基于多數(shù)據(jù)融合的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控研究

張博航，崔 巍，任新成，雷靜銳，趙人熳

(延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，陜西延安716000)

溫室大棚是當(dāng)今我國(guó)農(nóng)業(yè)模擬生物生長(zhǎng)的一種有效措施[1]，通過大棚對(duì)部分植物的養(yǎng)殖能夠很好克服不同地理環(huán)境對(duì)生物生長(zhǎng)的限制，能使不同的農(nóng)作物在非適應(yīng)地區(qū)中進(jìn)行養(yǎng)殖，減輕了自然條件對(duì)農(nóng)作物養(yǎng)殖的影響。經(jīng)調(diào)查，目前大棚內(nèi)多參數(shù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)智能設(shè)備開發(fā)周期較長(zhǎng)，開發(fā)成本也十分昂貴，市面上的大多數(shù)大棚智能化設(shè)備價(jià)格太高。陜北地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)處于落后水平，更是無法做到普及應(yīng)用。因此研究一種適用于陜北農(nóng)業(yè)大棚的大數(shù)據(jù)云管理平臺(tái)十分迫切，進(jìn)一步降低裝置使用成本，為陜北農(nóng)業(yè)大棚智能化的普及做出研究基礎(chǔ)[2]。

本研究針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有溫室大棚監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)存在的監(jiān)測(cè)環(huán)境變量較單一、實(shí)時(shí)性差、成本高等問題所研究出了基于多數(shù)據(jù)融合的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[3]。利用各類傳感器進(jìn)行多參數(shù)數(shù)據(jù)采集、物聯(lián)網(wǎng)通信、無線組網(wǎng)通信以及云平臺(tái)儲(chǔ)存技術(shù)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)多參數(shù)的準(zhǔn)確采集、數(shù)據(jù)的通信以及云平臺(tái)的數(shù)據(jù)顯示，提高設(shè)備智能化的同時(shí)，進(jìn)一步降低成本、增加采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，設(shè)定預(yù)提示報(bào)警措施。應(yīng)用于陜北等經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)的農(nóng)業(yè)大棚中，實(shí)現(xiàn)了種植的科學(xué)化與智能化管理，使大棚內(nèi)作物始終保持適宜生長(zhǎng)的環(huán)境。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由多參數(shù)數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)收發(fā)模塊兩部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊包括主控模塊、傳感器模塊、無線傳輸模塊和顯示模塊構(gòu)成[4]。為了提高農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在一個(gè)大棚內(nèi)使用五組傳感器模塊對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。其中主控模塊MCU采用低功耗MSP430G2553單片機(jī)，傳感器模塊包括DHT11溫濕度傳感器、MH-Z14A CO2濃度傳感器和土壤濕度傳感器。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊以STM32單片機(jī)為控制芯片，近距無線傳輸模塊采用低功耗ZigBee，來實(shí)現(xiàn)收發(fā)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集模塊之間的數(shù)據(jù)交互功能[5]。超遠(yuǎn)距無線傳輸采用基于Air720多網(wǎng)絡(luò)制式的4G-LTE通信模塊。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集模塊所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端的功能，最后通過云平臺(tái)將所交互的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合并在PC端或手機(jī)端進(jìn)行訪問。其系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要通過各類傳感器模塊采集外部環(huán)境參數(shù)，后由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理融合。溫濕度采集模塊采用DHT11傳感器，所采集到的信號(hào)先經(jīng)過DHT11自帶的A/D模塊轉(zhuǎn)換后將信號(hào)通過DATA數(shù)據(jù)口傳輸給單片機(jī)MSP430G2553，DATA數(shù)據(jù)口與單片機(jī)P1.3相連接。CO2濃度采集模塊采用MH-Z14A紅外CO2傳感器，利用非色散紅外(NDIR)原理對(duì)空氣中存在的CO2分子進(jìn)行采集，通過DAC端口與單片機(jī)P1.0端口相連。土壤濕度采集模塊采用LM393比較器連接土壤濕度監(jiān)測(cè)探頭，后由比較器的基極U3、U4向單片機(jī)P1.6、P1.7端口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成土壤濕度數(shù)據(jù)采集[6]。最后通過系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)由MSP430G2553控制系統(tǒng)對(duì)各個(gè)端口所采集數(shù)據(jù)的進(jìn)行整合與處理完成多數(shù)據(jù)采集，并將處理好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至外部?jī)?chǔ)存Flash中。

2.2 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊采用STM32單片機(jī)來控制無線傳輸，STM32控制ZigBee模塊來讀取外部?jī)?chǔ)存Flash中參數(shù)采集電路所采集的數(shù)據(jù)信息，后通過4G模塊將信息發(fā)送至云端[7]。通過STM32單片機(jī)的P1.2端口將讀取數(shù)據(jù)請(qǐng)求發(fā)送至ZigBee模塊的RX端口，請(qǐng)求成功后由ZigBee模塊向外部?jī)?chǔ)存Flash讀取數(shù)據(jù)并通過TX端口將數(shù)據(jù)反饋至STM32。STM32單片機(jī)整合數(shù)據(jù)有效之后，利用4G模塊發(fā)送至云平臺(tái)。系統(tǒng)總體電路圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分需要完成數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存以及數(shù)據(jù)信息傳輸，這三部分需要在系統(tǒng)軟件管理下協(xié)同進(jìn)行。本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)原則，分為采集模塊、儲(chǔ)存模塊、傳輸模塊[8]。首先對(duì)各模塊進(jìn)行接口初始化、外部?jī)?chǔ)存Flash初始化，其次分別啟用各采集模塊使其進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)各類傳感器檢測(cè)到有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)入正常采集子程序，開始對(duì)每個(gè)通道檢測(cè)是否有對(duì)應(yīng)信號(hào)。如果被觸發(fā)則將該信號(hào)狀態(tài)及相應(yīng)時(shí)間信息寫進(jìn)外存儲(chǔ)器Flash，如果沒有被觸發(fā)則繼續(xù)循環(huán)檢測(cè)直到檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)為止。數(shù)據(jù)采集部分軟件設(shè)計(jì)的主程序流圖如圖3所示。

3.2 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊以控制器STM32單片機(jī)、ZigBee模塊和4G模塊組成，本部分需要完成數(shù)據(jù)的接收、儲(chǔ)存以及發(fā)送至云平臺(tái)[9]。首先對(duì)各模塊進(jìn)行接口初始化，進(jìn)一步調(diào)用無線傳輸模塊將Flash內(nèi)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)中，然后分別啟用各接收模塊判斷其是否接收到由數(shù)據(jù)采集部分發(fā)送的數(shù)據(jù)，如接收到數(shù)據(jù)則發(fā)送至云端進(jìn)行存儲(chǔ)及分析，如未接收到數(shù)據(jù)則循環(huán)檢測(cè)。數(shù)據(jù)收發(fā)模塊軟件流程圖如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集部分流程圖

圖4 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊程序流程圖

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的功能以及使用狀況，本設(shè)計(jì)選用在綏德縣石家灣鎮(zhèn)芝麻密小瓜種植基地大棚內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)性能測(cè)試。本次測(cè)試放置5個(gè)采集模塊對(duì)大棚內(nèi)形成全方位的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，驗(yàn)證采集環(huán)境參數(shù)，以及檢測(cè)云平臺(tái)顯示情況。由于條件有限，沒有高精度檢測(cè)校準(zhǔn)設(shè)備，無法對(duì)設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差率計(jì)算。但是為了分析系統(tǒng)合理性與實(shí)時(shí)性，利用中午太陽(yáng)光照時(shí)(15時(shí))以及太陽(yáng)落下后(18時(shí))為主要時(shí)間檢測(cè)點(diǎn)。測(cè)試時(shí)間為11月中旬，當(dāng)天大棚外環(huán)境溫度7度、濕度25，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)在太陽(yáng)落下以后，隨著植物進(jìn)行光合作用二氧化碳濃度減少，大棚環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和土壤濕度降低。這時(shí)候應(yīng)該展開大棚保溫棉被，保持大棚內(nèi)溫度、環(huán)境濕度和土壤濕度以及二氧化碳濃度的提高。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明系統(tǒng)可以有效監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性高。

表1 檢測(cè)數(shù)據(jù)表

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于物聯(lián)網(wǎng)思想，采用多數(shù)據(jù)融合采集技術(shù)、無線通信技術(shù)、云平臺(tái)儲(chǔ)存技術(shù)等，利用數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)收發(fā)相結(jié)合方式設(shè)計(jì)了一種基于多數(shù)據(jù)融合的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。針對(duì)陜北農(nóng)業(yè)大棚中智能化設(shè)備的普及率低，以保證有用數(shù)據(jù)檢測(cè)的同時(shí)進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)、降低成本，能有效地改善農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境以及提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，促進(jìn)陜北農(nóng)業(yè)大棚走向智能化的道路。