張 陽(yáng)

（葫蘆島市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧?葫蘆島??125000）

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及，我國(guó)農(nóng)業(yè)傳統(tǒng)耕種模式逐漸趨于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中，優(yōu)化動(dòng)植物的生產(chǎn)方式并提升管理效率，推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)智慧化發(fā)展。設(shè)施農(nóng)業(yè)是通過(guò)科技手段干預(yù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)的目的。我國(guó)農(nóng)業(yè)大棚發(fā)展迅速，種植模式多元化，總面積居世界首位。運(yùn)用科學(xué)技術(shù)為農(nóng)業(yè)大棚創(chuàng)造適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境，人工調(diào)控溫度、濕度等其他自然因素，減少無(wú)關(guān)因素的影響，達(dá)到促進(jìn)植物生長(zhǎng)的目的。適宜的大棚環(huán)境能提升農(nóng)作物的產(chǎn)量于品質(zhì)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于大棚內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于改善農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境，增加收益意義重大。

1 農(nóng)業(yè)大棚發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)耕種模式對(duì)環(huán)境因素依賴性較強(qiáng)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備落后，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出不穩(wěn)定，影響農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)農(nóng)業(yè)溫室大棚種植面積廣泛，農(nóng)作物的種植已跨越地區(qū)與季節(jié)，已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成的重要元素。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由粗放農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)向集約化，以智能、精確的科技手段實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。塑料大棚是我國(guó)農(nóng)業(yè)大棚的主要形式，采用人工管理的模式。雖然農(nóng)戶具備豐富的種植經(jīng)驗(yàn)，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備使用率低，不能批量生產(chǎn)。我國(guó)東西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡，很多地區(qū)無(wú)法建設(shè)現(xiàn)代化高質(zhì)量的農(nóng)業(yè)大棚基地，農(nóng)業(yè)大棚技術(shù)也相對(duì)落后。

2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介

物聯(lián)網(wǎng)是由獨(dú)立性的物體連接至傳感器組件，傳輸并自動(dòng)化處理信息，進(jìn)行互通互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理的目的。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)功能強(qiáng)大的智能網(wǎng)絡(luò)。終端信息收集可采用智能傳感器、實(shí)物、無(wú)線識(shí)別、定位系統(tǒng)能方式，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)或WiFi將采集的信息連接到互聯(lián)網(wǎng)，準(zhǔn)確識(shí)別、定位、監(jiān)管物體。全面識(shí)別、傳輸信息和智能處理是物聯(lián)網(wǎng)的主要功能。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可劃分為3個(gè)層次，感知層、傳輸層、應(yīng)用層。感知層是獲取信息的基礎(chǔ)，由感知對(duì)象、識(shí)別碼、智能傳感器構(gòu)成，收集的農(nóng)業(yè)信息包含，土壤情況、氣候變化、農(nóng)作物生長(zhǎng)情況等信息。傳輸層通過(guò)局域網(wǎng)與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將感知層獲取的數(shù)據(jù)傳送至應(yīng)用層。應(yīng)用層通過(guò)數(shù)據(jù)分析，對(duì)農(nóng)作物實(shí)施種植管理，實(shí)現(xiàn)智能化農(nóng)業(yè)耕種管理。

3 農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)施

3.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)對(duì)象

環(huán)境監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)對(duì)象為農(nóng)作物生長(zhǎng)所需要素，目前農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為，空氣濕度、土壤溫濕度、棚內(nèi)溫度、光照程度、二氧化碳含量、病蟲害等情況。監(jiān)控模式主要有兩種形式，一種為實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部的環(huán)境情況，實(shí)施24小時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)；另一種為定時(shí)監(jiān)控，控制系統(tǒng)按照固定的時(shí)間間隔對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。雖然實(shí)時(shí)監(jiān)控收集到的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，但設(shè)備投入與運(yùn)行成本較高，因而，恰當(dāng)?shù)亩〞r(shí)監(jiān)控更適合應(yīng)用與農(nóng)業(yè)大棚。

3.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)的硬件支持

硬件是農(nóng)業(yè)大棚實(shí)現(xiàn)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的設(shè)備基礎(chǔ)。大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心是組成環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要部分。環(huán)境傳感器與數(shù)據(jù)采集器是環(huán)境監(jiān)測(cè)終端子系統(tǒng)的兩個(gè)組成部分。

3.2.1 環(huán)境傳感器 農(nóng)業(yè)大棚常用的環(huán)境傳感器為，溫濕度傳感器、電子溫度計(jì)、空氣濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳濃度傳感器、智能芯片與通信模塊等。智能傳感器通電后，主控芯片發(fā)出采集信息的指令，待信息回傳后，主控芯片對(duì)信息進(jìn)行編碼，將數(shù)據(jù)通過(guò)通信模塊進(jìn)行發(fā)送。

溫濕度傳感器：在農(nóng)業(yè)大棚實(shí)際的布置中，對(duì)溫濕度傳感器的需求為小巧，精準(zhǔn)高。德國(guó)的BME280為一款功能多、尺寸小、精度高的三合一傳感器，它可以同時(shí)收集大棚內(nèi)的溫濕度與氣壓的數(shù)據(jù)，適合應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚中。

光照傳感器：適宜的光照促進(jìn)農(nóng)作物的光合作用，農(nóng)業(yè)大棚采用光敏電阻測(cè)量光照強(qiáng)度。光敏電阻利用光電導(dǎo)效應(yīng)原理制成的電阻器，隨著光照強(qiáng)弱的變化而改變電阻值，對(duì)光照程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。建議采用5506光敏電阻，因其對(duì)光線敏感性高，光照強(qiáng)度越高，電阻值越低。

二氧化碳傳感器：二氧化碳傳感器應(yīng)選用靈敏度強(qiáng)、分辨率高、能耗低的小型傳感器，并具備數(shù)字與波形輸出，高效便捷。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集器 數(shù)據(jù)采集器是農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)的核心組件，負(fù)責(zé)收集、顯示與處理大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集器包含ARM?核心控制板、SD卡模塊、RS-485通信模塊、FLASH模塊、LCD屏顯示模塊、ZigBee模塊、無(wú)線射頻收發(fā)模塊與預(yù)警報(bào)警模塊等。數(shù)據(jù)采集器的功能為數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)、顯示、處理與預(yù)警報(bào)警功能。數(shù)據(jù)采集器將傳感器收集到的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，保存至內(nèi)部Flash之中，保證足夠的存儲(chǔ)空間與信息存儲(chǔ)安全。在數(shù)據(jù)采集器面板上設(shè)計(jì)LCD屏，收集到實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)通過(guò)LCD屏顯示出來(lái)，利于工作人員閱讀并利用相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集器還可以嵌入Linux系統(tǒng)，將預(yù)設(shè)的溫度模型錄入后，預(yù)測(cè)大棚內(nèi)的溫度變化，提升農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)環(huán)境調(diào)控能力。

3.2.3 模塊電路 農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)的每一個(gè)硬件系統(tǒng)，都需要電源模塊的支持。環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能模塊種類多，不同模塊對(duì)電壓的需求不同。環(huán)境傳感器的點(diǎn)位靈活，電源適配器不適合用來(lái)供電，建議使用5V鋰電池供電，鋰電池的特點(diǎn)為充電快、質(zhì)量輕、安全可靠，適合應(yīng)用與農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境傳感器中。數(shù)據(jù)采集器作為核心組件，必須保證電源穩(wěn)定且安全可靠。主要使用電源適配器供應(yīng)電源，使用AMS1117穩(wěn)壓芯片，能夠輸出1A的電流，其輸出電壓穩(wěn)定、耐溫范圍廣、精度高，適合應(yīng)用與數(shù)據(jù)采集器電源供應(yīng)。

3.2.4 故障檢測(cè)技術(shù) 故障監(jiān)測(cè)作為農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輔助功能，當(dāng)傳感器或視頻處理模塊出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行預(yù)警與報(bào)警處理，農(nóng)業(yè)大棚工作人員通過(guò)系統(tǒng)提供的故障代碼，找到問(wèn)題模塊或元件，及時(shí)對(duì)其維修或更換。

3.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)軟件

農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫程序，并運(yùn)用對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，完成數(shù)據(jù)采集器與服務(wù)器之間的信息共享，并展示動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的變化。強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)能夠提高信息存儲(chǔ)容量，進(jìn)行分析比對(duì)，更加高效快捷的運(yùn)用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3.3.1 Linux系統(tǒng) 近年來(lái)，Linux系統(tǒng)成為嵌入式系統(tǒng)研究熱點(diǎn)。運(yùn)用系統(tǒng)本身的特質(zhì)，應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)之中，Linux實(shí)施操作系統(tǒng)，主要應(yīng)用數(shù)據(jù)通信與控制。

3.3.2 STM32軟件STM32軟件是一款可以ARM架構(gòu)編程的開發(fā)工具，可調(diào)用的庫(kù)函數(shù)較多，使用μVision操作界面，操作簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用。采用C語(yǔ)言編程，C語(yǔ)言語(yǔ)法簡(jiǎn)潔、緊湊；使用方便、靈活。

3.4 防止數(shù)據(jù)沖突機(jī)制

智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)同一時(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)擁堵的情況。通過(guò)三角劃分，提前預(yù)判沖突，運(yùn)用數(shù)學(xué)公式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)建立數(shù)據(jù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，分析數(shù)據(jù)擁堵概率，并持續(xù)對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)，進(jìn)而提高計(jì)算的準(zhǔn)確率，避免數(shù)據(jù)碰撞情況的出現(xiàn)。

本文對(duì)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件與軟件進(jìn)行研究，針對(duì)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)終端設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，注重?cái)?shù)據(jù)的獲取與提高設(shè)備的適用性，促進(jìn)該系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用與普及。