基于物联网的大棚环境监控系统研究

曹 俊

(重庆能源职业学院，重庆 402260)

0 引言

我国是世界第一人口大国，但是耕地很少，人均耕地面积只有世界平均水平的1/3。因此，利用现有的土地来养活数量庞大的人口一直都是重要的研究内容。近年来，我国的人口持续增长，而耕地面积却在不断缩小，使得耕地与人口之间协调发展的问题更加严峻[1]。为了解决上述矛盾，在加大耕地保护力度的同时，还需要提高耕地的单位面积产量及耕地的利用率。作物的生长依赖于自然环境，受地域和季节的影响较大。对于某个地区的特定作物来说，在纯自然条件下的大部分时间是不能正常生长的，限制了耕地的产量潜力。

科学技术的发展推动农业生产方式革新，出现了设施农业这种新型的模式。设施农业将各种农业生产要素整合在一起，以高度集中的资金、技术和劳动力为支撑，是现代化农业的一种重要形式[2-3]。设施农业的平台是人工建造的设施，因此种植的作物能够摆脱自然条件限制，实现反季节上市。设施农业不仅可以满足人们多元化和多层次的消费需求，还能进行程序化生产，从而提高土地利用率，对于缓解人口与耕地矛盾具有重要意义[4]。

我国的设施农业发展迅速，有塑料大棚、玻璃温室和现代化植物工厂等多种形式，分别适用于不同自然条件的地区。受技术水平和发展时间的限制，目前的设施农业仍然以大棚和温室这两种形式为主。与温室相比，大棚的缺点在于技术含量相对较少，隔热能力差，使用的年限也短。但是，大棚的结构简单，建造、运行和维护所需的投入少，适合在经济发展速度相对较慢、农业基础设施薄弱的地域应用。

目前的大棚作物种植技术已经相对成熟，但在实际生产中也存在一些问题，给农产品的产量和质量带来了不利影响。首先，大棚是封闭的空间，内部的温湿度都很大，成为各种害虫和病菌滋生的理想场所，因此大棚内的病虫害一般都较为严重[5]；其次，大棚内的环境因素与外界缺乏交流，土壤的连作障碍随着使用时间逐渐变得严重，作物对肥料的吸收能力大幅减弱，阻碍了大棚的可持续利用[6]；再次，大棚属于经济型的农业设施，总体建造成本不高，附带的高技术含量设备较少，自动化和智能化程度与温室存在很大差距。这些因素使大棚种植效益提升及持续应用的难度增加，是种植者和农业科研人员重点关注的内容。上述问题既与大棚的固有属性相关，也受经济投入的影响。通过增加经济投入、改进管理方法及完善设施设备，可以在一定程度上提高大棚的使用效能。

人工的可控环境是大棚生产的基础，对大棚内的环境进行监控可以保证作物在理想条件下正常生长，是解决大棚生产所面临问题的有效方法。传统的农业环境监控是通过人工观察并记载各项环境数据，然后以作物的生长状态为依据，根据经验对环境条件进行控制。这种方法受监控人员的主观感受和知识经验的影响较大，监控精确度不高，且耗费大量的时间和人力，不能满足农业规模化生产的要求[7]。

随着科学的发展，人们设计了多种新型的大棚环境监控方法，在实际应用中发挥出明显的效果。侯玉佳设计了一种基于DSP的大棚病虫害监控系统，采集病虫害的发生面积和动态，提高了病虫害的管理水平[8]。柳军等设计了一种基于无线传感网络的大棚环境监测系统，实现了对环境因子的动态监测，且在降低功耗的同时提高了稳定性[9]。在这些技术的基础上诞生的物联网是将大量传感器和信息处理器通过无线网络整合成一个系统，用于对目标进行智能识别和精准管理的方法[10]。环境监控是物联网在农业领域的重要应用内容，其通过传感器采集环境参数，经无线网络传递给应用分析模块后形成管理决策，提高农产品的产量和质量[11]。物联网也推动了农业生产方式的升级，当前的精准农业、智慧农业和设施农业等生产模式都引入物联网用于环境的监控[12-16]。

大棚是一种较为简易的农业设施，建设和运行的成本较低，在安装基于物联网的环境监控系统时会面临设备费用高昂的问题。为此，根据农业大棚的实际特点，设计了一个基于物联网的环境监控系统，在满足监控功能的前提下尽可能地降低成本，提高性价比，使监控系统的建设运行成本与大棚生产相适应。

1 总体设计

基于物联网的大棚环境监控系统由感知控制层、网络传输层和应用管理层组成，如图1所示。感知控制层安装在大棚内，包括感知终端和控制终端。感知终端是各种传感器，用于监测环境中的空气温度、土壤湿度、光照强度和CO2浓度等参数，作为物联网决策的原始依据。控制终端为电磁阀、继电器和步进电机，用于操作执行装置的开启和关闭，对上述环境参数进行调节。网络传输层采用ZigBee无线通讯方式，将感知终端采集的环境信息汇聚到路由节点后传输给应用管理层。应用管理层的核心是一个台式计算机，对监测的环境数据进行分析处理，然后形成控制决策，以指令的形式经过网络传输层返回到控制终端，达到调节大棚环境的效果。

图1 大棚环境监控系统的组成

2 组成部分

2.1 感知控制层

感知终端用于采集大棚温度的设备为LM-879型空气温度传感器，土壤湿度由欧速OSA-1型土壤水分传感器采集，光照强度由武汉中科能慧的NHZD10型传感器采集，CO2浓度由美国FIGARO公司的TGS4160型传感器采集。将大棚均匀划分为多个监测区域，每个监测区域面积约为200m2，安装1个感知节点。上述传感器采集的数据经过AD6673型转换器转变为数码信号后汇聚到感知节点，并发送给网络传输层。传感器采用标准的RTU通讯协议，可以通过RS232和RS485型的接口输出。

大棚的空气温度、土壤湿度、光照强度及CO2浓度一旦超过系统设定的阈值，相应的控制终端便会开启，对环境因子进行调节。大棚中空气温度过高时，开启蒸发降温装置，根据温差大小启动相应的蒸发装置；空气温度过低时，则开启热风采暖装置，暖气由通道输送到所监测区域的各个部分。温度控制的设备简单，成本较低，还具有预热时间短和均匀加热的特点。系统改变传统的漫灌方式，通过水喷雾法控制大棚土壤湿度。土壤含水量低于作物基本需求时，GAG型电磁阀开启安装在末端管道上的喷头，实现局部的变量灌溉；土壤含水量过高时开启排水口，同时启动鼓风机快速降低大棚内的湿度。光照强度过低时，系统启动锗灯补充光照；光照强度过高时，则通过步进电机展开遮阳网增加覆盖面积，以降低大棚内的光照强度。系统以灌装的液态CO2为气源，用继电器控制储存罐的开启，来实现定量释放，以提高CO2浓度。当CO2浓度过高时，则开启通风装置。控制终端所接收的指令来于控制节点，由DAC7631E型转换器转换为可识别的模拟信号。控制终端及节点对应的大棚区域与感知终端及节点对应的区域一致。

2.2 网络传输层

网络传输层负责将环境信息传输给应用管理层，同时将控制指令反向传输给控制终端，如图2所示。网络无线传输可以采用WiFi、蓝牙和ZigBee这3种通信方式。其中，ZigBee技术的维护成本和功率消耗低，还具有较远的通信距离和较强的抗干扰能力，广泛应用于物联网的构建。系统的ZigBee传输采用树形组网方式，以Cortex A8处理器为核心，通过协调器与感知控制层连接，利用Android系统的TCP/IP通信协议在智能手机上显示大棚的环境信息，同时基于Socket通信方式实现数据的收发和存储。

图2 网络传输层的结构

2.3 应用管理层

应用管理层的核心计算机为联想扬天4000型电脑，配置包括Intel i7处理器、16G内存、2T硬盘和LS2223WC型显示器。计算机安装Windows10操作系统，在界面上设置系统参数和各项阈值，并实时显示大棚环境监控状态。计算机中的专家数据库和知识库可以分析采集的数据并生成专家决策和控制指令。本系统提升了计算机的运行能力和存储空间，使其能够代替服务器的功能，简化了系统设备，降低了物联网的建设成本。

3 功能测试

在蔬菜大棚中测试系统的环境监控效果，种植的蔬菜为西红柿，测试的对象包括4个监控区域，各个区域中的西红柿处于不同的生长阶段。因此，根据各阶段的最适生长条件设定环境因子阈值，然后观察系统监控所获得的实际值。试验结果表明：系统能够精确控制大棚内的空气温度、土壤湿度、光照强度和CO2浓度，为西红柿的正常生长提供最适的环境条件，如表1所示。

表1 系统的功能测试效果

在实际应用过程中，系统运行稳定，监控的精确度高，并且功率消耗小，体现出较高的性价比。

4 结论

根据农业大棚的特点，设计了一个基于物联网的环境监控系统，用于对大棚内的空气温度、土壤湿度、光照强度和CO2浓度等因子进行控制。系统以各类传感器采集环境信息，网络传输层采用ZigBee无线通讯技术，应用管理层以台式计算机为核心，能够精确控制大棚内的环境因子，为蔬菜的正常生长提供最适的条件。系统在实际应用中运行稳定，监控的精确度高，且功率消耗小，具有较高的性价比，可以提高大棚的生产效率。