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摘要：為了提高現代農業科技水平，促進設施農業大棚農作物生長過程的智能化和信息化管理，本文設計了一種基于無線通信技術的智能監控系統，利用RS-485和GPRS網絡實現大棚內溫濕度、光照度以及CO2濃度等環境參數的監測，并將監測數據送到終端服務器，實現自動調節大棚內環境參數以提高農作物的生長質量。應用結果表明，該智能監控系統不僅監測精度較高，控制響應速度快，而且長時間運行可靠，用戶操作方便。
關鍵詞：農業大棚；監控系統；環境參數；GPRS網絡
0引言
隨著我國人口的增長以及人們對生活水平追求的提高，蔬菜的需求量逐年增加，特別是冬季，常出現供不應求[1]。由于溫室大棚不受外界氣候以及地域等因素的制約，是未來農作物種植的發展趨勢，特別是蔬菜種植，對農業生產的現代化具有重要意義。大棚內的溫濕度、CO2濃度以及光照度等環境參數是影響農作物生長的主要因素[2]，而目前的大棚農作物種植主要依賴人為感知環境參數而進行調節，調節精確不高，不利于農作物的健康生長，影響農產品的品質。隨著網絡技術的發展，物聯網技術在農業生產中的應用前景較好，實現設施農業大棚監控顯得非常必要。目前，我國農業大棚作物生長管理主要仍是以人工為主，不僅工作量，而且生產管理過程中不夠精確。已有的監控系統也是以就地控制為主，不僅控制模式簡單，且控制的實時性也較差，無法實現遠程終端集中控制。本文結合物聯網技術[3]，設計了大棚智能監控系統，完成大棚內農作物生長的遠程終端無線監控，實現大棚農作物生長的智能化和信息化管理，以期提高設施農業大棚農作物生產的效率和農產品的品質。
1系統工作原理及構成
本文設計的大棚智能監控系統主要包括三個模塊：現場數據采集與執行機構控制（感知層）、無線數據傳輸（傳輸層）以及服務器數據儲存與應用（應用層）。完成了對數據的自動采集、遠程無線傳輸、儲存和分析處理等功能，實現對大棚農作物生長的遠程診斷和自動管理。感知層是由大棚內傳感器、RS-485總線以及控制設備組成，主要用于將大棚內的溫濕度、光照度以及CO2濃度等通過RS-485總線傳輸至智能網關，同時大棚內的執行機構根據監控中心發來的指令實現對控制設備的直接控制。傳輸層通過將無線通信技術與互聯網、現場總線等多種數據通信方式進行協同合作，實現農業生產現場數據信息和信息應用層控制命令實時準確地傳輸與交互，最大限度保證通信信息的實時性與準確性。應用層能夠完成農作物生長過程的健康狀況管理和農作物生產的環境管理。通過對農作物各階段的生產數據綜合分析處理，大棚管理著就可以對各階段生產進行精細化控制、管理。同時，對整個生產過程的所有信息進行存儲劃分，為后續的生產管理提供有效決策支撐依據。通過感知層、傳輸層以及應用層，可將多種形式的傳感器設備植入到農業大棚作物生產環境中，通過傳感檢測實體與信息網絡的結合，將采集到的數據進行綜合分析處理，實現農業大棚生產的管理與控制，達到對農業大棚的智能監控。
2系統硬件設計
大棚智能控制系統的硬件設計應遵循功能模塊化、接口標準化和器件通用化的原則。本文設計的硬件包括現場數據采集單元、現場控制單元、數據傳輸單元以及終端監控中心等。
2.1控制器
控制器的核心是微處理器，本文提出采用Cortex－M3內核的STM32F103系列微處理器，為嵌入式工作方式，給MCU提供低成本的平臺且系統功耗低。該處理器的工作頻率為72MHz，且具有豐富的外部接口和存儲單元，可滿足大棚智能控制系統的功能需求。
2.2GPRS模塊本文采用
SIM800AGPRS模塊實現大棚智能監控系統的無線傳輸數據功能，該模塊技術成熟且穩定性好，內部嵌入強大的TCP/IP協議棧。SIM800A的傳輸速率范圍在1200-115200b/s之間。
3系統軟件開發
本文利用C語言環境下完成了大棚智能監控系統的軟件開發，軟件部分主要包括數據采集模塊、485通信模塊、GPRS通信模塊以及上位機監控。該智能監控系統包括了棚內環境參數的自動監測及控制設備的自動開閉流程，總體流程如圖5所示。
3.1485通信模塊
程序啟動后，首先初始化RS-485通信端口，初始化后判斷是否有數據接收和發送，有接收請求時讀取并進行數據處理，有發送請求時將數據送入發送緩沖區，啟動數據發送。用戶則根據數據幀中的識別符，將對應的數據轉移到發送緩沖區，然后將此報文的編碼寫入命令，啟動發送。
3.2GPRS通信模塊
首先要對GPRS模塊進行初始化，然后模塊將接收的數據自動打包成TCP數據包，通過指定的IP將數據通過GPRS網絡發送出去，遠程到上位機監控軟件的偵聽端口。
3.3上位機
上位機監控程序采用組態王組態軟件完成，利用Windows的圖形編輯功能，方便地構成監控畫面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利地生成各種報表。監控畫面可以反映測定的大棚實時數據和控制設備的運行狀態，達到了遠程監控的功能，同時方便對大棚內歷史數據的分析。
4系統應用效果
試驗選擇在包頭市農業科學研究所一溫室大棚進行。該溫室大棚共有八個苗床，其中并行放置的兩個苗床為一組進行，故選擇在四組苗床的中心位置測試，即分別在設置傳感器采集溫濕度、光照度以及CO2濃度。時間為上午10:00，大棚內作物均為番茄。遠程傳輸的數據精度較高，能夠實現對溫室大棚環境參數的實時監測。接下來給出了上位機遠程監控界面，具體如圖7所示。
5結束語
本文設計的設施農業大棚智能監控系統在包頭市農業科學研究所得到了應用，經過長時間的應用表明，該系統監測數據精度高，控制響應速度快，操作方便，實用性強，對推動農業生產智能化水平具有重要作用，應用前景較好。
參考文獻：
[1]張猛，房俊龍，韓雨.基于ZigBee和Internet的溫室群環境遠程監控系統設計[J].農業工程學報，2013，S1：171-176.
[2]熊松.基于物聯網技術的農業大棚智能管理研究[J].天津科技，2017，44（6）：78-80.
[3]劉海泉，楊盛泉，黃姝娟，等.基于物聯網技術的溫室大棚測量與控制系統的設計[J].價值工程，2017，6：108-110.
作者:亢嵐 吳振奎 張繼紅 單位:內蒙古科技大學礦業與煤炭學院 內蒙古科技大學信息工程學院
