基于Zigbee的农业大棚物联网数据采集控制系统方案设计

张 虎，郭海霞，许晓燕

（1.山西农业大学信息学院，太谷 030800；2.山西农业大学工学院，太谷 030800；3.山西晋西集团国营利民机械厂，太谷 030800）

0 引言

物联网技术作为当代信息产业的发展方向，是基于互联网，借助于各种智能型传感器，将信息采集、交换和处理，直接面对客户，让客户参与、体验过程的一项技术。物联网技术在农业中的应用已经非常广泛，在智能农业、精准农业快速发展的今天，随着各种智能传感器的开发利用，在农作物智能培育环节、农作物精准施肥环节、农产品生产过程监管环节、农产品质量安全监管与追溯环节、农业信息监测流通环节等，物联网技术都发挥了重要的作用。本文基于农业大棚中农作物生产环节，借助于物联网相关知识，体现物联网在农业生产环节中的重要作用。

1 我国农业大棚的发展

自上世纪90年代我国山东地区兴起农业大棚以来，农业大棚在全国范围内逐步推广，由原始的简单温控大棚逐步发展到现在的多因素控制大棚，控制方式逐渐增多，且越来越机械化、自动化、智能化，科技含量也逐步提升。大棚的主要种类有土墙日光温室、薄膜连栋温室、阳光板智能温室大棚、玻璃智能温室大棚等。大棚的建设使用，不仅能够解决我国部分地区冬季吃菜困难的问题，而且随着物流业的发展，使我国餐桌文化有了彻底的改变。除此之外，大棚也在花卉养殖、种子培育等经济作物环节起到了非常大的作用。以山东寿光为例，大棚的建设发展带动了当地的经济发展，寿光已经发展成为当地重要的蔬菜种植基地和批发交易的集散地。

2 物联网简介

物联网就是通过各种感知元件，将所有物品的意识形态，以信息的形式进行采集和传输，通过与互联网技术的结合，将信息进行交换和处理，以实现对物品的实时监测和管理。其中，感知元件和互联网起到了关键的作用，感知元件具有自主“说话”的功能，能够及时将物品的状态上传至互联网，互联网将信息进行交汇和传递，最终交予客户端，让客户端做出应对的决策。其中，将感知元件定义为感知层，互联网定义为网络层，客户端定义为应用层。物联网技术是将互联网的应用进行了延伸，是互联网的一项革新应用。在实际应用当中，客户的客观体验和客观需求，即创新2.0是物联网发展的核心和灵魂。客户的全方位参与和基础设施的投入使用，也与物联网技术相辅相成。在本文中，大棚数据的收集和相应处理，都是基于客户对大棚种植产物的客观需求以及大棚设施建设的条件。

3 农业大棚物联网数据采集控制系统方案

随着规模农业大棚的快速发展，农业自动化控制技术以及无线网络技术的应用得到了推广。本系统由各种型号的无线传感器节点、无线传感网络数据采集网关和有线本地控制系统组成。在本方案设计数据采集系统结构中，感知层选用的是具有通讯功能的无线传感器，在实际应用中，一般以环境温湿度、土壤温度和水分、大棚内部光照度为检测对象；传感器信号进入信号采集装置和物联网网关，即远程监测装置，选用的是基于 ZigBee 无线检测网络研发而成，集模拟量/开关量采集、继电器控制，集 4G 无线网、以太网通讯于一体的综合性监测装置；网关接收到信息后，将信息上传至网络层，即云中心；客户端即应用层，通过终端设备读取相应的信息，并根据信息做出相应的决策，通过控制端实现相应功能。具体结构如图1所示。

图1 农业大棚物联网数据采集系统框架示意图

在农业大棚物联网整体测控环节，设计了物联网控制箱来实现此项功能。该物联网控制箱配置了上述物联网检测装置，该检测装置可用于对接Zigbee 无线传感器 MESH 网络信号，或采集 8 路标准 4～20 mA 电流信号或 0～5 V 电压信号或电平信号的采集端，输出端是通过输出开关量转换成不同功率继电器或接触器来控制现场的设备。配置监控触摸屏单元，该单元具有显示、报警提示、历史记录及本地控制的功能；为远端传输提供了标准以太网接口、4G/WIFI无线接口等多种互联网信息通道，支持 Modbus TCP 协议，可以将本地的数据传输到局域网或者互联网中，实现了本地和远端双重监控，方便用户对本地和远端数据的查看并控制。具体配置功能如图2所示。

图2 农业大棚物联网控制箱功能框架示意图

4 农业大棚物联网数据采集控制系统实施效果

选取一块试验基地作为测试对象，传感器的选取和硬件搭建如图3所示，在现场触摸屏及远程电脑上，我们能够便捷地了解实时环境信息及作物生长环境条件，具体如图4—6所示。

图3 硬件组成图

图4 客户管理端

图5 数据通道显示

图6 单数据曲线显示

5 方案实施结论

在大棚物联网技术应用中，选用传感技术替代人的体感，选用现代控制手段替代人的现场管理，将日常人为的动作转换成不同的软件功能，并使用各种功能模块和物联网技术实现远程化、智能化管理。该方案在实施中，体现出以下几点优势：

1）本地和远程双系统同时监测web 页面、触摸屏、云平台等，精细管理；网关支持多服务器同时在线访问，为应用层数据平台对传感网数据的采集和数据挖掘提供友好接口。

2）触屏操作便捷，简单方便，设备操作都是一触即可。

3）报警上下限数值可任意设置，实时数据、实时报警显示，历史数据可方便查询，存储容量大。

4）内部对接 Zigbee 无线传感器 MESH 网络，可以实现大面积、多数据量采集和传输，降低了传输成本，并带有多路控制输出，现场接线简单、方便；并且具有无线网络自组网、多级路由的特点，利用网络配置器实现一键参数设置，组网简便快捷，维护成本低。

5）实用化的传感器设计，低功耗、低成本、可靠性高。

农业大棚远程监测系统运用最新微功率无线通信技术、数字化温度和湿度传感技术，可实时自动监测大棚里的关键点，大幅度降低人工巡查的工作量，并对不安全状况提前进行预警，并通过后台计算机轻松实现无人值守和远程监测。

6 展望

在本方案设计结构中，远程监测装置是基于ZigBee无线检测网络研发而成的，测量精确可靠，通过状态指示灯颜色的变换可以轻松获得装置所处的工作状态，操作调试十分简便，适合于农业大棚相关数据的采集和设备控制。基于物联网农业大棚的数据采集控制系统，对于反季节果蔬的培育提供有价值的环境监测和数据采集，减少外界环境对科技研究的影响，进而进行植物病虫害的研究；目前我国现有的蔬菜大棚可以结合物联网控制软件系统实现智能化、自动化控制大棚的遮阳、通风、降温、加温、灌溉施肥系统。真正做到用手机电脑可以实时监测、控制温室大棚，在减少劳动力的同时更能够节水、节肥、节电、减少能耗。