基于物聯(lián)網(wǎng)的魚菜共生環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究

孫 劍，張 莉

（信陽農(nóng)林學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 信陽 464000）

0 引 言

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和技術(shù)革新，一種不同于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的新型復(fù)合耕作體系悄然興起——魚菜共生。魚菜共生系統(tǒng)通過巧妙的生態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將混有魚類排泄物的水抽取到無土環(huán)境的蔬菜根部，讓蔬菜在無土情況下充分吸收養(yǎng)分，同時(shí)起到凈化水體的作用，凈化后的水再流回魚池中，從而實(shí)現(xiàn)養(yǎng)魚不換水而無水質(zhì)憂患，種菜不施肥而正常成長的生態(tài)共生效應(yīng)。這種新型的生態(tài)農(nóng)業(yè)方式需對多種環(huán)境因素精密監(jiān)控，保證蔬菜、魚和微生物所構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)的平衡。

目前，大多數(shù)魚菜共生大棚管理系統(tǒng)還停留在人工觀測或基于有限通信。人工管理方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)全憑勞動(dòng)經(jīng)驗(yàn)，還不能保證生態(tài)系統(tǒng)一直處于最佳狀態(tài)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究日趨深入，如大田種植、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品物流等方面已有廣泛的研究應(yīng)用[1-3]。但針對魚菜共生環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究較少，精準(zhǔn)監(jiān)控環(huán)境參數(shù)是系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件，因此本文開展了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的魚菜共生環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究，對魚菜共生系統(tǒng)的部分參數(shù)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測，以保證植物、動(dòng)物、微生物的平衡，從而有效解放人工勞力，提高科學(xué)化管理水平，為生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該魚菜共生環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由信息感知、信息傳輸和信息處理三部分組成。系統(tǒng)首先通過多種傳感器感知環(huán)境參數(shù)，如空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、魚池水溫、水溶氧量、pH值等信息，再利用農(nóng)業(yè)信息傳輸技術(shù)中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信息傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。ZigBee技術(shù)是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸技術(shù)中研究最深入、應(yīng)用最廣泛的一種雙向無線通信技術(shù)，具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、高可靠性、高安全性等特點(diǎn)。GPRS網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)糾錯(cuò)能力，能夠保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性。結(jié)合兩種技術(shù)傳輸感知信息，該系統(tǒng)廣域網(wǎng)采用GPRS技術(shù)通信，局域網(wǎng)采用ZigBee無線短距離通信。最終在監(jiān)測中心進(jìn)行信息處理，發(fā)出監(jiān)測結(jié)果。魚菜共生環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 魚菜共生環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)

2.1 信息感知模塊

針對魚菜共生系統(tǒng)的生長環(huán)境，確定大棚的空氣溫濕度、光照強(qiáng)度，魚池水溫、水溶氧量、pH值等需要監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)范圍。魚菜共生溫室大棚占地約半畝，要準(zhǔn)確監(jiān)測環(huán)境參數(shù)需大量傳感器節(jié)點(diǎn)，且傳感器節(jié)點(diǎn)要分布在不同的區(qū)域，利用傳感器節(jié)點(diǎn)采集魚菜共生系統(tǒng)內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)信息。將傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)在大棚或溫室中，傳感器節(jié)點(diǎn)上配備溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器等，節(jié)點(diǎn)通過ZigBee模塊進(jìn)行自組網(wǎng)，各節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)作，除了對信息數(shù)據(jù)收集和處理外，還可轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，各節(jié)點(diǎn)共同完成監(jiān)測任務(wù)。

傳感器節(jié)點(diǎn)作為信息感知模塊的重要組成部分之一，其監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響最終的狀態(tài)判斷。傳感器節(jié)點(diǎn)由ZigBee無線通信芯片CC2430、射頻天線RF、電源模塊和晶振電路組成，負(fù)責(zé)室內(nèi)生態(tài)環(huán)境信息的采集，感知環(huán)境變化，完成大棚內(nèi)環(huán)境信息的采集并將采集到的信號轉(zhuǎn)化為射頻信號發(fā)送到ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中[4,5]。

2.2 信息傳輸模塊

通過 ZigBee短程無線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)交?，?jīng)封裝后通過GPRS無線通信方式發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。擬采用容錯(cuò)性較好的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓，因此該結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的魯棒性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)著魚菜共生系統(tǒng)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)各類傳感器數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行裝置控制的任務(wù)[6]。采用無線傳輸方式可有效解決有線通信方式存在的難以擴(kuò)展、難以升級等問題，能同時(shí)監(jiān)測大棚環(huán)境和魚池水質(zhì)環(huán)境指標(biāo)。

2.3 信息處理模塊

監(jiān)控中心依據(jù)接收到的信息與之前設(shè)定的參數(shù)區(qū)間進(jìn)行比較，一旦超出參數(shù)設(shè)定范圍，便報(bào)警提示，研究人員通過遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可實(shí)時(shí)掌握魚菜共生系統(tǒng)的環(huán)境狀態(tài)信息。該監(jiān)測系統(tǒng)將為用戶監(jiān)測魚菜共生系統(tǒng)的各種環(huán)境參數(shù)，為實(shí)時(shí)保持系統(tǒng)生態(tài)平衡提供數(shù)據(jù)支持。

隨著智能手機(jī)的迅速普及，將智能手機(jī)作為監(jiān)控終端十分便利。本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一款基于Android系統(tǒng)的手機(jī)APP軟件，包含魚菜共生系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊和智能報(bào)警模塊，可根據(jù)具體環(huán)境設(shè)置環(huán)境參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)范圍。魚菜共生系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊通過手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)的變化，掌握環(huán)境的變化狀態(tài)，并通過查看歷史參數(shù)的變化及時(shí)掌握作物生長狀況。一旦超出該標(biāo)準(zhǔn)范圍，智能報(bào)警模塊可以通過手機(jī)短信、系統(tǒng)消息等方式提醒用戶環(huán)境參數(shù)異常，甚至根據(jù)偏差的大小給出解決方案。用戶通過手機(jī)終端實(shí)時(shí)監(jiān)測魚菜共生系統(tǒng)的環(huán)境狀態(tài)，為魚菜共生系統(tǒng)的科學(xué)管理提供幫助。

3 系統(tǒng)功能分析

運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測影響魚菜共生的大棚溫濕度、光照強(qiáng)度、水質(zhì)指標(biāo)和環(huán)境質(zhì)量的變化，為提高大棚管理水平、提高魚蔬品質(zhì)和產(chǎn)量等提供基礎(chǔ)信息，為生產(chǎn)綠色無公害蔬菜提供有力保障。監(jiān)測中心對無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析和處理，最后呈現(xiàn)給監(jiān)測人員，實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息自動(dòng)化、智能化管理，提高對環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)測、報(bào)警、預(yù)警能力。因此，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對上述環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)測，并充分利用智能化農(nóng)業(yè)信息技術(shù)，加快農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用，對促進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié) 語

隨著農(nóng)業(yè)信息化的加速推進(jìn)，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛應(yīng)用，前景可觀。人們對于綠色有機(jī)蔬菜的需求與日俱增，魚菜共生系統(tǒng)也正向小型化方向發(fā)展，未來有望走進(jìn)尋常百姓家中。大力推廣基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的魚菜共生環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，利用該監(jiān)測技術(shù)為用戶監(jiān)測魚菜共生系統(tǒng)的各種環(huán)境參數(shù)提供數(shù)據(jù)支持，實(shí)時(shí)保持系統(tǒng)生態(tài)平衡，將有效降低人工成本，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位監(jiān)控，使用戶真正做到足不出戶遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)為不懂魚菜共生技術(shù)的用戶帶來方便，對于魚菜共生技術(shù)的推廣起推動(dòng)作用。

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