基于物联网的大棚蔬果智能监控系统设计研究

张莉 湖南应用技术学院信息工程学院

这种在互联网的基础上，建立的大棚果蔬智能监控技术，不仅效率高，而且能够节约环境，节约资源，和普通的大棚相比，它结合了无线通信技术、物联网技术、自动控制技术、传感器技术等高科技手段发展。我们是根据具体的管理需求，以及环境控制设计出的果蔬智能监控系统对大棚内的环境监测数据进行实时采集，包括空气温度、土壤水分、空气湿度、土壤温度、二氧化碳浓度、太阳辐射等，根据实时采集的环境参数值对大棚内的控制设备进行控制，包括内遮阳、外遮阳、水泵、湿帘、风机、电磁阀等。

一、物联网的大棚蔬果智能监控系统相关技术

物联网的蔬果大棚智能监控系统关键性的技术：结合农业物联网技术，物联网的技术、通信技术、传感技术、以及无线射频技术，都能在任何时间地点进行数据的采集，也就是综合利用了，感知技术。具有跨学科的交叉、多技术的融合。其硬件技术包括射频识别技术、智能嵌入技术、无线传感网络、纳米技术；软件处理技术是由多个部分组成的，例如信息处理技术，安全技术等等[1]。

二、物联网的大棚蔬果智能监控系统设计

物联网的基础上进行，智能监控系统的设计，进而对大棚果蔬进行监控，首先进行智能的分析之后进行框架设计，这过程中包括多个方面，例如文化感知层的数据采集以及无线通讯传输，最终的移动终端分析设计。

(一)系统总体架构设计

系统按照应用模式主要分成两个部分，一个是数据的采集与管理部分，另一个是系统终端的访问管理部分，进行系统整体的框架设计。

信息采集与控制依赖于物联网的环境参数，棚内现场采集控制终端的二氧化碳浓度、温度、光照叶面湿度等环境参数通过标准的232/485标准的通信接口，内部设置了一张能够连接通信GPRS 数据库和互联网的卡。采集到的数据能在第一时间传输到数据管理中心，这种F2103具有很强的通用性，而且体积小，携带便捷，不需要专业技能进行安装，面对不同的工程情况，也可以选用不同的网络。数据中间对实时采集到的参数进行数据分析，输出统计报表，较直观的以曲线和图标形式预测分析图，依据植物的生长环境需求提供报警信息，当环境参数值超过或低于设定值时就自动开启或关闭指定的控制设备。

根据系统总体设计和软硬件设计要求分别进行系统软硬件的设计，系统软硬件设计完成后进行一系列的联调和测试，直至形成一个完整可行实用的系统。系统总体技术设计路线图如图1所示。

图1 总体技术设计路线图

系统设计中，在无线传感器网络节点中嵌入环境参数采集传感器，采集数据通过ZigBee网络从分节点上送给总节点。在传输距离远而直接引入的GPRS模块中，总节点将汇总的数据传输给GPRS模块，再经过GPRS网络和互联网传送给指定的上位CP机。上位机所数据存储在数据库中供定时获取，若发现数据异常，将由控制模块生成的解决方案控制相应控制设备。

(二)感知层数据采集模块设计

大棚内的传感器，将采集到的数据汇总传输到网关，根据其功能需求，其节点必须有数据的采集、处理及传递的功能[2]。数据采集模块是整个物联网监控系统的关键部分，故数据采集模块的传感器构建也要遵循系统总体设计的原则，实时、稳定、适用、抗干扰、安全。

传感器包括：二氧化碳变送器、土壤水分传感器、光照强度传感器，A/D转换模块设计：A/D转换器又叫模/数转换器(Analog-to-Digital Converter)，也就是将模拟的电压或电流信号转换成可以让计算机接口、仪表、微处理机来操作的数字信号[3]。本系统使用ADC0809型号的A/D转换器，用户可以编程控制监测环境参数，具有高精度、抗干扰能力强等优势。

(三)网络传输层无线通信模块设计

无线通信技术的选择：短距离无线通信是指通信的双方在比较近的距离范围内通过无线电波进行数据的传输，在实际应用中使用非常广泛。无线通信的发射功率在几微瓦到十几微瓦之间，平时只需要电池供电即可。

因为农业无线传感器网络周围的环境比较复杂，而且会连接多个节点，所以我们要考虑到成本以及网络的稳定性，快速性。以前的情况来看ZigBee这种通信技术应用的比较广泛，也是最适合的。

大棚内部有很多微型的传感器，节点能够进行数据的采集，节点之间的网络通过自组织实现；通过节点获得的大量数据运用逐级跳到汇聚节点，再通过无线网络传到管理节点；最后通过管理节点用户对网络进行控制和管理。

无线传感器网络分别由传感器节点、汇聚节点、管理节点组成，传感器节点主要包括处理模块、无线通信模块、传感器模块、能量供应模块。

汇聚节点主要包括处理模块、存储模块、通信模块、能源供应模块，把监测和收集到的数据通过转换传导到外面的网络同时也能对自身节点进行监测管理，管理节点主要是对整个网络进行管理。

(四)应用层终端模块设计

(1)应用层终端模块总体设计方案

系统的结构设计应该具有大棚数据采集、服务通信、GPRS报警、自动灌溉、服务器界面显示等功能。系统应用层的终端模块可以划分为前端数据采集、控制、网络通信、数据库、服务器、决策管理六个模块，再可以分为三个模块，分别为：前端管理模块、服务器模块、后端管理模块。

系统在进行数据控制，以及浏览的过程中，记住了，管理模块。管理模块是由多个子模块组合而成的，例如用户的登录，用户的信息，以及实施显示模块远程控制模块等等，前端的管理模块能够直接，针对用户登录模块进行系统的增删改以及个人信息的浏览查询；实现对大棚各环境参数实时采集和历史数据的查询；以图表的方式统计采集参数数据汇总，在地图上查找大棚所在位置。

服务器模块能够进行数据以及终端的连接，其中包括多个部分，终端管理的模块，数据接收的模块，进行数据分析的模块传输的模块等等。在进行数据接收的过程中，可以直接用智能手机的客户端。数据分析能够对收集到的数据进行快速处理，并通过传输模块，把信息转发或者是传输到手机客户端里。其中还有一个命令，防干扰模块，也就是说在执行命令或者是控制命令的过程中不会受到其他信号的干扰，也就不会出现错误处理。

在这过程中，拥有最大权限的就是系统后端的管理模块，这也是系统，必不可少的一部分。其中包括了系统管理监控设备的管理，以及系统分析等等。系统管理模块，主要是接收用户的管理，之后再进行参数的设定，或者是配置。能够管控监测点，实现监控的目的。在统计分析的过程中，能够根据参数的变化提前进行预警分析，决策支持模块，也就是把得到的信息分析的结果总结下来，进行智能决策。

(2)总体数据库的设计

(3)终端用户数据库设计

本系统使用MySQL建成dpgs.mdb数据库，dpgs.mdb数据库主要包含了四个数据表，分为为tb_user (用户表)、tb_collect(数据参数采集表)、tb_connect (关联表)、tb_management(管理表)。

(4)SSH组合开发框架构建

当今最为流行的开发框架是SSH2框架。使用的SSH2框架的版本为：struts-2.2.2+spring-2.5.4+hibernate-3.6.8

SSH组合框架：集成的SSH框架主要分为四个层面：WEB层、业务层、DAO层、持久层。

(5)终端应用

系统的一部分使用了 web 技术，采用的是浏览器的构架模式，和终端用户形成了一个三层的模式结构。在这个结构里，用户端只需要安装一个火狐浏览器就可以了，服务器使用的数据库是 oracle。项目在开发的过程中可以安装安卓手机的客户端，直接下载，客户要想了解大棚内果蔬的生长情况，以及参数值，直接用手机查看就可以了，还可以直接用手机进行远程控制。

(五)最优环境参数控制模块设计

由于，大棚内部的果蔬生长环境比较复杂，我们为了更好的控制监控，利用了PID 控制以及模糊控制，这两种控制方法，能够严密的监控各项环境的参数。分析湿度、温度，以及光照探究其中的耦合关系，在这个基础上设计出补偿模糊 PID控制器。

三、总结

当前有很多人都在关注智能农业，这也是非常热点的话题，因为关系到人们的生活。而且农业增产在一定程度上能够提高国民的生活水平。所以我们在这过程中，首先要改进的就是环境监控以及数据传输，能够精确的控制大棚内部的环境，确保环境能够更适合作物的生长。系统能够在第一时间向用户反馈信息，这样就能进行标准化的生产。要根据实际情况不断完善内部的系统功能，引入一些新技术。最终实现智能化的管理，在大棚果蔬产前产中以及产后都要进行严密监控。