基于物聯網的溫室農業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究_沈藝敏.pdf

基于物聯網的溫室農業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究 沈藝敏 南寧學院 南寧 530200 摘 要 為有效提升我國溫室種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)工作的智能化與精準化水平 以農業(yè)物聯網為應用平臺 針對 監(jiān)控系統(tǒng)進行設計研究 以溫室種植的功能需求為切入點 采用物聯網各層級分別構思 整體融合的方法 建立 基于物聯網的參數監(jiān)測數學模型 并從軟件設計與硬件配置兩大維度構建完整的監(jiān)控系統(tǒng) 試驗結果表明 監(jiān) 控系統(tǒng)的網絡數據丟包率可控制在 0 70 以下 溫室空氣溫度 相對濕度 種植土壤濕度等關鍵參數的系統(tǒng)監(jiān)測 值與實地測得值誤差不大 可控制 2 50 以下 系統(tǒng)監(jiān)測穩(wěn)定性可提高至 90 00 以上 滿足監(jiān)測功能需求 監(jiān) 控效率得到顯著改善 有利于進一步指導溫室種植與設施農業(yè)裝備的深度優(yōu)化 關鍵詞 溫室種植環(huán)境 監(jiān)控系統(tǒng) 物聯網 丟包率 中圖分類號 S625 5 1 文獻標識碼 A 文章編號 1003 188X 2022 06 0209 05 0 引言 當前 我國的農作物種植需求日益增多 為全年 保證一定的供應量 各地興起的溫室農業(yè)種植模式越 來越受歡迎 如何高效地管理溫室農作物的種植與 生長 直至最終的高質量農產品輸出 成為業(yè)內人士 關注的焦點 經查閱文獻與實際調查可知 我國的溫 室種植環(huán)境監(jiān)控涉及參數已從最初的溫度控制發(fā)展 為空氣濕度 二氧化碳濃度及土壤養(yǎng)分控制等多項影 響農產品生長的參數 監(jiān)測技術也從單一的無線傳輸 擴展到融入 ZigBee 技術 A M 技術及 Version2 服務 系統(tǒng)等 為此 筆者擬從進一步提高溫室種植環(huán)境監(jiān) 控系統(tǒng)的作業(yè)性能角度出發(fā) 利用物聯網智能平臺的 全面感知 高效傳輸等優(yōu)點展開深入探究 1 溫室農業(yè)種植概述 良好的溫室農業(yè)種植環(huán)境對于農作物的生長與 產量影響至關重要 其監(jiān)測目標為 依據農作物生長 特點 并參考溫室種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的主要技術參數 閾值設置 見表 1 進行系統(tǒng)監(jiān)測的核心參數設定 當 數據參數超出閾值時及時發(fā)出報警信息并開啟調控 動作 一般而言 溫室農業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要由各 類參數的傳感 采集 協調及調控等步驟組成 圖 1 收稿日期 2020 06 22 基金項目 廣西高校中青年教師基礎能力提升項目 2018KY0745 通訊作者 沈藝敏 1985 男 江西贛州人 副教授 E mail jg9t7jm 163 com 為某地區(qū)溫室農業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的架構設計 其中 感知層負責對土壤濕度 空氣溫濕度 光照強度 等數據的多通道采集 經網關系統(tǒng)布置下的匯聚層處 理后 傳送至網絡層 實現數據信息的深度協調 到達 物聯網的應用層 服務器通過指令收發(fā)及數據庫后臺 運作 從而實現智能化監(jiān)控 表 1 溫室農業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的主要技術參數閾值設置 Table 1 Setting of main technical parameters threshold value of greenhouse agricultural planting environment monitoring system 參數名稱 參數值 溫室作物生長狀況 溫度控制閾值 T 10 光合作用減弱 10 T 32 5 光合作用速率最大 32 5 T 40 光合作用速率降低 T 40 光合作用減弱 空氣相對濕度 H H 20 果實生長速度降低 20 H 80 果實健康發(fā)育 H 80 容易誘發(fā)病蟲害 2 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計 2 1 數學模型建立 根據溫室農業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的作業(yè)形成機 理與各模塊組成 以功能需求為切入點 分別對各層 級展開建模 感知層計算并設計出參數協調控制器 與各傳感節(jié)點的坐標布置關系 應用層準確獲取溫室 監(jiān)控參數值進行分類決策判定 針對網絡層進行兩級 融合 建立基于物聯網的參數監(jiān)測數學模型為 902 2022 年 6 月 農 機 化 研 究 第 6 期 DOI 10 13427 ki njyi 2022 06 036 y W T X b P SoftMax W T wide x x W T deep a b 1 式中 X 溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采集數據特征向量 x 溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采集數據原始特征 W 溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)模型參數 a 溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)模型預估變量 b 溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)模型偏置 y 溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)寬神經網絡輸出 P 溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)模型數據融合終值 SoftMax 溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)多分類函數 W wide 溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)模型寬神經網絡 權重 W deep 溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)模型深神經網絡 權重 x 監(jiān)控系統(tǒng)采集數據原始特征的交叉乘 積轉換 為精準 迅速追蹤溫室農業(yè)種植環(huán)境的各項監(jiān)控 參數變化 獲取基于物聯網的溫室種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng) 數據流過程 如圖 2 所示 空氣溫濕度 土壤濕度等 數據特征在經特征處理后由各分節(jié)點匯聚至中心節(jié) 點 導入初步數據融合模型進行處理后結果輸出 各 模塊再次融合后在物聯網監(jiān)控管理平臺終端顯示 此過程采用 AGCP 通訊協議 參數依次按照單變量命 名 控制命令分配 傳感器功能參數設定及復雜設備 通信協議擴展等方式 實現各層級間的數據信息傳遞 圖 1 溫室農業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)架構設計簡圖 Fig 1 Framework design of greenhouse agricultural planting environment monitoring system 圖 2 基于物聯網的溫室種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)數據流過程 Fig 2 Data flow process of greenhouse planting environment monitoring system based on Internet of things 2 2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計 利用 Qt 應用平臺針對其監(jiān)控系統(tǒng)展開軟件設計 將系統(tǒng)分解為系統(tǒng)總控 監(jiān)控模塊 硬件配置 網絡配 置 用戶管理 5 個模塊 可得到基于物聯網的溫室種 植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)軟件布置 如圖 3 所示 圖 3 基于物聯網的溫室種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)軟件布置簡圖 Fig 3 Software layout of greenhouse planting environment monitoring system based on Internet of things 012 2022 年 6 月 農 機 化 研 究 第 6 期 其主要工作涉?zhèn)鞲袛祿绦?網關應用程序 收 發(fā)處理程序 SQL 數據庫及控制系統(tǒng)程序等 且嵌入 式的控制系統(tǒng)是實現基于物聯網技術數據獲取 程序 解析 數據監(jiān)測 數據存儲的關鍵 在溫室農作物的生長特征與環(huán)境歷史數據庫的 對比下 列出基于物聯網的溫室農業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系 統(tǒng)軟件程序主要功能語句命名 見表 2 進行系統(tǒng)各 模塊的軟件控制程序輸入 此處給出各節(jié)點數據信 息采集與端口信息收發(fā)的主要程序代碼 void main int tempara int data char s 32 UINT8 adc0 value 2 CS MB LOW status SPI2 WByte regaddr SPI2 WByte data return 表 2 基于物聯網的溫室農業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng) 軟件程序主要功能語句命名 Table 2 Main function sentence naming of greenhouse agricultural planting environment monitoring system software program based on Internet of things 語句名稱 字段名 類型及長度 主鍵判定 Y N record 時間 date time Y 溫度 int 11 Y 濕度 int 11 Y 光照強度 int 11 N sensor ID int Y timestamp date time N data var char15 Y switch switch change 時間 date time N 水閥 var char13 Y 窗戶 var char13 Y 2 3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置 基于物聯網的溫室種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要劃分 為溫室環(huán)境監(jiān)測傳感器節(jié)點模塊 監(jiān)測系統(tǒng)無線路由 節(jié)點模塊 無線網關通信模塊 監(jiān)測系統(tǒng)中心控制模 塊及各執(zhí)行模塊 如圖 4 所示 其中 傳感器節(jié)點模 塊與路由模塊選擇 STM8S 系列的變送器 無線通信模 塊則選擇抗干擾能力較強的 E32TTL 系列 還配備 SWIM 調試接口及系統(tǒng)故障檢測報警裝置等 圖 4 基于物聯網的溫室種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要硬件組成 Fig 4 Main hardware components of greenhouse planting environment monitoring system based on Internet of things 設計參數傳感與數據采集的主控制電路 進行各 功能參數的傳感器選型 配置 DHT21 系列的溫濕度檢 測模塊 選用 A M cortex 處理器 確保適宜的頻率傳 輸范圍 選擇 VS200 系列的網絡擴展板 以六通道的 數據采集方式采取復位 讀取 修正 輸出的步驟 確 保各數據在標準的傳輸轉換流程下進行 實現系統(tǒng)監(jiān) 測數據完整實時傳送 3 基于物聯網的環(huán)境監(jiān)控試驗 3 1 條件設置 依據基于物聯網控制的溫室農業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控 系統(tǒng)的軟硬件架構設計 確保系統(tǒng)的監(jiān)控環(huán)境 終端 設備 上位機控制等各功能測試通過后 在 15m 25m 的農業(yè)種植溫室內 設定關鍵參數監(jiān)控節(jié)點與衡量指 標 包括光敏傳感器 溫濕度傳感模塊 二氧化碳濃度 測量模塊及溫室排氣 施灌開關等 展開溫室環(huán)境監(jiān) 控試驗 并符合以下要求 保證系統(tǒng)硬件各監(jiān)測數 據傳輸穩(wěn)定 線路連接正確 確保系統(tǒng)具備數據采 集裝置運輸處理與實時顯示功能 確保各項試驗數 112 2022 年 6 月 農 機 化 研 究 第 6 期 據的記錄清晰 完整 具有分析價值等 3 2 過程分析 在物聯網平臺下 選取溫室內分布的 6 個無線傳 感節(jié)點 設置節(jié)點的數據發(fā)送包個數分別為 1000 和 1500 進行數據接收結果記錄 得到基于物聯網的溫 室農業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)參數測試數據統(tǒng)計 如表 3 所示 由表 3 可知 物聯網技術應用后 溫室環(huán)境監(jiān) 控系統(tǒng)的數據丟包率可控制在 0 70 以下 其中 當 發(fā)送 包 數 為 1000 時 相應的數據丟包率均值為 0 57 當發(fā)送包數為 1500 時 相應的數據丟包率均 值為 0 44 由此有效提高了各環(huán)境監(jiān)控因子數據 傳輸的準確性 表 3 基于物聯網的溫室農業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)參數測試數據統(tǒng)計 Table 3 Parameter test data of greenhouse agricultural planting environment monitoring system based on Internet of things 傳感節(jié)點 序號 數據發(fā)送 包數 數據接收 包數 數據丟包率 1 1000 993 0 70 2 1000 994 0 60 3 1000 996 0 40 4 1500 1492 0 53 5 1500 1495 0 33 6 1500 1493 0 47 進一步選定溫室農業(yè)種植過程中影響作物生長 狀況的溫室空氣溫度 空氣相對濕度 種植土壤濕度 二氧化碳濃度與系統(tǒng)監(jiān)測穩(wěn)定率作為關鍵參數進行 衡量 監(jiān)測數據進行分類轉換 以每 20 個數據為 1 組 得到物聯網技術應用下的農業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控試驗 關鍵參數評價對比結果 如表 4 所示 表 4 物聯網技術應用下的農業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控試驗關鍵參數評價 Table 4 Key parameters evaluation of greenhouse agricultural planting environment monitoring test under the application of Internet of things technology 評價 參數 溫室空氣 溫度 空氣 相對濕度 H 種植土壤 濕度 二氧化碳 濃度 10 6 系統(tǒng)監(jiān)測 穩(wěn)定性 實地平均 監(jiān)測值 20 90 53 90 72 30 625 88 23 系統(tǒng)平均 監(jiān)測值 21 20 54 03 73 80 617 93 50 誤差 1 44 2 41 2 07 1 28 5 27 由表 4 可知 物聯網技術應用于系統(tǒng)監(jiān)控 空氣 溫度系統(tǒng)監(jiān)測值與實地測得值之間的相對誤差為 1 44 空氣相對濕度系統(tǒng)監(jiān)測值與實地測得值之間 的相對誤差為 2 41 種植土壤濕度系統(tǒng)監(jiān)測值與實 地測得值之間的相對誤差為 2 07 系統(tǒng)監(jiān)測穩(wěn)定性 由原來的 88 23 提高至 93 50 溫室環(huán)境的整體 監(jiān)控效率得到顯著提高 試驗效果良好 4 結論 1 以農業(yè)物聯網技術應用平臺為核心引領點 以 滿足溫室農業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控的功能需求為目標 針對 物聯網各層級進行設計 采用數據的多融合算法 建 立了適用于農業(yè)種植環(huán)境參數監(jiān)控的數學控制模型 2 充分考慮農業(yè)種植溫室內各環(huán)境因子的特性 及對農作物生長的影響 針對整體監(jiān)控系統(tǒng)進行符合 實際的軟件規(guī)劃與硬件配置 形成完整的基于物聯網 的溫室農業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng) 可滿足就地和遠程的 實時監(jiān)控需求與操作管理 3 該理念下的監(jiān)控系統(tǒng)設計合理 系統(tǒng)監(jiān)測各項 參數的穩(wěn)定性與整體監(jiān)控效率較好 可助力我國溫室 設施農業(yè)的發(fā)展提升 具有一定的推廣價值 參考文獻 1 郭建軍 林麗君 陳紅斌 等 基于 互聯網 的溫室大棚 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) J 南方農業(yè) 2019 29 13 171 172 2 韋鑒峰 呂恩利 王飛仁 等 溫室環(huán)境監(jiān)測機器人路徑跟 蹤算法與試驗 J 農機化研究 2019 41 8 7 14 3 曹亮 孫聰 史志明 等 基于物聯網的農業(yè)設施群環(huán)境監(jiān) 控系統(tǒng) J 農機化研究 2019 41 11 225 228 4 張傳帥 張?zhí)祢?張漫 等 基于 WSN 的溫室環(huán)境信息遠 程監(jiān)測系統(tǒng) J 中國農業(yè)大學學報 2014 19 5 168 173 5 馬為紅 吳華瑞 孫想 等 基于無線傳輸的溫室環(huán)境智能 監(jiān)測與報警系統(tǒng) J 農機化研究 2014 36 11 188 194 6 孫康 王靜秋 冷晟 等 基于物聯網的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng) J 測控技術 2019 38 9 118 121 7 吳澤全 東忠閣 劉立強 基于物聯網的水田無線監(jiān)控系 統(tǒng)設計 J 農機化研究 2018 40 3 65 69 8 樊艷英 張自敏 陳冠萍 等 基于物聯網的精準農業(yè)玉米 長勢監(jiān)測分析系統(tǒng)研究 J 農機化研究 2018 40 8 223 227 9 翟浩霖 單潔 基于窄帶物聯網的智能溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) 設計 J 無線互聯科技 2019 16 20 157 158 10 趙巧 基于物聯網的農作物試驗基地監(jiān)控管理系統(tǒng)設計 J 農機化研究 2019 41 1 222 225 11 朱敏 基于 LO A 技術的智慧溫室監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實 現 J 電子測試 2019 12 67 68 48 212 2022 年 6 月 農 機 化 研 究 第 6 期 12 曹俊 基于物聯網的大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究 J 農機化 研究 2019 41 12 212 215 13 邵斌 基于物聯網的農田環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計方法 J 農 機化研究 2020 42 2 194 198 204 14 屈毅 王雪俠 史晶 基于物聯網技術的溫室智能監(jiān)測系 統(tǒng)的應用研究 J 電子設計工程 2015 23 13 79 81 15 高浩天 朱森林 常歌 等 基于農業(yè)物聯網的智能溫室 系統(tǒng)架構與實現 J 農機化研究 2018 40 1 183 188 16 黎貞發(fā) 王鐵 宮志宏 等 基于物聯網的日光溫室低溫 災害監(jiān)測預警技術及應用 J 農業(yè)工程學報 2013 4 229 236 17 張娓娓 袁路路 基于遺傳優(yōu)化模糊 PID 算法的溫室智 能控制系統(tǒng)研究 J 農機化研究 2017 39 7 209 213 18 孫耀杰 蔡昱 張馨 等 基于 WDNN 的溫室多特征數據 融合方法研究 J 農業(yè)機械學報 2019 50 2 273 280 296 esearch on the Monitoring System of Greenhouse Agricultural Planting Environment Based on Internet of Things Shen Yimin Nanning University Nanning 530200 China Abstract In order to effectively improve the intelligent and accurate level of greenhouse agricultural planting environment monitoring system in China the monitoring system was designed based on the application platform of the agricultural In ternet of Things Taking the functional requirements of greenhouse agriculture as the starting point adopting the method of conception and integration of all levels of the Internet of things a mathematical model of parameter monitoring based on the Internet of things was established and the complete monitoring system was constructed from the two dimensions of software design and hardware configuration then the test was carried out which showed that the network data packet loss rate of the monitoring system could be controlled below 0 70 through the scientific integration of Internet of things tech nology the systematic monitoring value of key parameters such as greenhouse air temperature relative humidity and planting soil humidity had little error with the field measured value which could be controlled below 2 50 and the monitoring stability of the system could also be improved to more than 90 00 all of the above could meet the monito ring function requirements as a whole and improve the monitoring efficiency significantly It would be beneficial to further guide the deep optimization of the greenhouse agricultural planting and deep optimization of the facility agricultural equip ment Key words greenhouse agricultural planting environment agricultural Internet of Things packet loss rate 312 2022 年 6 月 農 機 化 研 究 第 6 期