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

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，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，同時起到凈化水體的作用，凈化后的水再流回魚池中，從而實現(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時費力，環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)全憑勞動經(jīng)驗，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，精準監(jiān)控環(huán)境參數(shù)是系統(tǒng)正常運轉(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)實時采集監(jiān)測，以保證植物、動物、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。GPRS 網(wǎng)絡(luò)具有較強的數(shù)據(jù)糾錯能力，能夠保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r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。

2 系統(tǒng)模塊實現(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)準范圍。魚菜共生溫室大棚占地約半畝，要準確監(jiān)測環(huán)境參數(shù)需大量傳感器節(jié)點，且傳感器節(jié)點要分布在不同的區(qū)域，利用傳感器節(jié)點采集魚菜共生系統(tǒng)內(nèi)的各項參數(shù)信息。將傳感器節(jié)點布設(shè)在大棚或溫室中，傳感器節(jié)點上配備溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器等，節(jié)點通過 ZigBee模塊進行自組網(wǎng)，各節(jié)點之間相互協(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)點的數(shù)據(jù)，各節(jié)點共同完成監(jiān)測任務(wù)。

傳感器節(jié)點作為信息感知模塊的重要組成部分之一，其監(jiān)測結(jié)果的準確性直接影響最終的狀態(tài)判斷。傳感器節(jié)點由ZigBee 無線通信芯片 CC2430、射頻天線 RF、電源模塊和振電路組成，負責(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)模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，所有節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)交?，?jīng)封裝后通過 GPRS 無線通信方式發(fā)送到遠程監(jiān)控中心。擬采用容錯性較好的星型拓撲結(jié)構(gòu)，在星型拓撲結(jié)構(gòu)中，任何一個節(jié)點出現(xiàn)故障不會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓，因此該結(jié)構(gòu)具有較強的魯棒性。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展、難以升級等問題，能同時監(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)間進行比較，一旦超出參數(shù)設(shè)定范圍，便報警提示，研究人員通過遠程計算機可實時掌握魚菜共生系統(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)，為實時保持系統(tǒng)生態(tài)平衡提供數(shù)據(jù)支持。隨著智能手機的迅速普及，將智能手機作為監(jiān)控終端十分便利。本文設(shè)計開發(fā)了一款基于 Android 系統(tǒng)的手機 APP軟件，包含魚菜共生系統(tǒng)實時監(jiān)控模塊和智能報警模塊，可根據(jù)具體環(huán)境設(shè)置環(huán)境參數(shù)的標(biāo)準范圍。魚菜共生系統(tǒng)實時監(jiān)控模塊通過手機遠程監(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)的變化及時掌握作物生長狀況。一旦超出該標(biāo)準范圍，智能報警模塊可以通過手機短信、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。用戶通過手機終端實時監(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

運用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測影響魚菜共生的大棚溫濕度、光照強度、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)進行匯總、分析和處理，最后呈現(xiàn)給監(jiān)測人員，實現(xiàn)環(huán)境信息自動化、智能化管理，提高對環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)測、報警、預(yù)警能力。因此，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(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，對促進現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

4 結(jié) 語

隨著農(nóng)業(yè)信息化的加速推進，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，實時保持系統(tǒng)生態(tài)平衡，將有效降低人工成本，實現(xiàn)精準定位監(jiān)控，使用戶真正做到足不出戶遠程監(jiān)控，同時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)的推廣起推動作用。