農(nóng)業(yè)氣候監(jiān)測及智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 波,王 玉

(西安交通工程學(xué)院,西安 723300)

在農(nóng)業(yè)種植及監(jiān)測中,氣候和環(huán)境是影響產(chǎn)能的關(guān)鍵因素。利用太陽能物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù),設(shè)計(jì)了一款農(nóng)業(yè)氣候監(jiān)測及智能控制系統(tǒng),為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)支持。農(nóng)業(yè)氣候監(jiān)測及智能控制系統(tǒng)采用上機(jī)位與下機(jī)位相結(jié)合的方式監(jiān)測農(nóng)業(yè)氣候,收集CO2體積分?jǐn)?shù)等參數(shù),通過無線方式傳送給主機(jī),主機(jī)利用軟件將收集的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行對比分析、計(jì)算,向控制系統(tǒng)發(fā)送指令,從而提供適宜農(nóng)作物生長的環(huán)境[1]。

氣候監(jiān)測及智能控制系統(tǒng)采用單片機(jī)控制,完成對溫濕度等參數(shù)的控制、顯示、傳輸。傳感器用于監(jiān)測濕度、光照時長等參數(shù);單片機(jī)用于控制出水系統(tǒng),設(shè)定閾值后,根據(jù)監(jiān)測到的土壤濕度數(shù)據(jù),針對農(nóng)作物需水量進(jìn)行供水調(diào)節(jié)。若土壤濕度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于農(nóng)作物需水量,將控制智能水泵,改變灌溉時長與灌溉量,使土壤濕度、空氣溫度與空氣濕度始終保持在農(nóng)作物生長最適宜的區(qū)間內(nèi),令農(nóng)作物達(dá)到最高產(chǎn)量。

農(nóng)業(yè)氣候監(jiān)測及智能控制系統(tǒng)分為傳感網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)、智能控制中心及客戶端[2],流程主要為信息采集、數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)處理、智能反饋?？蛻舳嘶谛畔⑾到y(tǒng)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行控制操作。氣候監(jiān)測主要采用傳感器進(jìn)行信息獲取,包括與PM2.5、土壤、作物、空氣、光照、CO2等相關(guān)的信息。各個傳感器采集的數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器匯集,經(jīng)網(wǎng)關(guān)傳到服務(wù)器,服務(wù)器將反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行分類打包,推送到客戶端,客戶端與服務(wù)器連接,進(jìn)行繪圖顯示及智能控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物生長環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測及自動化控制,提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量[3]。該系統(tǒng)包括傳感器部署、數(shù)據(jù)采集與處理、智能控制與反饋等內(nèi)容,需保證系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、擴(kuò)展性,傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及實(shí)時性,提高自動化控制的精度及靈活性。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

傳感器數(shù)據(jù)采集。使用物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集數(shù)據(jù),這些傳感器分別安裝在不同位置,如天線塔、地面站及土壤探頭等。通過傳感器采集到的數(shù)據(jù)可實(shí)時了解當(dāng)前的氣象情況。

數(shù)據(jù)采集與處理。傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式發(fā)送到智能控制中心。智能控制中心負(fù)責(zé)接收、存儲及處理數(shù)據(jù)。

智能控制與反饋?；诜治雠c預(yù)測結(jié)果自動調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù),智能控制可根據(jù)實(shí)時環(huán)境及作物需求優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程,及時反饋信息給農(nóng)戶或操作人員。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)方面主要考慮數(shù)據(jù)處理、控制設(shè)計(jì)及用戶界面設(shè)計(jì)[4]。

數(shù)據(jù)處理。通過對歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時數(shù)據(jù)的比較分析,給出準(zhǔn)確的作物生長預(yù)測,監(jiān)測異常數(shù)據(jù),保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。

控制設(shè)計(jì)。系統(tǒng)使用多種算法,根據(jù)不同的氣象條件及作物需求自動調(diào)整設(shè)備工作狀態(tài),通過實(shí)時監(jiān)測及調(diào)整,降低能源消耗,提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。

用戶界面。用戶通過PC端或移動端訪問系統(tǒng),查看氣象數(shù)據(jù)、作物生長情況及設(shè)備狀態(tài)等信息,進(jìn)行控制操作,滿足不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。

2 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建立與數(shù)據(jù)獲取

該部分主要進(jìn)行傳感器布置與聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)?。設(shè)置傳感器時要考慮農(nóng)作物生長環(huán)境特點(diǎn)及需求,合理選擇傳感器類型及數(shù)量。采用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,通過無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

每個傳感器均分配獨(dú)立的ID序列號,進(jìn)行信息配置及代碼獲取,通過處理相應(yīng)的函數(shù)向系統(tǒng)發(fā)送信息,接收、發(fā)送底層的監(jiān)測數(shù)據(jù)。函數(shù)設(shè)計(jì)如下:

1)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。

importrequests

importjson

2)獲取數(shù)據(jù)。

defget_weather_data(api_key,location):

url=[]

response=requests.get(url)

ifresponse.status_code=200:

data=json.loads(response.text)

temperature=data[′current′][′temperature′]

humidity=data[′current′][′humidity′]

wind_speed=data[′current′][′windspeed′]

returntemperature,humidity,wind_speed

3)發(fā)送指令。

defsend_control_command(connection,command):

4)智能控制。

temperature,humidity,wind_speed=get_weather_data(api_key,location)

connection=connect_to_control_device(ip_address,port)

command=f″set_temperature{temperature}″

result=send_control_command(connection,command)

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示

農(nóng)業(yè)氣候監(jiān)測及智能控制系統(tǒng)可實(shí)時獲取農(nóng)業(yè)氣候信息,在客戶端顯示數(shù)據(jù)及變化趨勢,供用戶決策分析。用戶根據(jù)需求向物聯(lián)網(wǎng)傳感器下達(dá)請求數(shù)據(jù)命令,系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)可視化方式呈現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù),通過繪制圖表、曲線及地圖等直觀查看氣溫與濕度等信息變化趨勢及空間分布,以便及時進(jìn)行作物灌溉等操作。為了提供更全面的信息,系統(tǒng)支持多維度數(shù)據(jù)展示。除了基本的氣溫、濕度等指標(biāo)外,還可顯示其他與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù),如照度、土壤濕度等。用戶可選擇合適的指標(biāo)進(jìn)行查看,更好地了解當(dāng)前氣候條件對農(nóng)作物生長的影響。顯示流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)圖形顯示Fig.1 Graphic display of data

為了使用戶更加全面地查看各類監(jiān)測數(shù)據(jù),在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中添加分類篩選功能,將傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)推送給用戶,完成監(jiān)測信息顯示。如圖2所示。

圖2 信息監(jiān)測界面Fig.2 Information monitoring interface

當(dāng)用戶使用本系統(tǒng)查看監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢時,可通過一系列指令調(diào)用服務(wù)器中的數(shù)據(jù)信息,系統(tǒng)根據(jù)用戶選取數(shù)據(jù)類型繪制相應(yīng)圖形。圖3為隨機(jī)抽取的一段時間內(nèi)太陽能傳感器電壓歷史數(shù)據(jù)變化折線圖。從圖3可以看出,隨著照度降低,太陽能傳感器的電池電壓下降,通過電池自動切換裝置切換供電電源,電壓恢復(fù)并維持在穩(wěn)定水平。如進(jìn)入后半夜,照度持續(xù)下降,電壓呈現(xiàn)一定程度的降低,切換為蓄電池供電后,電壓逐漸恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4是隨機(jī)選取的一段時間內(nèi)的土壤濕度與照度關(guān)系的歷史數(shù)據(jù)折線圖。從圖4可以看出,土壤溫度維持在20 ℃～32 ℃,夜間隨著溫度降低,土壤溫度隨之降低;照度大致在5～60 klx。選取的監(jiān)測點(diǎn)越多,時間間隔越短,繪制的歷史數(shù)據(jù)折線圖越準(zhǔn)確。

圖4 土壤溫度與照度的關(guān)系變化曲線Fig.4 Variation curve of soil temperature and illuminance

4 數(shù)據(jù)驗(yàn)證與分析

分別對監(jiān)測區(qū)域的CO2體積分?jǐn)?shù)與PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證。以2 h為數(shù)據(jù)時間間隔,用物聯(lián)網(wǎng)傳感器監(jiān)測CO2體積分?jǐn)?shù)與PM2.5質(zhì)量濃度。CO2體積分?jǐn)?shù)的監(jiān)測誤差如表1所示。由表1可以看出,6次測量的CO2體積分?jǐn)?shù)的平均誤差率為4.07%。

表1 CO2體積分?jǐn)?shù)的監(jiān)測誤差Tab.1 Monitoring error of CO2 volume fraction

PM2.5質(zhì)量濃度的監(jiān)測誤差如表2所示。由表2可以看出,6次測量的PM2.5質(zhì)量濃度的平均誤差率為3.065%。

表2 PM2.5質(zhì)量濃度的監(jiān)測誤差Tab.2 Monitoring error of PM2.5 mass concentration

通過數(shù)據(jù)分析可以看出,整個系統(tǒng)的監(jiān)測誤差在可接受范圍,能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)氣候監(jiān)測及智能控制。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)氣候監(jiān)測及智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用傳感器技術(shù)對農(nóng)業(yè)氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集,通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,利用服務(wù)器存儲及處理,用戶通過客戶端訪問智能控制中心的服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化操作,借助系統(tǒng)對歷史數(shù)據(jù)的分析及挖掘,可準(zhǔn)確地進(jìn)行生產(chǎn)預(yù)測及決策,促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。