基于物联网技术的智能温室环境监控中的应用研究

徐伟 张晓峰

[摘要] 本文是以物联网在农业产业中的应用为基础，在物联网技术的基础上与其相关技术相结合，完成对智能温室进行集中管理与控制，在应用中实现精确控制提高农产品产量与质量。该温室控制系统可进行精确的自动采集与存储，依照温室大棚内的生产作物的生长环境和生长需求，完成温室内各项参数指标的准确控制，最终实现智能温室控制与信息化的完美融合。

[关键词] 物联网；智能控制；温室；农业信息化

[DOI] 10.13939/j.cnki.zgsc.2015.24.051

中国是农业和人口大国，农业生产在国民经济发展中有着举足轻重的作用。在国家大力发展现代化大农业的宏观背景下，农业生产过程的绿色环保、精准智能正在逐步成为主流发展方向。

利用物联网技术，可以实现实时远程监控大棚土壤含水量与酸碱度，棚内光照、温度与湿度，甚至监测病虫害情况。配合相应的控制系统，可以实现棚内环境的远程控制和自动控制，为农作物营造最适宜的生长环境，实现温室作物生产精细化的调控与管理，提高作物产量，提升生产水平，推动现代化农业建设。

1 ZigBee技术及无线传感器网络的建立

ZigBee技术是一种在控制器件或传感器之间的无线通信技术。与其他通信技术相比，ZigBee技术具有成本低、功耗小、能够自动组网等优点，但同时也存在传输速率低、覆盖范围小等缺点，如果在系统中要求的传输的速率不是很高的情况下ZigBee技术就比较适合。

ZigBee技术有自己的无线电标准，主要为自动化控制数据传输而建立，在传感器构建的网络里依靠ZigBee技术可以实现节点之间的信息传递。所传递的信息以无线电信号的形式向外辐射，在信息传递中需要的功耗非常的低，并以接力的形式传递增加了传递的可靠性。

无线传感网络技术是在传感器、无线通信和低功耗嵌入式系统的基础上发展起来的。它在完成环境信息感知的同时以其低功耗、低成本、白组织的特点进行工作。我们在需要环境信息监控的位置布置对应的传感器节点，再把它们组织成一个网络。物联网智能温室控制系统在无线传感器网络技术的基础上完成数据采集功能（温湿度数据采集、光照度数据采集、安防信息数据采集）和自动控制功能（风扇控制、加湿器控制、加热器控制），通过ZigBee协议实现无线传感器网络中的数据通信。

无线传感网络节点采用模块化设计，共四部分，分别是核心板、传感器模组、控制模组、主板等。结构化的设计方便用户更换器件，最大程度地满足实际设计的需求。其中核心板、传感器模组、主板组合为数据采集节点，核心板、控制模组、主板三者组合为控制节点。

2 智能温室系统整体设计

应用无线传感器网络技术实现数据控制与采集功能的物联网智能温室控制系统选用ZigBee协议来组建无线传感器网络；GPRS和Intemet网远程访问与控制功能、数据显示功能、视频监测功能，均选用Lmux操作系统的嵌入式网关技术运行的载体来完成。

无线传感器网络采集的数据由嵌入式网关完成数据的存储，存储的位置在数据库中并对其进行管理，按照系统的需求调取相关数据。液晶显示器完成显示数据功能；驱动USB摄像头完成视频监测功能。在GPRS模块的作用下网关可以将数据以无线的形式上传到GPRS网络上实现资源共享，通过无线网卡和无线路由将数据共享到Intemet网中，实现了农业温室环境信息与人之间的交互即物联网。

3 智能温室系统测试与分析

整个温室系统可以工作在自动控制和手动控制两种模式。在自动控制模式下，嵌入式网关将根据用户设定的各项作物生长环境参数进行自动调节，比如用户设定的温室内温度不低于25℃，当检测到温度低于25℃时，系统会自动开启加热器，提高环境的温度；在手动控制模式下，用户可以通过嵌入式网关界面打开或关闭风扇、加热器、加湿器这些位置，还可以通过控制卷帘的展开和收缩人为调节光照度。系统上电后默认工作在自动控制模式。

（1） 在自动控制模式下可以设定系统的各项自动调节阈值。

（2） 可以设置的项目包括温度阈值（自动加热的温度下限）、湿度阈值（自动加湿的湿度下限）、光照度（自动通风的光照上限）以及卷帘每天自动打开和自动收缩的时间。每一项设置在自动控制模式下的具体作用：①温度：当系统检测到温室环境温度低于此值时，会自动开启加热器，否则加热器保持关闭。②湿度：当系统检测到温室环境湿度低于此值时，会自动开启加湿器，否则加湿器保持关闭。③光照度：当系统检测到光照度高于此值时，会自动开启风扇，否则风扇保持关闭。④卷帘工作时间：系统自动控制卷帘的状态，当处于设定的时间范围内保持收缩，否则展开卷帘。

4 结论

本文设计的温室控制系统采用无线传感器网络，免去布线的麻烦，提高自动化程度，同时提高传感器布置的灵活性、方便区域化测控。菜单的设置使本系统可以应用于更加广泛的范围，应用于不同的领域，同时也可以对报警方式进行选择，对传感器以及短信进行设置。应用网关界面进行数据的显示与调试，将系统中传感器测得的值和商用传感器测得值进行比较，了解传感器的稳定性和反应速度，更进一步了解整个系统的检测性能。

该系统在示范园区进行了测试，在数据远端监控的实时性和精度上还存在欠缺，如：实际测量温度26℃，在监控界面下显示与实际存在2℃～3℃的误差，在视频监控上，由于移动网络传输速度的限制，现在还无法完成预定的任务，本系统在传感器的测量精度上和信号传输速度上还需要做一定的改进。选用工业级测量精度更高的传感器器件，依靠4G网络的高速率传输，来完善系统功能。

在农业温室智能化应用方面继续完善系统并进行深入研究，进一步拓展应用，为系统的大面积实施提供技术保证。在未来的研究中，可以使用虚拟化技术和云平台建立农业温室智能化应用平台，也就是在智能农业物联网的基础上建立云计算上的农业云资源与云应用服务平台。