基于物联网的农田环境监测系统设计

刘红霞

（榆林学院 信息工程学院，陕西榆林 719000）

中国的农业人口比例很大，改革开放以来，我国的农业生产水平有了很大的发展，但管理水平与发达国家相比仍然存在着一定差距[1]。随着物联网技术的高速发展，为了更好地发展智慧农业，很多学者研究了农田环境，探索了环境对田间作物生长产生的影响，重点关注了土壤、空气及其各组成成分的比例关系[2]。文献[3]设计了用于蔬菜大棚的无线传感器网络体系架构，在分析温室环境特点的基础上，设计了低成本的无线传感器网络技术和实用的温室环境监测系统。文献[4]提出了一种利用无线传感技术的无线环境监控系统，在偏远地区的远程农田环境监控系统中，该技术的使用大大降低了人工成本和更换传感器电池的成本。文献[5-6]利用传感器进行空气温度、湿度、CO2浓度、光照强度、土壤温湿度等农业环境信息的实时采集，为精准控制农业生产耕作方案提供了有力的数据支撑。文献[7]设计了自动控制滴灌系统，实时监测了农田环境的温度、光照的变化和植物土壤湿度等参数。目前，农业物联网的发展还处在初级阶段，农业物联网体系架构不完善，底层感知系统搭建门槛高，物联网资源共享性差，呈碎片化状态。因此，文中以物联网技术为基础，结合无线传感器网络技术和数据融合技术等，设计了一种基于物联网的农田环境监测预警系统，实现对农业生产要素信息的实时动态管控，从而有效推动农业向精细化、智能化的方向发展。

1 农业物联网环境分析

农田的环境监测与温室或其他监测不同，不需要实时采集环境数据。因此，可以选择一些成本低、功耗较低的数据传输方式。其次，实时采集技术的数据传输周期也较长，一般地，土壤监测系统中可以每隔几个月或更长周期对土壤的各项数据信息进行监测[8]，因此，只要事先设置好数据的上传周期，即可实现自动化监测管理。

2 监控系统总体设计

该系统主要应用在农田环境中采集土壤的温度、湿度、PH 值、光照等数据[9]，通过监测这些数据，可以为农业生产提供精准调控的科学依据，以提高产量与经济效益并提升品质。

基于农田实际环境的考虑，系统采用ZigBee技术结合4G 网络，设计适于农田环境的智能监测系统[10]，该系统总体要求如下：

1）覆盖150 亩农田，每50 m2设置传感器节点，平均每20 亩地设置汇聚节点。

2）要求监测土壤的温度、湿度、PH 值以及空气的温度湿度和光照。

3）传感器节点要求体积小、成本低、安装部署简单，并防水防尘，适于户外运行。

4）数据传输稳定，自动设置上传周期，节点电池要求连续工作3 个月以上。

系统主要设计了数据采集和数据监测两个模块[11]。系统的总体结构如图1 所示，数据通过传感器终端采集上传到ZigBee 网络中的汇聚节点，再通过4G 网络将数据传输到监测系统平台的PC 端，对数据进行展示和分析。此外，监测端提供WEB 服务，方便用户以B/S 方式连接监测系统，查询实时数据。

图1 系统总体结构

该系统的网络总体结构由下至上划分为感知层、网络层和应用层[12]。感知层主要利用温湿度传感器等各类传感器进行信息的采集和获取，并通过ZigBee 传输协议将采集到的数据发送到传输层[13]。传输层主要将设备采集到的数据借助4G 网络进行信息交换与共享。在应用层中，系统可以通过数据处理为农业生产智能化与信息化管理提供依据。

3 系统硬件设计

3.1 数据采集模块

系统中的数据采集模块主要完成农田环境参数的采集，该模块由两部分组成：传感器和电路。系统中的采集节点主要有空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光照强度传感器等[14]。通过ZigBee 技术和4G通信技术使传感器与系统进行通信。该系统采用的ZigBee 芯片是TI 公司生产的芯片CC2530，该芯片使用了增强的8.51CPU，具有超低功耗的特点，可实现多功能、高效率的无线数据传输[15]。其中，ZigBee 无线传感器网络的输出数据需要进行数据采样和A/D转换[16]，数字化后再进行采集数据与网关间的串口数据传输。系统硬件框架如图2 所示。

图2 系统硬件框架

1）空气温湿度传感器。该传感器是一种复合传感器，主要应用数字采集技术、温度传感技术和湿度传感技术，最主要的特点是抗干扰能力强、性能稳定、体积小、功耗低、性价比高[16]。

2）土壤温湿度传感器。通过在农田埋入热敏电阻实现对土壤稳定性和含水率的测量。

3）光照强度传感器。利用光敏元件可将光照强度信号转换为电信号传输到监测平台，进行分析和汇总。

3.2 无线通信模块

ZigBee 技术是一种低功耗的、技术简单、组网成本相对较低的双向无线通信技术，它的主要特点是适用于对数据传输速率要求不高的近距离传输[17]。ZigBee 的数据通信速率一般为250 kB/s。在系统的通信传输过程中，需要在ZigBee 网络中再增加4G 传输模块才能进行数据传输，4G 网络的各层间接口都是开放的。物理网络层、中间环境层、应用环境层之间能够提供无缝高数据率的无线服务[18]，该系统通过运营商的移动网络将采集模块和监测系统在空间上进行分离。ZigBee 天线一般要求全向辐射，使用倒F 天线[19]。

4 系统软件设计

4.1 功能设计

文中设计开发了农田环境监测系统，监测系统以Eclipse 为开发工具平台，系统采用B/S 架构。整个系统监测平台功能分为五大模块，分别是新闻通知、农田管理、病虫害预防、统计分析和用户管理，如图3 所示。系统采用了基于BP 神经网络的数据融合算法对系统中采集到的数据进行融合处理[20]。

图3 系统功能模块

4.2 数据库设计

鉴于传统关系型数据库不能更好地解决物联网的数据存储问题，该系统采用数据混合存储的方式，选用数据库MySql 和NoSql。非关系型数据库NoSql选取了模式自由、面向集合存储、易存储对象类型的数据库MongoDb，它是介于关系数据库和非关系数据库之间的产品[21]。这个数据库的优点是表的结构是可变的，对于数据结构没有严格要求，不需要预先定义表的结构映像，这与关系数据库是完全不同的；其缺点是没有统一的查询语法。因此，从传感器获取的数据首先存储在MongoDb 数据库，经过大数据分析后进行汇总，然后再把结果转存到MySql数据库中，由MySql 数据库向用户提供数据的查询服务，由此提高了系统中数据服务的响应速度与查询质量。

5 系统实现及应用

该系统的开发基于B/S 模式完成，系统的登录界面如图4 所示。由于系统对不同用户设置的权限和功能需求不完全相同，所以在成功登录后显示不同的界面。管理员登录后的主界面如图5 所示。

图4 系统登录界面

图5 登录主界面

系统基于MVC 模式开发，采用S2SH 框架开发部署，以实现对农田中各种环境参数，如温度、湿度、光照等的数据采集和管理。在系统使用过程中，用户在计算机终端登录农田监测系统，能够浏览系统数据监测界面，用户可以在该界面查询数据，也可以对各节点设备进行控制。图6 所示为某区域一时间段内的温度查询曲线图。如果监测界面中数据以红色显示，则表示该数值超过了系统预设的阈值。无线传感器网络中的传感器节点在实际使用可以采集到大量的数据，这些数据通过该网络的汇聚和处理功能最终传输到终端设备。这样系统用户就可以分析和处理终端采集到的数据，从而实现对农田监测区域的监测和综合管理[22]。

图6 温度值曲线图

6 结论

通过物联网技术在农田安装传感器，采集农田中温度、湿度、光照等农作物生长环境指标，对农作物的生长环境与状态进行实时监测，并利用WEB 技术设计实现监测系统平台，使农田管理者可以不在现场就能监测到作物生长环境。文中农田物联网的监测系统是基于无线传感器网络设计的，该项研究在农业物联网技术的自动化、智能化等领域均提供了一定技术支持，在智慧农业的自动监测、控制以及智能化管理的研究中也提供了一定依据。