馬曉幸 楊華

摘 要：近年來，農(nóng)業(yè)溫室大棚種植為提高人們的生活水平帶來極大的便利，得到了迅速的推廣和應(yīng)用。但是也出現(xiàn)不少問題，比如種植環(huán)境中的溫度、濕度、光照度、土壤濕度、CO2濃度等環(huán)境因子對(duì)作物的生產(chǎn)有很大的影響。傳統(tǒng)的人工控制方式難以達(dá)到科學(xué)合理種植的要求，所以需要一種溫室遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。運(yùn)用傳感器和軟件通過移動(dòng)平臺(tái)或者電腦平臺(tái)控制智能溫室各項(xiàng)設(shè)備的運(yùn)行，從而對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行控制，以達(dá)到高品質(zhì)、高產(chǎn)量。本文的溫室監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)通過傳感器收集溫室的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)皆破脚_(tái)上，通過設(shè)計(jì)配套的基于安卓的手機(jī)APP用戶可以及時(shí)觀測(cè)溫室的各項(xiàng)環(huán)境因素，從而對(duì)應(yīng)的調(diào)整最有利于作物生長環(huán)節(jié)因素，實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理的種植。

關(guān)鍵詞：溫室；監(jiān)測(cè)；安卓；系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）19-0038-02

1 溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 溫室大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

溫室大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也叫溫室大棚檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程獲取溫室大棚內(nèi)部的空氣溫濕度、土壤水分溫度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度及視頻圖像，通過模型分析，遠(yuǎn)程或自動(dòng)控制濕簾風(fēng)機(jī)、噴淋滴灌、內(nèi)外遮陽、頂窗側(cè)窗、加溫補(bǔ)光等設(shè)備，保證溫室大棚內(nèi)環(huán)境最適宜作物生長，為作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全創(chuàng)造條件。同時(shí)，該系統(tǒng)還可以通過手機(jī)、PDA、計(jì)算機(jī)等信息終端向農(nóng)戶推送實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息、預(yù)警信息、農(nóng)技知識(shí)等，實(shí)現(xiàn)溫室大棚集約化、網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程管理，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用。從而大大提高土地的生產(chǎn)效率，且能夠?qū)⑼恋禺a(chǎn)出率有效提高，將資源的利用率以及勞動(dòng)生產(chǎn)率予以提高，直接增加了農(nóng)業(yè)的效益、素質(zhì)以及競爭力。

1.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

溫室大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是將zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和GPRS技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，并與互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，從而在pc端和移動(dòng)手機(jī)端實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)溫室的環(huán)境因素。云端為手機(jī)客戶端提供接口，手機(jī)客戶端將云端的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行多目標(biāo)遺傳控制算法的處理。將應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，通過PC端和手機(jī)端均能和系統(tǒng)云平臺(tái)的交互。

應(yīng)用層：為本系統(tǒng)的上層，主要面向系統(tǒng)用戶，電腦端從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集到溫室信息，手機(jī)端從云平臺(tái)接收大量反應(yīng)環(huán)境的數(shù)據(jù)，用戶可以分別從電腦端和手機(jī)端監(jiān)測(cè)到溫室的作物生長情況。

網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層主要由zigbee組網(wǎng)和GPRS技術(shù)組成，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

感知層：主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，包括大量傳感器設(shè)備，土壤溫濕度傳感器，光照傳感器，空氣溫濕度傳感器等。主要任務(wù)是采集溫室的各種環(huán)境因素，比如土壤溫濕度，空氣溫濕度，光照，大氣壓力等等。感知層是這套系統(tǒng)的最底層，連接著網(wǎng)絡(luò)層。（圖1）

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

通過對(duì)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需求與目前國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的現(xiàn)狀進(jìn)行研究與分析，設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、遺傳算法等技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的融合性溫室監(jiān)控系統(tǒng)。

溫室大棚監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中溫度采集模塊采集空氣和土壤的溫度以及濕度傳感器、感知光強(qiáng)的光照傳感器、土壤養(yǎng)分傳感器等。這些傳感器利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)連接如Zigbee或有線連接和物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)相連接，并將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)把這些數(shù)據(jù)處理后通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等廣域網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆破脚_(tái)。

設(shè)計(jì)一個(gè)手機(jī)APP來實(shí)現(xiàn)無論在何時(shí)何地都可以從云平臺(tái)上觀察到溫室的溫度信息。將溫室環(huán)境的溫度、濕度、二氧化碳濃度等多個(gè)控制對(duì)象視為多目標(biāo)；將控制品質(zhì)、控制精度、能源消耗等多個(gè)控制效果視為多目標(biāo)；以上兩種目標(biāo)的交叉形成混合多目標(biāo)，如將溫度、濕度及經(jīng)濟(jì)效益等作為控制目標(biāo)。運(yùn)用多目標(biāo)遺傳算法來解決需要優(yōu)化多個(gè)目標(biāo)的控制問題。

1.4 系統(tǒng)主要模塊

采用zigbee無線組網(wǎng)技術(shù)建立傳感網(wǎng)絡(luò)，分為三個(gè)模塊，溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊，電腦端模塊，GPRS模塊。溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊：可以采集八路PT100土壤溫度傳感器輸入的信號(hào)以及其他傳感器采集的數(shù)據(jù)。電腦端模塊：電腦串口接單片機(jī)串口1，用來讀取溫度值。GPRS模塊串口接單片機(jī)串口3，用來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制GPRS模塊接收無線發(fā)送過來的溫度數(shù)據(jù)到電腦端GPRS模塊。溫度采集端GPRS模塊：溫度采集單元接單片機(jī)串口1，用來向單元發(fā)送命令并讀取溫度值。GPRS模塊串口接單片機(jī)串口3，用來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制GPRS模塊啟動(dòng)無線發(fā)送溫度數(shù)據(jù)到電腦端GPRS模塊，從而實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的采集與設(shè)備控制。

云端模塊：通過無線網(wǎng)，將收集到的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。

數(shù)據(jù)展示模塊：通過設(shè)計(jì)的手機(jī)APP可以隨時(shí)隨地的觀測(cè)溫室的各種空氣溫濕度、土壤水分溫度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度及視頻圖像等。

1.5 系統(tǒng)主要功能

該系統(tǒng)首先可以進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看，可以隨時(shí)隨地的觀看溫室的各項(xiàng)環(huán)境因子。手機(jī)端則會(huì)將這些數(shù)據(jù)以圖表和折線圖的形式將一定時(shí)間段的環(huán)境因子變化展現(xiàn)出來，供用戶參考。同時(shí)這些數(shù)據(jù)也會(huì)保存并上傳到云端平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，方便用戶對(duì)歷史數(shù)據(jù)的回顧。

2 手機(jī)客戶端設(shè)計(jì)

2.1 android系統(tǒng)的選用

Android是一個(gè)開源的，基于Linux的移動(dòng)設(shè)備操作系統(tǒng)，如智能手機(jī)和平板電腦。Android是由谷歌及其他公司帶領(lǐng)的開放手機(jī)聯(lián)盟開發(fā)的。Android提供了一個(gè)統(tǒng)一的應(yīng)用程序開發(fā)方法，這意味著開發(fā)人員只需要為Android進(jìn)行開發(fā)，這樣他們的應(yīng)用程序就能夠運(yùn)行在不同搭載Android的移動(dòng)設(shè)備上。

Android手機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，使用人數(shù)越來越多，它的開發(fā)優(yōu)勢(shì)也越來越明顯。開放源代碼眾多開發(fā)者及強(qiáng)大的社區(qū)，不斷增長的市場，國際化的App集成，低廉的開發(fā)成本，更高的成功幾率，豐富的開發(fā)環(huán)境。

2.2 可實(shí)現(xiàn)的主要功能

2.2.1 同時(shí)觀測(cè)多個(gè)溫室大棚的環(huán)境因素

用戶登陸成功后可進(jìn)入主界面，主界面會(huì)顯示出不同地點(diǎn)，不同溫室和不同設(shè)備收集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。用戶可以根據(jù)需要選擇自己想要觀察的溫室環(huán)境，也可以觀測(cè)不同時(shí)間的數(shù)據(jù)信息。（圖2）

2.2.2 歷史數(shù)據(jù)展示

歷史數(shù)據(jù)對(duì)溫室作物的生長周期的一個(gè)嚴(yán)密監(jiān)控，用戶可以通過這些數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)作物成長出現(xiàn)的問題，及時(shí)補(bǔ)救。通過調(diào)整作物的生長環(huán)境，使作物可以處于一個(gè)最佳的生長環(huán)境。在歷史數(shù)據(jù)的顯示界面，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用統(tǒng)計(jì)圖以及折線圖的方式來進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的展現(xiàn)，這類圖表能夠更加直觀的方便用戶觀察。在屏幕顯示的每一頁都顯示兩類環(huán)境參數(shù)，一類使用柱狀圖表示，一類使用折線圖表示。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)溫室中作物的產(chǎn)量質(zhì)量更依賴于人的辛勤勞動(dòng)和人的經(jīng)驗(yàn)，而農(nóng)戶對(duì)農(nóng)作物所需的土壤溫濕度、土壤水分、空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、植物養(yǎng)分含量等參數(shù)沒有清晰的認(rèn)識(shí)，缺乏系統(tǒng)的科學(xué)指導(dǎo)，這就必然導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的底下，作物的質(zhì)量得不到保障。在溫室大棚監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)下溫室實(shí)現(xiàn)了土壤溫濕度等參數(shù)的檢測(cè)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并基于采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為溫室的調(diào)溫、調(diào)光、換氣、水肥一體化等自動(dòng)控制提供科學(xué)的參考。從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營效率，增加了農(nóng)業(yè)的效益、素質(zhì)以及競爭力。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇曉峰，孫忠富，張百海.一種基于Web的溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2006，01：18-21.

[2]鮑文燕，譚劍.基于ZigBee的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2016，06：32-35.

[3]江朝暉，許正榮，陳祎瓊.遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2010，11：40-43.

[4]沙永健.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].東華大學(xué)，2015.

[5]楊秀清.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].武漢工程大學(xué)，2012.

[6]沈娣麗，孟雅俊.路程基于Wi-Fi的溫室大棚監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)[J].中國農(nóng)機(jī)化，2012，239：162-165+139.

[7]馮萌，廖俊峰，王敏農(nóng)業(yè)溫室大棚環(huán)境無線監(jiān)測(cè)及其控制[J].通訊世界2016，2：224-225.

[8]付克蘭.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境，2017，11：143-144.