1、目录1引言111背景112物联网拓扑结构113系统设计目的214系统设计价值215研究预期32设施农业环境参数监测及预警系统设计421系统总体结构图422采集系统5221采集系统总体设计5222供电方式和无线传感网络设计6223种植环境数据采集6224土壤数据采集7225视频监控数据采集723预警系统设计7231应用系统提示8232短信提示8233邮件提示824自动控系统83采集应用系统设计931总体需求设计932前台功能1033后台功能1034数据库表的设计114结论与展望12参考文献13致谢14设施农业环境参数监测及预警系统研究与设计摘要本文介绍了物联网传感技术、计算机网络技术、通讯技术、
2、系统集成技术等的综合应用。通过在物联网感知层部署相应功能的传感器对温室温湿度、光照、CO2、灌溉池水位、电力环境等进行检测，并在农业生产各环节布置视频监测，再通过网络层可靠的网络技术和通讯技术将感知层获取的数据传输至应用后台数据库，最后物联网应用层系统对数据进行统一处理和应用管理。整套系统可通过农业物联网技术进行农业环境参数的实时监测和预警，并通过后台对农业生产过程中的温室温湿度、光照、CO2、灌溉池水位、电力环境等进行精准控制。关键词农业物联网、监测系统，预警系统，无线传感器，数据库。RESEARCHANDDESIGNOFENVIRONMENTALMONITORINGANDEARLYWARN
3、INGSYSTEMFORFACILITYAGRICULTUREABSTRACTTHISPAPERINTRODUCESTHEAPPLICATIONOFINTERNETOFTHINGSSENSINGTECHNOLOGY,COMPUTERNETWORKTECHNOLOGY,COMMUNICATIONTECHNOLOGY,SYSTEMINTEGRATIONTECHNOLOGYANDSOONTHROUGHTHENETWORKOFSENSORSTODEPLOYTHEAPPROPRIATEFUNCTIONOFTHESENSORONTHEGREENHOUSETEMPERATUREANDHUMIDITY,LIG
4、HT,CO2,THEWATERLEVELOFTHEIRRIGATIONTANK,POWERENVIRONMENTANDOTHERASPECTSOFTHEAGRICULTURALPRODUCTIONANDTHELAYOUTOFTHEVIDEOMONITORINGTHENTHROUGHTHENETWORKLAYERRELIABLENETWORKTECHNOLOGYANDCOMMUNICATIONTECHNOLOGY,THEDATAOBTAINEDFROMTHEPERCEPTIONLAYERISTRANSFERREDTOTHEAPPLICATIONBACKGROUNDDATABASEFINALLY,
5、THEAPPLICATIONSYSTEMOFTHEINTERNETOFTHINGSISUSEDTOPROCESSANDMANAGETHEDATATHEWHOLESYSTEMCANBEREALTIMEMONITORINGANDEARLYWARNINGTHROUGHAGRICULTURALIOTAGRICULTUREENVIRONMENTPARAMETERS,ANDTHEGREENHOUSETEMPERATUREANDHUMIDITY,ILLUMINATION,CO2,IRRIGATION,POWERPOOLWATERLEVELENVIRONMENTFORACCURATECONTROLTHROUG
6、HTHEBACKGROUNDKEYWORDSAGRICULTURALINTERNETOFTHINGS,MONITORINGSYSTEM,EARLYWARNINGSYSTEM,WIRELESSSENSOR,DATABASE11引言11背景我国是一个农业大国耕地面积排世界第3，仅次于美国和印度，但是人口基数大，人均耕地面积排在126位以后，人均耕地仅14亩，还不到世界人均耕地面积的一半。随着经济发展，土地被占用被污染，可用耕地面积也在逐年减少。尽管我国目前已经在农业生产中应用现代化的机械生产方式，在自动化上也已经初有成效，但是与很多发达国家相比仍然还存在不小差距。在农作物环境监测和方面，还没形成一
7、套完整的监测体系，目前还基本是通过工作人员定期去采集和记录，通过人工带回实验室进行化验分析。这种局部性人为的监测，严重影响到数据的准确性。缺乏长期监测和评估的手段，会导致在农业生产过程中，不能对突发情况和潜在风险做出及时的应对和预警，为了解决这一矛盾我们可以利用农业物联网技术，在生产环境中部署环境监测传感器，实时监测农业环境的各项参数，对参数进行科学化分析，并根据分析数据做出科学化指导。在农作物预警方面，传统农业通过人工勘察的方式，不能对农作物的突发情况做出及时预警，增加了病虫、自然灾害的风险。农业物联网技术的应用可以大大的规避种植风险，优化种植方案，可以大大的提高农业生产的效率和成果。12物
8、联网拓扑结构物联网的拓扑结构由下至上共分三层感知层、网络层以及应用层。（1）感知层数据采集与感知主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。感知层的自组网通信技术主要针对局部区域内各类终端间的信息交互而采用的调制、编码、纠错等通信技术，实现各终端在局部区域内的信息交互而采用的媒体多址接入技术，实现各终端在局部区域内信息交互所需的组网、路由、拓扑管理、传输控制、流控制等技术。感知层信息处理技术主要指在局部区域内各终端完成信息采集后所采用的模式识别、数据融合、数据压缩等技术，以提高信
9、息的精度，降低信息冗余度，实2现原始级、特征级、决策级等信息的网络化处理。感知层节点级中间件技术主要指为实现传感网业务服务的本地或远端发布，而需在节点级实现的中间件技术，包括代码管理、服务管理、状态管理、设备管理、时间同步、定位等。（2）网络层网络层主要用于实现感知层各类信息进行广域范围内的应用和服务所需的基础承载网络，包括移动通信网、互联网、卫星网、广电网、行业专网，及形成的融合网络等。根据应用需求，可作为透传的网络层，也可升级满足未来不同内容传输的要求。经过十余年的快速发展，移动通信、互联网等技术已比较成熟，在物联网的早期阶段基本能够满足物联网中数据传输的需要。（3）应用层应用层主要将物联
10、网技术与智能农业系统相结合，实现广泛的物物互联的应用解决方案。主要包括业务中间件和行业应用领域。其中物联网业务中间件子层用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通的功能。13系统设计目的通过物联网技术，对农业生产过程进行信息化管控。利用视频监测点，可以实时查看作物生长情况；在农业生产环境中布置传感设备，通过传感设备将采集到的农作物生长各环节的数据，通过网络传输后进行汇总分析，给农作物种植提供决策依据，如农作物的大气温湿度、光照强度、土壤温湿度，通过设置系统阈值，各项种植指标超过阈值将自动报警，将报警信息发送到信息系统或农民的手机终端，提醒人工进行浇水施肥等操作，也可以通过软件系统
11、打开灌溉电磁阀、卷帘机、风扇等，起到灌溉、遮阳、降温的效果。14系统设计价值在农业生产过程中使用设施环境参数检测及预警系统可以大大提高种植效率，具体表现在以下几个方面（1）可以降低种植的经济成本在农业生产过程中，传统农业什么时候浇灌、什么时候施肥以及如何防虫防害，都是通过人为经验去控制，无法对环境数据进3行感知分析，导致资源浪费和人力浪费。自动监测和预警可以根据数据，精准的对农作物进行施肥和浇灌，并通过自动化方式自动浇灌，节省人力成本。（2）可以增加农作物的产量设施环境参数检测及预警系统，通过感知分析对农作物在生长的生命周期进行实时分析并作出科学指导，可以大大提高农作物的产能。（3）可以提升农
12、产品的质量设施环境参数检测及预警系统自动感知，可降低农作物的病虫害发生机会，有效的减少了农药的使用，可以大大提高农产品的有机品质。（4）可以提升农产品的品牌对农作物在生产过程进行安全监控和管理，使消费者能够吃上放心的绿色产品，提高品牌的价值和形象。（5）可以规避自然灾害设施环境参数检测及预警系统自动感知和自动化控制，可与降低种植环境对自然的依赖，从而增强农产品规避自然灾害的能力。（6）可以提高农业生产的决策水平大量的农作物生产过程中的环境数据和生长状况数据，为农业决策提供了可靠的数据支撑平台。15研究预期（1）农业环境实实时监测能实时监测各种环境参数（如环境温湿度、土壤水分、二氧化碳等参数），
13、并将这些环境参数传输到后台数据库存储。（2）农业设施环境实时监测能对农业设施环境参数（水位、电力情况、农业设施自身运行状况等）进行实时监测，并将这些数据传输到后台数据库存储。（3）农业设施及环境参数及时预警根据对环境参数阀值的设定，能及时对农业设施及环境参数做出及时告警。（4）自动调节异常环境参数通过系统可以自动触发控制，或者远程人工开启调节功能，比如打开通风系统、自动补光、自动控制二氧化碳气肥等。42设施农业环境参数监测及预警系统设计21系统总体结构图设施农业环境参数监测及预警系统是现代化农业在生产过重的高级应用，结合现代新兴的互联网技术、移动互联网技术、云计算技术和物联网技术为一体的方式，
14、通过依托部署在农业生产现场的各种无线传感器节点（温湿度、土壤的水分、生长环境中的二氧化碳、视频监控图像等）和无线网关通信，再通过可靠地以太网技术、4G或5G等网络，对农业生产的环境实时感知、实时预警、实时控制、智能分析、专家指导，为现代化农业生产提供可靠地数据支持，规避种植风险，优化种植方案，大大的提高农业生产的效率和成果。GPS无线传感器数据采集低速与中速高速短距离传输技术传感器组网协同处理感知层无线网络网络层通讯传输网络环境参数实时查询系统环境实时预警系统环境智能控制系统用户查询系统预测分析统计分析数据挖掘专家系统应用层第三方接口数据平台基础系统数据中心基础软硬件软件平台3G网络4G网络5
15、G网络ETHEMETGPRS视频监控上层决策系统智能化控制硬件图21系统结构图如上图21系统结构图所示，设施农业环境参数监测及预警系统在物联网感知层部署无线采集设备，通过各种各样的网络层网络技术将采集到的数据传输到系统应用中心。物联网应用中心对接收到的基础环境参数数据进行分类存储。采集的数据可以与系统预设的预警数据进行对比做出智能预警和自动下发控制。基础5环境数据的大量存储和分析，为上层决策化系统提供了数据支撑。后期还可与农业主管部门的大数据平台形成联动处理，做出更精准更智能化的种植。22采集系统农业物联网一般应用，是将大量的传感器节点构成监控网络，通过各种传感器采集到的环境信息，来帮助农民及
16、时发现问题，并且准确的确定发生问题的位置。这样农业逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。在这个过程中数据采集系统，是关键性的数据来源和数据支持平台。221采集系统总体设计边界路由器空气温湿度、土壤湿度、光照强度等传感器数据存储网关采集节点服务器WEB客户端无线传感网采集节点网关5G/ETHERNET数据中心交换IO端口IO端口FC图22数据采集系统如上图22所示，采集系统的采集节点通过IO端口与各种采集功能的采集传感器相连（如温湿度、光照、CO2等），在采集节点的前端部署网关设备，网关设备负责向采集节
17、点发送各种接受指令、采集数据的指令、服务器请求采集时执行采集命令、网络功能（接收和转发数据）。采集网关节点与环境数据采集节点通过无线传感网进行数据传输，网关节点与边界路器通过以太网技术互联。边界路由器通过5G技术或者高速以太网技术与数据中心互联。数据中心服务器通过应用软件存储采集到的数据并将数据存储到数据存储服务器当中。服务器向WEB用户提供B/S架构的WEB服务，管理员或者监测用户通过在WEB客户端输入认证的用户名密码就可以访问授权访问的采集节点，同时还根据管理员的类型和级别提供添加和删除采集节点设备等管理功能。6222供电方式和无线传感网络设计（1）市电和太阳能供电模块混合部署其中市电旁路
18、接入，当太阳能供电不足或故障时自动切换至市电供电，这样既可以保证采集节点供电的可靠性还可以节约能源。如下图23所示DC/DC变换太阳能电池电能选择单片机AC/DC变换蓄电池市电供电接负载图23供电系统设计框架图（2）无线传感器传感网络设计采用ZIGBEE网络部署环境监测节点，可以达到节能稳定的效果。采集到的数据通过ZIGBEE无线网关设备与边界路由器进行数据传输。如下图24所示ZIGBEE网关采集点ZIGBEE无线网图24无线传感器传感网络设计223种植环境数据采集作物土壤的温湿度、空气温度、光照强度等环境参数对作物的生长起了决定性的影响。传统的种植方式，是无法对作物的生长环境参数进行实时监测
19、与定量、分析的。为了解决这一问题，我们在作物的环境内部署能监控这些参数的传感器进行实时数据采集，通过网络将采集到的数据传输到应用数据中心，实现了对环境数据的实时监测和存储，通过存储的数据进行周期性的定性分析。首先对种植环境进行梳理，规划出采集点的放置位置，尽量保证均匀分布在环境的各个位置，避免监控盲区。然后安装采集节点，调试节点数据，完成种植环境数据采集节点的设计与安装。7224土壤数据采集土塘的数据决定了这块土地适合种植什么样的作物，土壤温度、土壤湿度数等数据，对农作物的健康生长起了决定性的作用。安装土壤环境参数采集传感器，分别，分别采集5CM,15CM,30CM三个不同深度土层的数据。22
20、5视频监控数据采集通过安装摄像机，对农作物的生长状况和病虫害进行远程监控，并应用现代图像智能识别系统自动提供告警提示。23预警系统设计设施农业环境参数预警系统试试根据种植采集系统获取到的实时信息进行分析，在农作物种植的各环节，通过对种植的环境参数设置信息系统阈值，如温室空气温湿度、光照强度、CO2浓度等参数，当采集到的数据实际环境参数超过管理员设定的阈值，系统会自动报警，同时将告警信息通过电脑、手机终端进行通报。如下图25所示空气温湿度、土壤湿度、光照强度等实时值超过预设值电子邮件服务器发送邮件通知短信MAS机发送短信通知WEB监测平台声音和消息告警图25预警系统总体设计8231应用系统提示当
21、种植实时环境参数超过应用系统管理员预设定的最大或最小的参数阈值时，在应用系统的告警栏目里面会自动生成一条告警信息。信息内容包括告警时间、告警级别、告警类型、告警设备位置、告警内容的当前值以及系统建议。232短信提示当种植实时环境参数超过应用系统管理员预设定的最大或最小的参数阈值时，应用系统会激活与短信MAS机的端口，通过短信将告警内容发送到负责人的手机上。信息内容包括告警时间、告警级别、告警类型、告警设备位置、告警内容的当前值以及系统建议。233邮件提示当种植实时环境参数超过应用系统管理员预设定的最大或最小的参数阈值时，应用系统会激活与邮件服务器的端口，通过电子邮件的方式将告警内容发送到负责人
22、的手机上。信息内容包括告警时间、告警级别、告警类型、告警设备位置、告警内容的当前值以及系统建议。24自动控系统自动控制系统是根据作物的生长阶段数据（可以通过视频监控数据采集到的信息进行只能判别）、传感器采集到的环境参数数据、土壤数据、传感器采集到的营养液的营养成分数据等，进行分阶段的实时分析，并配合使用预警系统，通过调度相应的继电器盒控制电路，实现远程自动浇灌、喷淋、换气、施肥等操作。93采集应用系统设计31总体需求设计本系统的总体结构设计图，如下图31和32所示。图31前台总体需求设计图图32后台总体需求设计图农业环境参数监测及预警系统前台用户登录用户信息视频监控轮询环境实时参数大屏展示模块
23、报表中心告警中心远程控制中心农业环境参数监测及预警系统后台管理员登录用户管理监控节点管理资产分类和管理环境参数阈值设置API端口设置自动控制置设置应用安全控制1032前台功能（1）用户登录通过后台管理员获批的合法用户，通过用户名密码登录到前台监控页面。（此模块不同用户可以具备不同的前台功能，并通过后太设置访问权限访问相应的资源信息）（2）用户信息维护个人信息，更改用户名密码等操作。（3）视频监控轮巡调用视频监控API接口，能在前台显示作物实时生产状态，并周期性轮询视频监控节点。（4）环境实时参数能根据采集器采集的数据在监控页面可以实时看到作物环境参数信息。（5）大屏展示模块对采集到的数据进行分
24、类汇总，形成可视化的图标。（6）报表中心对采集到的历史数据进筛选和进行定制化图标分析。（7）告警中心当环境参数超过预设定的阈值后，做出反应，大屏展示红色告警、邮件触发、声音告警等途径告知管理员。（8）远程控制中心进行远程自动化操作。33后台功能（1）管理员登陆用户认证。（2）用户管理模块对用户信息的基本管理（增、删、改、查、权限赋值等）。（3）监控节点管理添加或删除监控和采集节点。（4）资产分类和管理对监控节点进行分类、分区域、分组等可定制化设置。（5）环境参数阈值设置后台管理员通过设置环境参数的正常区间和浮动区间，为触发报警提供决策支撑。（6）API端口设置与第三方数据平台进行数据交互。（7
25、）自动控制设置当环境参数触发报警后可以进行自动化控制，调整环境11参数到一个正常值，保证作物在第一时间内改善环境参数。（8）应用安全控制对系统进行安全设置，防止非法倾入。34数据库表的设计该系统主要使用了以下5张表。1管理员表管理员表该表主要是存储后台管理员的信息，主要字段有主键ID、管理员类型、管理员姓名、管理员登录名、管理员登录密码。2用户表用户表该表主要是存储前台用户的信息，主要字段有主键ID、用户类型、用户姓名、用户登录名、用户登录密码、用户管理资源目录。3监控节点表监控节点表主要字段有主键ID、监控节点ID、监控节点类别ID、监控参数1、监控参数2、监控参数3、监控参数4、预留监控参
26、数字段。4资产分类资产分类表主要字段有主键ID，类别名称、类别说明。5环境参数阈值环境参数阈值表主要字段有主键ID、监控节点ID、监控参数最低值、监控参数最高值、参数说明。124结论与展望本文介绍的设施农业环境监测系统，基本实现了对设施农业环境的实时、主动和被动监控，以及数据异常预警，此外，它还能准确、定时、定量、高效的进行温湿度控制，节省人力、体力而提高质量和产量。目前我国农业物联网技术在各个省都有了很多应用和试点，前期也积累了大量科学数据和经验。今年5G将正式商用，高带宽，大数据时代即将来临，各个物联网数据中心可以将自己的数据和农业主管部门的数据平台进行对接，可以建立一个共享的海量的大数据
27、云中心，提供更加完善的科学化指导和统计平台。将来我国农业科技将结合物联网技术、通信技术、计算机技术、GIS、云计算技术、大数据分析技术，可实现从国家层面的科学生产、按需生产、成本控制、促进农产品产量增加、提高社会效益和生态效益、以及农产品安全可控的追溯。13参考文献1红梅我国农产品绿色供应链耦合机制M湖南湖南农业大学，201003302管继刚物联网技术在智能农业中的应用J通信管理与技术，2010年第03期3梅方权智慧地球与感知中国物联网的发展分析J农业网络信息，2009年第12期4喻闻农产品供应链案例研究M中国农业科学技术出版社，20085魏国辰，肖为群基于供应链管理的农产品流通模式研究M中国
28、物资出版社，20096陈海滢，刘昭物联网应用启示录行业分析与案例实践M机械工业出版社201147李建功，王健全，王晶，何青物联网关键技术与应用M北京机械工业出版社，2012128陈威，郭书普中国农业信息化技术发展现状及存在的问题田J农业工程学报，20139曾炼成，罗志祥，解志坚基于无线传感器网络的农田自动节水灌溉系统J农业网络信息，2008，0510张震，刘学瑜我国设施农业发站现状与对策J农业经济问题，201551L徐茂，邓蓉国内外设施农业发展比较J北京农学院学报，2014412李中华，王国占，齐飞我国设施农业发展现状及发展思路J中国农机化，201213国土资源部，农业部关于进一步支持设施农业
29、健康发展的通知国土资发201412714贺婷婷，白皓然，尚书旗，等基于WEB农业温室远程监控系统设计与实现J农机化研究，2013，1015816115ADAMDUNKELSCONTIKI2XREFERENCEMANUALDB/OL20110714致谢光阴似箭，转眼间在安农继续学习2年半的本科已经接近尾声了，在此期间我接触到了很多以前没有接触到过的新知识和新同学，让我收获了知识和友谊。这些收获将是我终生受用的。在此，对老师们和同学们表示衷心的感谢首先，我要感谢我的导师副教授，他认真审阅我的论文，并不耐其烦的指出我论文的诸多不足，系统全面的指导我完成论文的书写，无一不给我留下深刻的记忆。还要感谢带我们2015级的刘春莲老师，无论上班还是周末，为我们解答毕业过程中遇到的各种问题，并一直督促全班同学完成毕业设计。其次，我要感谢我的家人，感谢我的父母在我求学路上的支持与鼓励。最后，在这里我真诚地向那些曾经帮助过我、关心过我的老师、同学和朋友们说一声谢谢祝愿你们一生平安
