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        基于物聯(lián)網(wǎng)的魚菜共生環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究

        2018-06-29 06:00:30劍,張
        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2018年6期
        關(guān)鍵詞:魚菜環(huán)境參數(shù)共生

        孫 劍,張 莉

        (信陽農(nóng)林學(xué)院 信息工程學(xué)院,河南 信陽 464000)

        0 引 言

        隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和技術(shù)革新,一種不同于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的新型復(fù)合耕作體系悄然興起——魚菜共生。魚菜共生系統(tǒng)通過巧妙的生態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),將混有魚類排泄物的水抽取到無土環(huán)境的蔬菜根部,讓蔬菜在無土情況下充分吸收養(yǎng)分,同時(shí)起到凈化水體的作用,凈化后的水再流回魚池中,從而實(shí)現(xiàn)養(yǎng)魚不換水而無水質(zhì)憂患,種菜不施肥而正常成長的生態(tài)共生效應(yīng)。這種新型的生態(tài)農(nóng)業(yè)方式需對多種環(huán)境因素精密監(jiān)控,保證蔬菜、魚和微生物所構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)的平衡。

        目前,大多數(shù)魚菜共生大棚管理系統(tǒng)還停留在人工觀測或基于有限通信。人工管理方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力,環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)全憑勞動經(jīng)驗(yàn),還不能保證生態(tài)系統(tǒng)一直處于最佳狀態(tài)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究日趨深入,如大田種植、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品物流等方面已有廣泛的研究應(yīng)用[1-3]。但針對魚菜共生環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究較少,精準(zhǔn)監(jiān)控環(huán)境參數(shù)是系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件,因此本文開展了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的魚菜共生環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究,對魚菜共生系統(tǒng)的部分參數(shù)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測,以保證植物、動物、微生物的平衡,從而有效解放人工勞力,提高科學(xué)化管理水平,為生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持。

        1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

        該魚菜共生環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由信息感知、信息傳輸和信息處理三部分組成。系統(tǒng)首先通過多種傳感器感知環(huán)境參數(shù),如空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、魚池水溫、水溶氧量、pH值等信息,再利用農(nóng)業(yè)信息傳輸技術(shù)中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信息傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。ZigBee技術(shù)是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸技術(shù)中研究最深入、應(yīng)用最廣泛的一種雙向無線通信技術(shù),具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、高可靠性、高安全性等特點(diǎn)。GPRS網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)糾錯(cuò)能力,能夠保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性。結(jié)合兩種技術(shù)傳輸感知信息,該系統(tǒng)廣域網(wǎng)采用GPRS技術(shù)通信,局域網(wǎng)采用ZigBee無線短距離通信。最終在監(jiān)測中心進(jìn)行信息處理,發(fā)出監(jiān)測結(jié)果。魚菜共生環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 魚菜共生環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        2 系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)

        2.1 信息感知模塊

        針對魚菜共生系統(tǒng)的生長環(huán)境,確定大棚的空氣溫濕度、光照強(qiáng)度,魚池水溫、水溶氧量、pH值等需要監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)范圍。魚菜共生溫室大棚占地約半畝,要準(zhǔn)確監(jiān)測環(huán)境參數(shù)需大量傳感器節(jié)點(diǎn),且傳感器節(jié)點(diǎn)要分布在不同的區(qū)域,利用傳感器節(jié)點(diǎn)采集魚菜共生系統(tǒng)內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)信息。將傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)在大棚或溫室中,傳感器節(jié)點(diǎn)上配備溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器等,節(jié)點(diǎn)通過ZigBee模塊進(jìn)行自組網(wǎng),各節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)作,除了對信息數(shù)據(jù)收集和處理外,還可轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),各節(jié)點(diǎn)共同完成監(jiān)測任務(wù)。

        傳感器節(jié)點(diǎn)作為信息感知模塊的重要組成部分之一,其監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響最終的狀態(tài)判斷。傳感器節(jié)點(diǎn)由ZigBee無線通信芯片CC2430、射頻天線RF、電源模塊和晶振電路組成,負(fù)責(zé)室內(nèi)生態(tài)環(huán)境信息的采集,感知環(huán)境變化,完成大棚內(nèi)環(huán)境信息的采集并將采集到的信號轉(zhuǎn)化為射頻信號發(fā)送到ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中[4,5]。

        2.2 信息傳輸模塊

        通過 ZigBee短程無線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)交?,?jīng)封裝后通過GPRS無線通信方式發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。擬采用容錯(cuò)性較好的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障不會導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓,因此該結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的魯棒性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)著魚菜共生系統(tǒng)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)各類傳感器數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行裝置控制的任務(wù)[6]。采用無線傳輸方式可有效解決有線通信方式存在的難以擴(kuò)展、難以升級等問題,能同時(shí)監(jiān)測大棚環(huán)境和魚池水質(zhì)環(huán)境指標(biāo)。

        2.3 信息處理模塊

        監(jiān)控中心依據(jù)接收到的信息與之前設(shè)定的參數(shù)區(qū)間進(jìn)行比較,一旦超出參數(shù)設(shè)定范圍,便報(bào)警提示,研究人員通過遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可實(shí)時(shí)掌握魚菜共生系統(tǒng)的環(huán)境狀態(tài)信息。該監(jiān)測系統(tǒng)將為用戶監(jiān)測魚菜共生系統(tǒng)的各種環(huán)境參數(shù),為實(shí)時(shí)保持系統(tǒng)生態(tài)平衡提供數(shù)據(jù)支持。

        隨著智能手機(jī)的迅速普及,將智能手機(jī)作為監(jiān)控終端十分便利。本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一款基于Android系統(tǒng)的手機(jī)APP軟件,包含魚菜共生系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊和智能報(bào)警模塊,可根據(jù)具體環(huán)境設(shè)置環(huán)境參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)范圍。魚菜共生系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊通過手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)的變化,掌握環(huán)境的變化狀態(tài),并通過查看歷史參數(shù)的變化及時(shí)掌握作物生長狀況。一旦超出該標(biāo)準(zhǔn)范圍,智能報(bào)警模塊可以通過手機(jī)短信、系統(tǒng)消息等方式提醒用戶環(huán)境參數(shù)異常,甚至根據(jù)偏差的大小給出解決方案。用戶通過手機(jī)終端實(shí)時(shí)監(jiān)測魚菜共生系統(tǒng)的環(huán)境狀態(tài),為魚菜共生系統(tǒng)的科學(xué)管理提供幫助。

        3 系統(tǒng)功能分析

        運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測影響魚菜共生的大棚溫濕度、光照強(qiáng)度、水質(zhì)指標(biāo)和環(huán)境質(zhì)量的變化,為提高大棚管理水平、提高魚蔬品質(zhì)和產(chǎn)量等提供基礎(chǔ)信息,為生產(chǎn)綠色無公害蔬菜提供有力保障。監(jiān)測中心對無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析和處理,最后呈現(xiàn)給監(jiān)測人員,實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息自動化、智能化管理,提高對環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)測、報(bào)警、預(yù)警能力。因此,引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對上述環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)測,并充分利用智能化農(nóng)業(yè)信息技術(shù),加快農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用,對促進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

        4 結(jié) 語

        隨著農(nóng)業(yè)信息化的加速推進(jìn),ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛應(yīng)用,前景可觀。人們對于綠色有機(jī)蔬菜的需求與日俱增,魚菜共生系統(tǒng)也正向小型化方向發(fā)展,未來有望走進(jìn)尋常百姓家中。大力推廣基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的魚菜共生環(huán)境監(jiān)測技術(shù),利用該監(jiān)測技術(shù)為用戶監(jiān)測魚菜共生系統(tǒng)的各種環(huán)境參數(shù)提供數(shù)據(jù)支持,實(shí)時(shí)保持系統(tǒng)生態(tài)平衡,將有效降低人工成本,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位監(jiān)控,使用戶真正做到足不出戶遠(yuǎn)程監(jiān)控,同時(shí)為不懂魚菜共生技術(shù)的用戶帶來方便,對于魚菜共生技術(shù)的推廣起推動作用。

        [1]張開生,田開元,呂明,等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(6):805-811.

        [2]劉君,晏國生,柳平增,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)作物生產(chǎn)智能測控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息,2011(2):17-20.

        [3]賈保先,謝圣獻(xiàn).物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)研究[J].自動化儀表,2012,33(3):35-37.

        [4]馬斌強(qiáng),劉美琪,季寶杰,等.ZigBee技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2008,20(10):121-123.

        [5]韓華峰,杜克明,孫忠富,等.基于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(7): 158-163.[6]馬子超,阮衛(wèi)強(qiáng),李小娟,等.基于ZigBee的魚菜共生系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息,2017(8) :18-25.

        [7]黃穎,張偉.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2017,7(4):33-34.

        [8]張明華,丁永良,楊菁,等.魚菜共生技術(shù)及系統(tǒng)工程研究[J].漁業(yè)信息與戰(zhàn)略,2004,19(4):7-12.

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