基于多数据融合的农业大棚环境监控研究

张博航，崔 巍，任新成，雷静锐，赵人熳

(延安大学物理与电子信息学院，陕西延安716000)

温室大棚是当今我国农业模拟生物生长的一种有效措施[1]，通过大棚对部分植物的养殖能够很好克服不同地理环境对生物生长的限制，能使不同的农作物在非适应地区中进行养殖，减轻了自然条件对农作物养殖的影响。经调查，目前大棚内多参数数据监测智能设备开发周期较长，开发成本也十分昂贵，市面上的大多数大棚智能化设备价格太高。陕北地区农业经济处于落后水平，更是无法做到普及应用。因此研究一种适用于陕北农业大棚的大数据云管理平台十分迫切，进一步降低装置使用成本，为陕北农业大棚智能化的普及做出研究基础[2]。

本研究针对国内现有温室大棚监测控制系统存在的监测环境变量较单一、实时性差、成本高等问题所研究出了基于多数据融合的农业大棚环境监控系统[3]。利用各类传感器进行多参数数据采集、物联网通信、无线组网通信以及云平台储存技术。该系统可以实现大棚内多参数的准确采集、数据的通信以及云平台的数据显示，提高设备智能化的同时，进一步降低成本、增加采集数据实时更新，设定预提示报警措施。应用于陕北等经济落后地区的农业大棚中，实现了种植的科学化与智能化管理，使大棚内作物始终保持适宜生长的环境。

1 系统总体方案设计

本系统由多参数数据采集模块和数据收发模块两部分组成。数据采集模块包括主控模块、传感器模块、无线传输模块和显示模块构成[4]。为了提高农业大棚内环境数据的准确性，在一个大棚内使用五组传感器模块对环境数据进行检测。其中主控模块MCU采用低功耗MSP430G2553单片机，传感器模块包括DHT11温湿度传感器、MH-Z14A CO2浓度传感器和土壤湿度传感器。数据收发模块以STM32单片机为控制芯片，近距无线传输模块采用低功耗ZigBee，来实现收发系统与数据采集模块之间的数据交互功能[5]。超远距无线传输采用基于Air720多网络制式的4G-LTE通信模块。实现系统将数据采集模块所采集的数据发送到云端的功能，最后通过云平台将所交互的数据进行整合并在PC端或手机端进行访问。其系统整体结构框图如图1所示：

图1 系统总体框图

2 系统硬件设计

2.1 数据采集模块

数据采集模块主要通过各类传感器模块采集外部环境参数，后由单片机进行数据处理融合。温湿度采集模块采用DHT11传感器，所采集到的信号先经过DHT11自带的A/D模块转换后将信号通过DATA数据口传输给单片机MSP430G2553，DATA数据口与单片机P1.3相连接。CO2浓度采集模块采用MH-Z14A红外CO2传感器，利用非色散红外(NDIR)原理对空气中存在的CO2分子进行采集，通过DAC端口与单片机P1.0端口相连。土壤湿度采集模块采用LM393比较器连接土壤湿度监测探头，后由比较器的基极U3、U4向单片机P1.6、P1.7端口进行数据传输，完成土壤湿度数据采集[6]。最后通过系统程序的设计由MSP430G2553控制系统对各个端口所采集数据的进行整合与处理完成多数据采集，并将处理好的数据存储至外部储存Flash中。

2.2 数据收发模块

数据收发模块采用STM32单片机来控制无线传输，STM32控制ZigBee模块来读取外部储存Flash中参数采集电路所采集的数据信息，后通过4G模块将信息发送至云端[7]。通过STM32单片机的P1.2端口将读取数据请求发送至ZigBee模块的RX端口，请求成功后由ZigBee模块向外部储存Flash读取数据并通过TX端口将数据反馈至STM32。STM32单片机整合数据有效之后，利用4G模块发送至云平台。系统总体电路图如图2所示。

图2 系统总体电路图

3 系统软件设计

3.1 数据采集部分的设计

本系统的数据采集部分需要完成数据采集、储存以及数据信息传输，这三部分需要在系统软件管理下协同进行。本系统软件采用模块化设计原则，分为采集模块、储存模块、传输模块[8]。首先对各模块进行接口初始化、外部储存Flash初始化，其次分别启用各采集模块使其进入工作状态。当各类传感器检测到有触发信号时，数据采集模块进入正常采集子程序，开始对每个通道检测是否有对应信号。如果被触发则将该信号状态及相应时间信息写进外存储器Flash，如果没有被触发则继续循环检测直到检测到触发信号为止。数据采集部分软件设计的主程序流图如图3所示。

3.2 数据收发模块的设计

数据收发模块以控制器STM32单片机、ZigBee模块和4G模块组成，本部分需要完成数据的接收、储存以及发送至云平台[9]。首先对各模块进行接口初始化，进一步调用无线传输模块将Flash内存储数据信号传输到数据收发系统中，然后分别启用各接收模块判断其是否接收到由数据采集部分发送的数据，如接收到数据则发送至云端进行存储及分析，如未接收到数据则循环检测。数据收发模块软件流程图如图4所示。

图3 数据采集部分流程图

图4 数据收发模块程序流程图

4 系统性能测试

为了验证本系统的功能以及使用状况，本设计选用在绥德县石家湾镇芝麻密小瓜种植基地大棚内进行系统性能测试。本次测试放置5个采集模块对大棚内形成全方位的监测网络，验证采集环境参数，以及检测云平台显示情况。由于条件有限，没有高精度检测校准设备，无法对设备监测数据进行误差率计算。但是为了分析系统合理性与实时性，利用中午太阳光照时(15时)以及太阳落下后(18时)为主要时间检测点。测试时间为11月中旬，当天大棚外环境温度7度、湿度25，检测数据如表1所示。根据数据可以发现在太阳落下以后，随着植物进行光合作用二氧化碳浓度减少，大棚环境温度、环境湿度和土壤湿度降低。这时候应该展开大棚保温棉被，保持大棚内温度、环境湿度和土壤湿度以及二氧化碳浓度的提高。本次实验测试表明系统可以有效监测大棚内环境参数，数据准确、实时性高。

表1 检测数据表

5 结束语

本文基于物联网思想，采用多数据融合采集技术、无线通信技术、云平台储存技术等，利用数据采集和数据收发相结合方式设计了一种基于多数据融合的农业大棚环境数据采集系统。针对陕北农业大棚中智能化设备的普及率低，以保证有用数据检测的同时进一步简化系统、降低成本，能有效地改善农作物生长环境以及提高农作物的产量，促进陕北农业大棚走向智能化的道路。