０引言
一直以来，依靠农药化肥的大量投入是我国的农作物高产量的主要途径。在传统种植中，化肥和水资源没有被有效充分利用而随地弃置，导致了大量养分损失并造成环境污染。目前，传统生产模式仍然是我国农业生产的主要方式，传统耕种只能凭经验施肥灌溉，不仅浪费大量的人力物力，也对环境保护与水土保持构成严重威胁，影响了农业的可持续性发展。物联网技术的兴起，给智慧农业的发展带来了新的动力，“物联网智慧农业”应运而生。它通过实时、动态的农作物种植环境信息采集，实现快速、多维、多尺度的实时监测，并在种植专家知识系统基础上实现作物种植的智能灌溉、智能施肥与智能喷药等自动控制。近年来，为了提高人们的生活水平丰富食物品种，温室大棚种植起到了很大的作用。在农作物种植环境中，对作物的种植有很大影响的环境因素主要有温度、湿度、光照度、ＣＯ２浓度、ＰＨ值等，依靠传统的人工控制方式要做到科学合理种植是十分困难的［１－５］。目前，在国内实现上述环境因素自动监控的系统还不多，国外具有多功能的大型连栋温室控制系统价格偏贵，不适合国情。根据当前我国的现实情况，经过科学分析和设计，利用物联网技术和宽带网络的技术优势，设计完成了一套集智能监测、智能决策和实时控制于一体的智慧农业大棚信息化系统［３－５］。
１系统总体设计
智慧大棚系统可以实现大棚中大气、土壤环境的实时监测以及大棚内人员出入和农作物生长状态的全天候监控，并实现依据监测信息自动灌溉和告警提示，经Ｍｅｓｈ宽带网络互联，实现大范围农业大棚群的监测与管理。从系统逻辑层面上，整个系统可以分成三个层：感知层，也就是前端感知信息的实时获取，通过多达七种以上的传感器，对大棚大气与土壤环境实时监测；传输层，实时将各种感知得到的信息和监视视频信息通过Ｍｅｓｈ高速网络可靠上传到数据处理中心；应用层，对上传的各种数据进行处理并存贮，一是根据大气与土壤感知信息来控制水泵起动灌溉，二是对包括视频信息在内的多种信息进行综合处理，生成各种报告，依据设定阀值发出实时告警提示［６－１０］。系统分层结构如图１。整个系统主要由大棚环境感知子系统、视频实时监控子系统、无线宽带传输网络子系统、数据中心四大子系统构成。大棚环境感知子系统采用新型传感器，可以监测大气的温湿度、ＣＯ２含量、ＣＯ含量以及光照强度；同时可以监测土壤的温湿度、ＰＨ等环境参数［１０－１３］。视频实时监控子系统采用无线高清视频监控技术实现区域全天候监控。智慧大棚系统采用了全新的物联网技术，数据的传输采用无线自主网。每个智慧大棚作为一个系统实施子单元，所有从大棚来的信息通过自主建网的无线Ｍｅｓｈ宽带网络上传到数据处理中心，集中由数据中心处理显示与反馈控制。另外，也可以利用Ｍｅｓｈ网络节点上ＷｉＦｉ模块扩展，实现大棚内移动终端实时访问数据中心信息并具有一定的控制能力。全系统整体架构如图２所示。
２系统实现方法与手段
２．１大棚内无线传感网络设计
大棚环境感知子系统主要实时监测大棚内的两类环境指标：棚内大气环境和棚内土壤环境。通过在大棚内实现一个无线传感网络来完成。无线传感网是基于ＺｉｇＢｅｅ协议的一种自组织无线网络技术，具有近距离、低功耗、低传输速率、低成本的特点。整个网络由感知节点外加协调器节点组成，所有感知节点的感知数据经多跳传输，最终汇聚到协调器节点向上传输，它能支持较多感知节点并且无线传输，比较适合大棚环境下的实时监测［１０］。感知节点（协调器）一般由传感器模块、控制模块、通信模块和电源模块组成。节点的控制与通信模块采用ＴＩ公司的ＭＳＰ４３０Ｆ１６１１超低功耗ＭＣＵ和ＣＣ２５３０通信ＭＣＵ来实现。ＭＳＰ４３０Ｆ１６１１是一个１６位处理器，特点是低功耗、工作模式转换快，具备强大的外设接口能力，１６位定时器、多个ＡＤＣ转换器，一个或者两个通用同步／异步串行通讯接口（ＵＳＡＲＴ）、Ｉ２Ｃ、ＤＭＡ。ＣＣ２５３０是一款兼容ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准的ＳＯＣ芯片，支持专有的ＩＥＥＥ８０２．１５．４以及ＺｉｇＢｅｅ、ＺｉｇＢｅｅＰＲＯ和ＺｉｇＢｅｅＲＦ４ＣＥ标准。中心工作频率为２．４ＧＨｚ，它提供了１０１ｄＢ的链路质量，具有四种供电模式，接收器灵敏度高，抗干扰性能强。ＭＳＰ４３０Ｆ１６１１与ＣＣ２５３０无线模块之间通过ＳＰＩ接口进行通信，ＭＳＰ４３０Ｆ１６１１单片机的Ｐ３．０、Ｐ３．１、Ｐ３．２、Ｐ３．３脚和ＣＣ２５３０的ＳＳＮ、ＭＩＳＯ、ＭＯＳＩ、ＳＣＫ脚相连，实现主从式ＳＰＩ通信，达到双向交换数据通信的目的。对于协调器节点来说，没有传感器模块，增加一个与上位机通信的模块，可采用串行或ＲＪ４５接口通信等多种方式实现。节点硬件结构如图３所示。棚内大气环境的监测项为：空气温湿度、ＣＯ２、ＣＯ、光照度。只有合适的光照、适量ＣＯ２、合理的温湿度配合才能科学的、有效的、高产的种植出大棚农作物。同时在大棚农业的种植中，大量的ＣＯ气体达到一定浓度时会对棚室蔬菜产生影响，易使作物受到伤害，过量的ＣＯ还危及到大棚内的人身安全，因此对ＣＯ的实时监测是十分必要的。棚内土壤环境的监测项为：土壤温湿度、土壤ＰＨ。大棚内土壤的温湿度是判断土壤肥力的一个重要指标，土壤的温湿度影响着土壤的氮化速度，土壤氮化程度就直接影响了土壤的肥力［１１］。土壤酸碱度对土壤肥力、植物生长以及养分的有效性影响很大，在农业生产中应该注意土壤的酸碱度，积极采取措施，加以调节。感知节点的信息采集依赖于各种类型的传感器，智慧大棚内的传感器种类多达七种以上，包括空气温湿度、ＣＯ２、ＣＯ、光照度、土壤温湿度、土壤ＰＨ等。另外，为了实现自动灌溉功能，大棚内需要增加若干个智能水泵控制节点来实现对水泵的控制，基本功能与感知节点类同，只是增加了两路工业级继电器开关控制模块代替传感器模块，用于响应室内大气和土壤监测数据的变化，控制水泵工作，为土壤加湿降温。无线传感网络软件主要由二部分组成：终端节点控制程序和协调器控制程序。终端节点搜索并加入网络，接收协调器发来的数据帧，执行读取传感器值或控制设备。终端节点通过控制继电器，控制水泵开关［９］。终端节点工作流程如图４所示。协调节点循环等待接收Ｍｅｓｈ节点的初始化命令，并将网络状态反馈给Ｍｅｓｈ节点。初始化完成后，若有终端节点申请加入网络，建立连接。协调节点接收Ｍｅｓｈ节点的控制设备命令并转发给相应的终端节点，同时接收终端节点采集的数据转发给Ｍｅｓｈ节点［９］。
２．２无线宽带网络传输子系统设计
无线Ｍｅｓｈ网络融合了ＷＩＦＩ技术和自组网技术，具备分布式多跳功能，最大传输速率达到５４Ｍｂｐｓ，最大跳数为５，能迅速实现无线覆盖，实现高性能高速无线自组织网络，传输距离、移动速度、抗干扰、穿透能力以及无线网络安全等方面的性能好，满足复杂或对网络安全要求高的环境下开展无线数据传输、无线视频图象监控、ＩＰ视频会议、ＩＰ音视频电话、无线定位、无线数控等业务，广泛应用于较大范围覆盖、高安全性的无线网络接入。系统主要由无线Ｍｅｓｈ设备、蓄电池、太阳能供电系统三大部分组成。高速Ｍｅｓｈ节点是构成高速无线自组织骨干网络的主要节点，用于将多个分离的局域网网络（ＬＡＮ）连接在一起或将业务数据回传到有线网络，配置ＡＰ模块同时用于ＷｉＦｉ无线终端的接入。智慧大棚各类传感器获得的信息汇聚到协调器节点，协调器与Ｍｅｓｈ网络节点通信，Ｍｅｓｈ网络每个节点接收和传输无线感知网络和视频监控系统采集的数据和图像信息，将数据实时传输到数据中心，并发布到显示终端。相反，数据中心有关控制与配置信息同样也要通过Ｍｅｓｈ网络发送到无线传感网的各终端节点，达到对各节点的控制和管理。结合软件功能，Ｍｅｓｈ节点自组网的通信覆盖直径可按需调控。Ｍｅｓｈ网络安装快捷，并且不需要大规模基站建设，不要求精细的规划和位置选择即可获得可靠的通讯。简单地移动某个网络节点或者增加一个节点就可以立即完善一个信号较弱或无信号的区域，具有较好的网络覆盖灵活性，非常适合偏远地区大范围农业大棚的集群管理。
２．３视频监控子系统设计
智慧大棚视频监控利用无线智能摄像头、智能视频数据分析处理技术和智能终端信息系统实现大棚无缝隙、不间断的视频监控和事件监测、报警，摄像头具有高清晰度的图像采集和转换，２２倍光学变焦，３６０度水平连续旋转，９０度垂直旋转，２５６个预制巡航点和８条巡航线路，ＩＰ６６级室外防护能力，ＴＶＳ３０００Ｖ室外防雷、防浪涌，３０度～６５度室外工作温度支持用户分级管理，完全满足大棚室内外环境的安全使用。视频监控依托于Ｍｅｓｈ无线高速骨干网，通过无线方式接入，大大减少了部署的困难，增加了灵活性，视频实时智能分析极大提高视频监控的时效性和可靠性，减轻人工监视的负担，减小存储资源消耗，提高历史数据查询效率。传统的视频监控通常采用一人监视多路视频的方式，监控人员负担很大，并且容易忽略一些正在发生的事件，而错过了最佳处理时机。未经处理的视频原始数据中有大量无用片段，对原始数据进行存储也导致了严重的存储空间浪费和加大了事后历史视频查阅的困难。
２．４数据处理子系统设计
数据处理子系统是智慧大棚应用的信息处理中心，由硬件和软件二部分组成。硬件部分包括数据库服务器（包含认证与远程服务等）、视频应用服务器（含硬盘录像设备等）和一些信息交换设备；软件部分就是应用系统程序。整个数据中心应用程序由系统配置管理模块、感知数据存贮与处理模块、监控视频存贮与处理模块、报表处理模块和信息远程服务模块组成［１０－１３］。应用软件模块结构如图５所示。系统应用软件以ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏ２００５为开发环境，采用Ｃ＃语言编写而成，数据库采用了ＭＳＳＱＬＳｅｒｖｅｒ作为应用平台，整个架构以Ｂ／Ｓ和Ｃ／Ｓ相结合为原则。系统配置与管理模块实现全系统的用户信息和权限等管理，设置与大棚感知信息处理、视频监控和Ｍｅｓｈ网络相关的各类参数，完成系统正常工作准备［１４］；感知数据存贮和处理模块实现感知数据的接收、实时存贮和随机检索调用处理，按设定条件发送控制信息启动水泵工作、告警提示，实时显示各种感知信息处理图表，联机对存贮数据进行智能分析并提供决策信息。监控视频存贮与处理模块实现监控视频的实时录存和调用回放，控制摄像头云台，做到有选择性实时切换监控，并具备一定的视频智能分析处理；报表处理模块主要完成各类报表的生成、汇总与打印。信息远程服务模块实现移动终端的访问，使得系统用户通过多种手段实现随时随地获取监测、监控数据和信息。使得授权用户通过手机、平板、笔记本等普通智能设备在大棚内、办公室、家中就能访问到实时监测监控信息，方便了管理人员日常工作。
３智慧大棚实际部署应用
以某地智慧农业园区为例说明具体应用。把一亩大小（约２０ｍ×３０ｍ）面积的大棚为实际部署环境，以一个大棚按约１０ｍ×１０ｍ的大小分割成６个区域。每个区域随机部署一套大棚环境感知节点：ＣＯ２节点、ＣＯ节点、空气温湿度节点、光照度节点、土壤温湿度节点、土壤ＰＨ节点，另加一个自动灌溉控制节点。这样整套终端节点一共是４２个。一个大棚配置两套套视频监控系统、一个ｓｉｎｋ节点、两个Ｍｅｓｈ节点。一个大棚配置一个数据服务器：一个数据中心套件、两台移动设备终端。在大棚内部一共有３６个环境感知节点、６个控制节点和一个ｓｉｎｋ节点。３６个环境感知节点在科学的配置下，实时采集大棚中的环境参数，然后通过无线自组网技术，４３个节点自组织组成一个无线传感网络，最终把全部的感知数据汇聚到ｓｉｎｋ节点，ｓｉｎｋ节点和Ｍｅｓｈ节点相连，把所有的感知数据通过Ｍｅｓｈ高速骨干网传输到数据中心。另外，数据中心也能通过网络控制水泵起动供水；视频监控单元也与Ｍｅｓｈ节点相连，把所有的监测数据通过Ｍｅｓｈ网络传输到数据中心。数据中心通过相应数据处理、挖掘后，最终展示出来。大棚环境感知节点统一安装在大棚的金属骨架或木质骨架上，按大棚的搭建方式不同，如图６所示。在有垂直固定架的大棚中，只需把感知节点固定在固定架上。在没有垂直固定架的大棚中，需配置相应高度的金属固定架，并分散在每个区域中作为感知节点的安装支架，感知节点的安装高度统一高于所有植物，以防大棚灌溉时淋湿感知节点。土壤类感知节点，安装部署方式同上，但每个土壤类感知节点所配传感器都需放入土中，以监测土壤温湿度、ＰＨ等参数。灌溉控制节点视情分区布设，达到相对均匀供水。节点的供电方式可以采用灵活多样方式，如２～４干电池供电、高能蓄电池供电、市电供电和太阳能供电等方式。视频监控套件统一部署在大棚入口处和大棚的最内部（大棚入口的正对面），采用可旋转式无线高清摄像机，既可以实时关注大棚中植物的生长情况，又可以全天候监管大棚的运作以及人员的出入。一台Ｍｅｓｈ节点部署在大棚外，另一台Ｍｅｓｈ部署在数据中心监控室，两台Ｍｅｓｈ的距离尽可能保持在１ｋｍ以内且无明显的遮挡物，这样能保证高速、稳定的通信要求。数据中心安装一套数据中心服务器，并配有全套的数据展示软件平台。设备单元部署优先采用市电供电的方式，在无市电的情况下，采用大容量蓄电池和太阳能供电相结合的供电方式。整套系统在一个大棚实际安装试用，试验结果表明该系统具有对大棚内大气和土壤环境参数实时检测的能力，实现了信息反馈控制水泵灌溉和信息告警提示，完成了对植物生长和大棚安全的监控。系统具有较强的扩展性，使用效果良好，完全能满足农业大棚群的日常管理，整体提高大棚种植的生态环境和经济效益。图７和图８为实际使用时的显示效果。
４结束语
本文针对农业大棚智能化进行了研究和应用，解决了传统大棚种植依靠经验生产存在的问题。利用物联网中的无线传感网、无线宽带网和视频监控等多项技术，实现了对农业大棚内大气和土壤中多种植物生长相关因素的实时检测，使得种植管理人员能及时掌握大棚种植环境的变化并作出相应调整，做到农业种植科学化［１４－１６］。本系统具有较好的扩展性，根据大棚种植环境检测需要，可对感知节点和控制节点进行扩充，增加检测和控制种类。由于使用了自组织Ｍｅｓｈ宽带网络作为传输信道，可实现大范围农业大棚群的管理智能化。
作者：张新 陈兰生 赵俊 单位：绍兴职业技术学院 绍兴迅极网络技术开发有限公司
