孟令偉

【摘要】：首先介紹蔬菜大棚的研究背景和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，然后介紹了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)蔬菜大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用到的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及硬件設(shè)施，最后根據(jù)無線傳感網(wǎng)技術(shù)以及相應(yīng)的硬件設(shè)施設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的總體框架及系統(tǒng)功能。

【關(guān)鍵詞】：無線傳感網(wǎng);蔬菜大棚;溫濕度監(jiān)控

一 引言

1.1背景介紹及意義

近年來，農(nóng)業(yè)大棚種植技術(shù)的出現(xiàn)顯著的提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量，并給人們的生活帶來了極大的便利，因此得到了迅速的推廣及應(yīng)用。但是，現(xiàn)在大多數(shù)農(nóng)民還是沿用人工值守的方法來看管蔬菜大棚，人工方法記錄數(shù)據(jù)常常會(huì)因?yàn)橛涗洈?shù)據(jù)量的龐大導(dǎo)致數(shù)據(jù)記錄錯(cuò)誤，或因工作人員的一時(shí)疏忽使得數(shù)據(jù)不能及時(shí)反饋導(dǎo)致監(jiān)管者不能對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行科學(xué)的控制。因此人工方法是一種低效管理方法，不僅浪費(fèi)了大量的人力物力，而且蔬菜大棚的溫濕度控制也并不理想 ，往往因?yàn)闇貪穸瓤刂撇划?dāng)造成作物的減產(chǎn)，從而給菜農(nóng)帶來了極大的損失。

所以，農(nóng)業(yè)大棚的管理方式也應(yīng)該由人工化向信息化、智能化的方向轉(zhuǎn)變。因此，與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合的，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用能有效解決當(dāng)前人工管理方式所面臨的不足之處，能實(shí)時(shí)的、精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)蔬菜生長(zhǎng)狀況，使監(jiān)管者能及時(shí)做出準(zhǔn)確控制。

1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

（一）國(guó)外相關(guān)領(lǐng)域研究成果綜述

日本四國(guó)電力集團(tuán)開發(fā)的“OpenPLANET（簡(jiǎn)稱 OP）”系統(tǒng)是一遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)控制LAN、信息采集單元、數(shù)據(jù)記錄單元、分散控制器、OP服務(wù)器等組成，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)溫室的群管理。

此外日本的FieldServer（現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器）系統(tǒng)，是基于嵌入式系統(tǒng)的多傳感器數(shù)據(jù)采集設(shè)備，它可以連接多種傳感器，同時(shí)內(nèi)部集成微型攝像機(jī)，可以同時(shí)采集溫度、濕度等環(huán)境信息及圖像視頻信息，通過TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心服務(wù)器。FieldServer可以使用電池供電，具有體積小、功能強(qiáng)、耗電少等特點(diǎn)，便于架設(shè)在野外工作。

（二）國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

今年來我國(guó)溫室大棚面積不斷增加，農(nóng)作物管理也正逐步向自動(dòng)化的方向邁進(jìn)。我國(guó)目前一些大學(xué)、科研院所也開展了溫室設(shè)施遠(yuǎn)程控制技術(shù)研究，并取得了一系列研究成果。

國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心開發(fā)的智能型遠(yuǎn)程溫室環(huán)境控制器，可監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)空氣溫濕度、土壤和葉面溫度、含水量、光照強(qiáng)度、濃度并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過專家系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室灌溉、施肥、農(nóng)藥噴施等過程的智慧決策和遠(yuǎn)程分布式調(diào)控。這套設(shè)備集數(shù)據(jù)測(cè)量、存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)報(bào)警為一體，它使農(nóng)業(yè)專家在辦公室里就能通過網(wǎng)絡(luò)看到植物生長(zhǎng)狀況，并進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，由主控微機(jī)、溫室機(jī)和室外氣象站三大部分組成。主控微機(jī)控制機(jī)房，可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。主控微機(jī)用于完成各種系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，測(cè)試數(shù)據(jù)的記錄、查詢、打印、控制命令的生成等功能。每一個(gè)獨(dú)立的溫室放置一臺(tái)溫室機(jī)、內(nèi)置溫濕度、等各種傳感器、控制設(shè)備以及攝像鏡頭，可以實(shí)時(shí)將溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)狀況傳輸給辦公現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)可以通過數(shù)字信號(hào)傳輸線將監(jiān)測(cè)的室內(nèi)外環(huán)境條件和植物生長(zhǎng)狀況傳輸?shù)睫r(nóng)業(yè)專家的計(jì)算機(jī)屏幕上，以便他們可以根據(jù)提供的信息進(jìn)行生產(chǎn)指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的監(jiān)測(cè)控制。

二 無線傳感網(wǎng)絡(luò)與硬件設(shè)施

2.1無線傳感網(wǎng)絡(luò)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種無線通信傳感網(wǎng)絡(luò)，它融合了現(xiàn)代的傳感器技術(shù)、先進(jìn)的信息技術(shù)等相關(guān)的熱門技術(shù)，是由大量靜止或移動(dòng)的傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織和多跳的方式所構(gòu)成。它能感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者。

2.2.硬件設(shè)施

Eko傳感器：能夠檢測(cè)被測(cè)量的信息，并將感受到的信息，按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)變成電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出。

Eko節(jié)點(diǎn)：提高Eko傳感器接口，并處理Eko傳感器接收到的數(shù)據(jù)，然后將處理都的數(shù)據(jù)傳送到特定的Eko基站。

Eko基站：能夠管理Eko節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，并會(huì)把所有的無線電信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送給Eko網(wǎng)關(guān)。

Eko網(wǎng)關(guān)：能夠控制無線電基站，提供查看數(shù)據(jù)和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)健行等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，可與以太網(wǎng)相連;

PC機(jī)：用于配置Eko網(wǎng)關(guān)和搭建成web服務(wù)器;

三 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析

蔬菜大棚溫濕度監(jiān)控設(shè)計(jì)，主要包括環(huán)境溫的信息采集以及如何將信息實(shí)時(shí)的呈現(xiàn)給環(huán)境監(jiān)管者，以便監(jiān)管者及時(shí)的做出決策。這里環(huán)境的信息采集包括大棚內(nèi)的溫度和濕度的采集。同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)要能便于架設(shè)與維護(hù)和用戶操作方便。

3.2系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，在Eko節(jié)點(diǎn)上嵌入溫度和濕度傳感器，然后由Eko節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)整合之后，再發(fā)送給Eko基站，安裝PC機(jī)上的應(yīng)用軟件再通過Eko網(wǎng)關(guān)獲取到Eko節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)信息，然后將數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中。這樣，用戶就能通過手機(jī)上的瀏覽器觀測(cè)到蔬菜大棚溫濕度的實(shí)時(shí)狀況。

系統(tǒng)總體示意圖如下：

圖3.1系統(tǒng)總體示意圖

3.3系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

軟件功能設(shè)計(jì)的目的是為了讓用戶能夠直觀，實(shí)時(shí)的掌控蔬菜大棚內(nèi)蔬菜生長(zhǎng)環(huán)境的狀況，以達(dá)到能及時(shí)對(duì)溫濕度的控制，使農(nóng)作物一直處于適宜的環(huán)境狀態(tài)之中，最終以實(shí)現(xiàn)最大利益。所以針對(duì)這種目的，我們?cè)O(shè)計(jì)了以下幾種功能模塊。

3.3.1實(shí)時(shí)查詢模塊

實(shí)時(shí)查詢模塊的主要功能是讓用戶能方便快速的了解到蔬菜大棚里溫濕度的狀況。此模塊主要包括傳感器采集數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、生成圖狀表、打印等功能。

傳感器采集數(shù)據(jù)顯示：在數(shù)據(jù)顯示功能中，你可以選擇某片區(qū)域內(nèi)某個(gè)傳感器，然后查看它當(dāng)前采集的具體數(shù)值，并且也可以看到當(dāng)前傳感器的工作狀態(tài)（工作時(shí)間、電量等）。通過該功能，你能實(shí)時(shí)了解大棚蔬菜環(huán)境狀況，在出現(xiàn)問題時(shí)能及時(shí)做出決策，減少不必要的損失。

歷史數(shù)據(jù)查詢：此功能可以查詢過去一段時(shí)間內(nèi)，蔬菜大棚中溫濕度的變化狀況。如果用戶想分析一段時(shí)間內(nèi)溫濕度對(duì)農(nóng)作物的影響，就可以調(diào)用此功能來了解農(nóng)作物在什么樣的環(huán)境下生長(zhǎng)效率會(huì)比較高，找到農(nóng)作物的最佳環(huán)境，以便可以增加農(nóng)作物產(chǎn)量。

生成圖狀表：用戶可以用它把傳感器采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成“溫度（濕度）—時(shí)間”折線圖，能更加直觀的表現(xiàn)出一段時(shí)間的溫度狀況和變化趨勢(shì)，使用戶體驗(yàn)感更好。

打印功能：就是可以將傳感器采集到的數(shù)據(jù)以表格的形式打印出來，方便用戶在需要的時(shí)候?qū)λM(jìn)行處理和分析。

3.3.2報(bào)警模塊

報(bào)警模塊的主要功能是為了能夠在用戶疏忽大意的時(shí)候，及時(shí)的提醒用戶應(yīng)該去調(diào)節(jié)蔬菜大棚內(nèi)的溫度或濕度，以確保農(nóng)作物的生長(zhǎng)，是一種保障機(jī)制。此模塊主要包括設(shè)置時(shí)間提醒、設(shè)置參數(shù)閾值、警報(bào)鈴聲設(shè)置等功能。

設(shè)置時(shí)間提醒：在此功能中，你可以設(shè)置一個(gè)確定的時(shí)間，然后到這個(gè)時(shí)間之后，該系統(tǒng)會(huì)發(fā)出提示音。通過此功能，用戶可以在休息的時(shí)候，設(shè)置好一個(gè)確定的時(shí)間，然后去做別的事情，之后到這個(gè)時(shí)間點(diǎn)，根據(jù)手機(jī)的提示，就可以知道該去做某件事情了，防止用戶忘記這個(gè)時(shí)間該去做的事情。

設(shè)置參數(shù)閾值：用戶可以在功能中設(shè)置一個(gè)確定的溫度或濕度的值，當(dāng)蔬菜大棚中的溫度或濕度到達(dá)這個(gè)值的時(shí)候，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警告。為了農(nóng)作物的生長(zhǎng)，用戶要確保蔬菜大棚在一定的溫濕度之內(nèi)，當(dāng)溫濕度超過或低于某個(gè)值得時(shí)候，該系統(tǒng)就會(huì)提醒用戶，發(fā)出警告，使用戶意識(shí)到該去控制農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境了。

警報(bào)鈴聲設(shè)置：該功能可以選擇警報(bào)鈴聲的類型。用戶可以通過該功能設(shè)置能讓用戶警覺的鈴聲，適時(shí)提醒用戶。

3.3.3人員管理模塊

人員管理模塊主要功能是為了方便管理者與工作人員的信息交互，管理者發(fā)布任務(wù)，工作人查看、接受任務(wù)并做出反饋。此模塊主要包括發(fā)布任務(wù)、任務(wù)查看、任務(wù)反饋功能。

發(fā)布任務(wù)：管理者可以在此模塊下編輯信息發(fā)布任務(wù)，然后工作人員就會(huì)接收到任務(wù)提醒，提高了人員管理的水平和效率。

任務(wù)查看：工作人員可以在此功能下查看并接受管理者發(fā)布的任務(wù)，規(guī)劃好任務(wù)流程。

任務(wù)反饋：工作人員可以在此模式下，將任務(wù)的完成情況匯報(bào)給管理者，管理者可對(duì)其完成狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，及提出建議或要求。

四 總結(jié)

隨著農(nóng)業(yè)大棚技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于農(nóng)業(yè)大棚的需求肯定越來越大，農(nóng)業(yè)大棚的規(guī)模必然會(huì)慢慢的壯大。對(duì)此，傳統(tǒng)的管理方式必然跟不上管理者對(duì)農(nóng)業(yè)大棚管理的需求，所以必然要緊跟時(shí)代的潮流，推出信息化，智能化的產(chǎn)品來滿足我們對(duì)管理方面的需求。本文詳細(xì)介紹了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)蔬菜大棚溫濕度控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，從系統(tǒng)總體架構(gòu)，以及軟件功能上進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，以到達(dá)信息化、智能化的管理水平，提高了管理效率，順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。

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