基于物联网的温室环境监测系统设计

基于物联网的温室环境监测系统设计摘要：提出了一种适合于温室生产管理的、基于物联网的温室环境监测系统的设计方法。该系统利用ZigBee、RFID技术，可实时收集温室环境参数，并借助于连接在网络上的信息终端将获取的温室信息传送给温室管理者。而当温室环境参数超出设定阈值时，系统会通过多种途径向温室管理者发出预警信息。该系统可使得温室生产更加智能化，并有效降低生产中的人力物力投入。关键词：物联网；温室；环境监测；系统设计中图分类号：TP274文献标识码：A文章编号：2095-1302（2014）05-0032-030引言对于现代农业的发展，增加农业产量、提高农产品的品质，不仅要依靠优良的农产品种质资源，还需要精确的植物生长环境控制技术。近年来，以温室为代表的，温度、湿度、光照、水、肥、空气等环境条件相对可控的设施农业得到了重视和大力发展。目前，我国的温室内环境要素的监测，主要还是通过人工监测操控为主。温室植物种植管理主要还是依赖生产者的经验，缺乏统一规范的水肥光温调控标准，不仅劳动生产率较低，而且会造成水肥的超量投入，不仅浪费了生产能耗，拉高了生产成本，还会对生态环境造成污染。虽然近年来，智能化的温室环境控制系统得到了发展，但是目前还处于初步阶段。系统体积偏大、价格偏高以及尚不稳定和完善的信息传输及决策系统，使其在温室植物生产实践中受到很多限制。特别是当温室面积达到一定规模后，数据的采集和控制指令的传输成为制约温室智能化的技术瓶颈。如何借助现代网络通讯技术实现对温室实时状态的监测和远程控制，成为决定设施农业效益的关键。本文探讨了如何利用现有技术建立实用可行的基于物联网的温室监测系统，以期为智能温室的建设提供参考。1温室物联网技术发展状况物联网是指通过射频识别（RFID）、红外感应器、卫星定位、各种传感器，按既定的协议，将相关的对象与互联网相连接，进行对象信息共享，以实现目标的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种新型网络[1]。它以互联网为基础，将互联网中人与人之间的信息传递扩展到现实世界中实体与实体之间，并将信息的处理由人脑交由电脑，以实现管理的智能化。被认为是继计算机和互联网之后的“第三代信息技术”。物联网应用领域的不断拓展，将推动信息化对传统产业的改造升级，带来新的产业发展机遇[2]。物联网技术与温室为代表的设施农业结合，已成为我国智能农业发展的方向[3]。目前，国内基于物联网技术的温室环境监测研究正在兴起。熊迎军等设计了基于客户端/服务器（C/S）和服务器/客户端（B/S）混合架构的智能温室信息管理系统，实现了温室信息局域网的采集、处理、存储、显示和决策，以及广域网的高效远程访问与管理[4]。文献[5]探讨了利用Android智能手机系统实现温室环境的实时监测。文献[6]提出了一种基于物联网技术和移动Agent技术的温室大棚管理模型。文献[7]提出了基于物联网与云服务技术的农业温室智能化系统设计方案，对农业物联网的理论进行了有益的补充与完善。文献[8]以嵌入式GIS组件库作为开发平台，增强了温室监测系统的空间显示与分析功能，并利用逐步回归及神经网络建模，实现了温室低温灾害监测预警。2温室环境监控系统的设计要求温室按照用途分，可分为两种类型。一种为商品型温室，主要用于蔬菜、瓜果、花卉等商品性植物的种植。该类型温室通常面积较大，并充分考虑温室运营成本。另一种为科研型温室，主要为科学研究培养植物材料，或者用于研究环境对植物生长的影响。该类型的温室一般面积较小，对温室环境参数的控制要求较精确。但无论何种类型的温室，对于温室环境监测的要求都是一致的。概况起来有以下几个方面：（1）监测系统的实时性和可靠性，要求系统获取实时准确的温室环境参数；（2）监测系统智能化，对实时获取的温室环境参数作出是否超出预设范围进行判断响应；（3）监测系统的可扩展性，要求能便捷地扩展环境监测的范围和项目；（4）监测系统便于维护，尽量采用无线传输技术，避免过多地使用线缆连接；（5）系统建设及运行成本低廉，尽可能降低监测系统的能耗。3系统设计方案按照温室环境监控系统的设计要求，针对温室环境的特点，基于物联网技术提出了温室环境监测系统的设计方案，其系统设计如图1所示，图中虚线代表无线传输方式，实线代表有线网络传输方式，箭头表示信息传输方向。该系统能够实时收集温室内诸如土壤温湿度、空气温湿度、光照强度、CO2浓度等环境参数，并自动判断是否满足所种植物的生长条件。如果环境参数超出了设定的范围，系统将向温室管理者发出预警信息。植物生长期间的所有环境数据都会被采集并储存。温室管理者无论何时何地都可以借助于连接在网络上的电脑或智能手机方便地获取温室信息。温室中的环境传感器是整个监测系统的基础，其作用是负责采集温室内的空气温湿度、光照强度、土壤温湿度、CO2浓度等温室环境参数。数据接收器用于接收传感器收集到的温室环境数据，它们之间通过ZigBee无线网络连接。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间的数据传输[9]。数据接收器通过串口将数据输入数据处理器。数据处理器是整个系统的核心。具体而言就是一台电脑或服务器。主要用于处理来自于温室中各种传感器的数据信号，并将数据存储于数据库中，以便温室管理者调阅分析。数据处理器接入互联网（Internet），远程终端可以登录到数据处理器对整个监测系统进行管理和监测。对于一些地处偏僻的小型温室，接入互联网可能会增加建设成本，这种情况可以考虑只建立局域网LAN。局域网内部的终端可以登录到数据处理器，对整个监测系统进行管理和监测。另外，对于通过有线方式接入互联网困难的地方，可以考虑将数据处理器连接至3G网络，实现无线方式接入互联网。可以看到，温室环境的监控信息只有通过Internet、LAN或3G三种网络，才能将终端设备，即电脑或智能手机，与数据处理器连接，实现信息的显示。这对于实际生产中想即时获取某一温室实时的环境参数带来不便。因此，本方案中设置了手持监测器。当温室管理者手持监测器靠近温室，手持监测器内的识别系统就与该温室之间建立特定的关联，实现信息的传递。该功能通过射频识别技术RFID实现。手持监测装置中的标签阅读模块读取特定温室中RFID装置上的电子标签并进行认证，手持监测装置便可以从电子标签上读出温室的相关信息。同时移动监测装置中的无线传输模块可通过无线网络从数据处理器获取认证温室的实时环境参数。温室内部除了各种环境传感器单元、RFID装置和数据接收器外，还设置了温室报警器。当温室环境参数超出设定阈值时，数据处理器发出的预警信号启动温室内的声光报警器，可以提示温室附近的管理者。4系统工作流程整个系统的工作流程为：（1）数据采集单元实时收集温室中的环境参数；（2）数据接收器通过ZigBee网络从传感器获取温室环境监测数据，并通过串行接口将其传输到数据处理器；（3）数据处理器对接收到的数据进行处理，同时将其储存在数据库中以便后续的分析和展示；（4）数据处理器对环境参数进行分析，如果某一参数超出预先设定的门限值，将会启动温室内部声光报警装置，同时向网络终端发出手机短信、飞信、微信、QQ等信息提示；（5）接入互联网的数据处理器提供有系统图形操作界面，通过该界面，用户可以通过接入互联网的计算机远程访问系统中的数据处理器，实现对温室的远程管理和监控；（7）用户也能使用智能手机、平板电脑等移动终端通过互联网连接数据处理器实现对温室的远程管理和监控；（8）用户携带手持监测装置靠近温室时，装置会自动接收并显示该温室内的环境参数信息，用户也可以通过该装置通过3G网络或无线局域网接入温室远程管理系统对该温室环境阈值进行设置。5结语本文提出了一种适合于温室生产管理的基于物联网的温室环境监测系统。利用ZigBee无线网络汇总传感器采集的温室环境数据并输入数据处理器。当环境参数超出设定的阈值，可以通过接入互联网或局域网的电脑终端，或者接入3G网络的移动终端向温室管理者发出预警信息。温室管理者也可借助RFID技术实现对特定温室环境信息的提取。该系统可以有效地帮助温室生产者监测和管理温室环境，以降低生产中人力、物力的投入，达到节能增收的效果。参考文献[1]刘云浩.物联网导论[M].北京：科学出版社，2010.[2]张宇.从互联网到物联网：虚拟社会向感知社会的嬗变[J].贵州社会科学，2013（2）：29-32.[3]陈一飞.智能农业：“十二五”期间我国农业科技进步前瞻[J].中国农业科技导报，2010，12（6）：1-4.[4]熊迎军，沈明霞，刘永华，等.混合架构智能温室信息管理系统的设计[J].农业工程学报，2012，28（5）：181-185.[5]刘锦，张岩，张荣辉.基于物联网架构的温室环境监测系统[J].河北农业大学学报，2013，36（3）：115-119.[6]付宝君，王建华，贺裕，等.基于移动Agent技术的物联网温室大棚管理模型[J].计算机应用，2013，32（S2）：264-266.[7]刘洋，张钢，韩璐.基于物联网与云计算服务的农业温室智能化平台研究与应用[J].计算机应用研究，2013，30（11）：3331-3335.[8]黎贞发，王铁，宫志宏，等.基于物联网的日光温室低温灾害监测预警技术及应用[J].农业工程学报，2013，29（4）：229-236.[9]成小良，邓志东.基于ZigBee规范构建大规模无线传感器网络[J].通信学报，2008，29（11）：158-164.