显示、监控画面、警戒报警、专家决策和人机交互等功能，可以很好地提高用户的使用体验，实现对大棚的远程控制。

3.1 数据显示功能

监测系统会实时测量温室大棚内温度、光照度、空气湿度、CO2浓度、土壤pH 和土壤含水率等各项数据，并在数据收集中心统一处理分析，然后以直观的形式，如柱状图和条形图反馈给用户，让用户可以随时了解温室大棚内部的环境状态。

3.2 监控系统功能

在温室大棚内部安装高清摄像头作为监测系统，用户可以通过手机和计算机设备随时观看大棚内部的监控录像，了解农作物生长过程。

3.3 警戒报警功能

该系统在收集温室大棚内部数据时会实时比对预设参数，当大棚内部某一项数据超过或者低于预设范围，及时通过手机短信发送给用户，让用户可以第一时间知道大棚生长环境信息，并对特殊情况做出应对政策。当监控系统发现大棚附近出现陌生人时也会及时反馈给用户。

3.4 专家决策系统功能

该系统不仅能够进行实时环境信息的采集，而且还具有对信息进行分析和决策的专家系统。专家系统是一个能够解决困难问题的智能系统。当监测的信息上传到云端存储时，专家系统首先会根据信息并结合专家知识进行预警判断，当上传的信息异常于农作物最佳生长范围阈值时，会产生报警提示，并通过服务器以短信的方式告知用户。更重要的是，专家系统会根据多个决策系统，对需要调节的环境量进行智能决策，并将决策结果（灌溉量、灌溉时间等）通过物联网反馈至温室大棚前端的控制系统。决策系统控制流程如图3所示。

图3 决策系统控制流程

3.5 人机交互功能

该系统可以根据专家系统的决策结果对温室大棚前端的控制系统进行调制，确保农作物的生长环境保持最佳状态，以提高农作物的产量和品质。控制系统主要由嵌入式控制模块、中央空调设备、遮阳设备、卷门设备、风机设备、水肥灌溉设备、灯光设备以及CO2生成器等组成。

4 结 语

本文设计了一种基于物联网的智能农业温室大棚的监测系统。该系统主要采用ZigBee 无线通信技术，通过安装在温室大棚内部的传感器，实时收集温室大棚内部的温度、光照度、空气湿度、CO2浓度、土壤pH 值和土壤含水率等数据，而且可以根据需求及时调节大棚内部生长环境。该系统通过无线传感技术可以节省传统农业大棚所需人力物力的消耗，还具有安装方便、功耗小、操作简单成本低等优点。基于物联网的智能农业温室大棚监测系统技术的研究有利于进一步实现智能农业温室大棚的自动化种植模式。本文系统能够对温室大棚进行全方位检测，对于农业大棚生产具有非常重要的现实意义。