大棚智能监控系统设计研究

摘要

　　随着城市快速发展，农村大量人口涌入城市，在农村剩余的耕地为大规模的土地流转提供了有利条件。使用温室大棚种植，可使农民摆脱北方一年两作粮食作物的种植模式，带来更高的收益，因此，随着大棚种植技术的推广和人们对于新鲜蔬菜瓜果需求的不断增长，我国北方大棚种植规模迅速膨胀。但不少地区的大棚设备陈旧，还处在原始阶段，需要投入大量的人力物力，进行大棚内温湿度等的监测、灌溉、放风等，相较现代高效农业温室大棚而言，不仅大棚作物产量较低，大棚内长期高温、潮湿的环境也对农民本身的身体健康造成了很大的损害，且随着农村空心化日益严重，劳动力短缺已成为目前制约农村农业发展的一大短板，亟需发展规模化、集约化、自动化种植，通过发展现代农业来提高作物产量、减少人工需求、降低长期大棚作业对人体的损害。随着不同种类的传感器及4G技术的迅速发展和广泛应用，使得智能化的精确检测控制成为现实，符合精细化、集约化的现代农业发展要求。

　　本文的现代农业大棚智能监控管理系统，通过对大棚的实地考察和综合分析，对搭建大棚智能监控系统过程中的相关业务进行需求分析和系统设计，搭建了一个大棚智能监控模型。在系统的设计过程中，基于各项需求功能的实现及尽可能的考虑到农村实际生产生活情况，引入了传感器、单片机、ZigBee组网、web等众多硬件及技术，并对各个硬件、技术进行了充分地了解和选择，并根据这些硬件及技术，设计了一套智能监控系统。利用该系统，通过事先部署在大棚各角落的不同类型的传感器，采集大棚内空气温湿度、土壤温湿度、光照强度等环境因子参数，通过ZigBee组网、无线网络技术，将各个参数实时地展现在人们面前。结合农业专家、种植能手的种植方案、经验，通过远程控制操作单片机控制继电器来实现风机、灌溉、补光等各个动作，调节大棚内的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等各个环境因素，营造出适宜作物生长的环境，从而减少人工劳动，提高作物质量、产量，达到改进管理、提高收益、减少对农民身体损害的目的。

　　关键词：大棚环境因子；单片机；ZigBee;移动通讯

abstract

　　With the rapid development of the city, a large number of people from the rural areas flow into the city, and the surplus arable land in the rural areas provides favorable conditions for large-scale land transfer. The use of greenhouse planting can help farmers get rid of the pattern of two crops a year in the north and bring higher benefits. Therefore, with the popularization of greenhouse planting technology and the growing demand for fresh vegetables, fruits and fruits, the scale of greenhouse planting in northern China is expanding rapidly. But many areas of the greenhouse equipment is old, still in the original stage, need to invest a lot of human and material resources, to monitor the temperature and humidity in the greenhouse, irrigation, ventilation, etc., compared with modern high-efficiency agricultural greenhouse, not only the production of greenhouse crops is low, the long-term high temperature and humidity environment in the greenhouse also caused great damage to the health of farmers themselves, and with the development of Agriculture The hollowing of villages is becoming more and more serious, and the shortage of labor force has become a short board restricting the development of rural agriculture. It is urgent to develop large-scale, intensive and automatic planting. Through the development of modern agriculture, we can improve crop yield, reduce the demand for labor and reduce the damage to human body caused by long-term greenhouse operation. With the rapid development and wide application of different kinds of sensors and 4G technology, intelligent and precise detection and control become a reality, which meets the requirements of modern agricultural development.

　　In this paper, the modern agricultural shed intelligent monitoring management system, through the field investigation and comprehensive analysis of the shed, needs analysis and system design of the relevant business in the process of building the shed intelligent monitoring system, build a shed intelligent monitoring model. In the design process of the system, based on the realization of various requirements and functions and taking into account the actual production and living conditions in rural areas as much as possible, many hardware and technologies are introduced, such as sensors, single-chip computers, ZigBee networking, web, etc., and each hardware and technology is fully understood and selected. According to these hardware and technology, an intelligent monitoring system is designed. By using the system, through different types of sensors deployed in each corner of the shed in advance, the environmental factors such as air temperature and humidity, soil temperature and humidity, light intensity and other parameters in the shed are collected. Through ZigBee networking and wireless network technology, the parameters are displayed in front of people in real time. Combined with the planting plan and experience of agricultural experts and planting experts, through remote control and operation of single-chip microcomputer control relay to realize various actions such as fan, irrigation, light supplement, etc., adjust various environmental factors such as temperature and humidity, light intensity, carbon dioxide concentration in the shed, create an environment suitable for crop growth, thereby reducing artificial labor, improving crop quality and yield, and The purpose of improving management, increasing income and reducing the physical damage to farmers.

　　Key words: greenhouse environment factor; single chip microcomputer; ZigBee; mobile communication

目录

　　第1章绪论

　　1.1系统开发背景和意义

　　根据全国第二次农业普査和第三次农业普査的数据显示，截止到2016年底，全国温室占地面积334千公顷，较第二次全国农业普査（2006年末）81千公顷增长了312%,大棚占地面积981千公顷，较第二次全国农业普査（2006年末）465千公顷增长了110%.具体数据如下表1-1（a）、1-1（b）所示。

　　由此可见，我国温室及大棚规模增长幅度较大。其背后的原因有：一方面随着城市的快速发展，农村人口大量涌入城市，大量的土地疏于种植管理，为土地的大规模流转提供了条件；另一方面，粮食作物（北方主要粮食作物有玉米和冬小麦）种植收益较低，温室大棚摆脱了北方普遍的一年两作的种植模式，可以带来更高的收益，因此不少农户选择种植温室大棚。其中大规模的土地流转，为规模化、集约化发展现代农业大棚、智能温室提供了良好条件。以山东省潍坊市昌乐县郁部镇伟圣现代农业有限公司为例，公司通过流转土地1200亩，建设高标准大棚，部分高标准结构大棚的长度达到了200米以上，规模小点的也在100米左右，宽度10余米，如下图1-1所示

　　按照现有趋势，粮食价格仍然趋于平稳，己迁入城市的农村人口也不会出现大规模的回流，随着乡村振兴、农业现代化的推进，温室、大棚的规模还会继续扩大，而且会更多的往规模化、高端化发展，这就对温室大棚的自动化、信息化程度提出了要求。虽然我国大棚种植规模巨大，但不少地区的大棚设备陈旧，还处在原始阶段，生产过程中需要耗费大量的人力物力，大棚作物的产量和质量均无法与寿光一带科技含量较高的温室大棚相比，更为严重的是，长期在大棚内作业的农民，受大棚内高温度、高湿度和二氧化碳浓度的影响，使得其本身的身体健康受到了很大的损害，既不符合以人为本的发展理念，也不符合中央提出的发展现代化农业的要求。这就需要有自动化、信息化的系统来帮助生产管理，减少人力物力耗费，提高作物产量，关爱农民健康，降低人工成本，提高效益。发展现代农业大棚，使用智能监控管理系统有以下优点：一是体现在农业信息化上。通过各类传感器和无线传输设备，对大棚内的环境因子（温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度等）进行实时采集，并有针对性地做出反应，降低了人工监测频率，使远程的监测预警成为可能。二是体现在农业管理水平上。在大棚生产过程中，利用不同类型传感器和无线网络实现了对大棚内环境因子的实时采集，并对相关的风机等控制设备进行远程控制，从而营造出适宜作物生长的最优环境，可减轻农民的劳动强度，减少农民在大棚中的工作时间，降低了人工投入，可进一步提高农业生产管理水平。三是体现在生态效益上。可减少水肥等农业投入品浪费现象，提高其利用率，降低农业投入品总量，从而起到环境保护的效果。四是体现在增加收入上。通过智能监控管理，降低了人工需求，减少了人工成本，通过精细化的控制，提高了农业投入品利用效率，降低了农业投入品的成本，带动农民增收。

　　1.2大棚环境因子的检测、控制

　　在现代的大棚种植中，温度、湿度、二氧化碳浓度和光照是大棚作物能否顺利生长的四个主要环境因子，且四个环境因子之间相互影响。在现代的农业大棚种植技术中，合理的配置温度、湿度、二氧化碳浓度和光照四个因素，有利于节约农业投入品、保持土壤合适墒情，营造良好的作物生长环境。配置不好，会直接影响作物的生长环境，导致农作物出现生病甚至坏死的现象。

　　1.2.1温湿度的检测和控制

　　大棚内空气湿度和空气温度之间相互影响，呈现一定规律变化，棚内温度升高时，相对湿度降低；棚内温度降低时，相对湿度增高。在一天内，棚内湿度的最低值一般出现在下午1点到2点温度最高时，棚内湿度最高值出现在凌晨温度最低时。当大棚处于密闭不通风的状态时，棚内空气相对湿度较高。棚内空气湿度和土壤湿度也相互影响，呈现一致变化的规律。若空气湿度高，作物叶面的蒸腾作用受到抑制，土壤蒸发缓慢，土壤保持一定湿度；反之，土壤蒸发加快，土壤湿度降低。当气温升高、大棚通风量加大时，空气湿度降低，作物叶面的蒸腾作用和土壤的蒸发加速，土壤丧失较多水分，土壤湿度会出现明显下降。因此，大棚内的空气湿度主要靠通过控制通风量来进行调节，土壤湿度主要靠灌溉浇水及覆盖地膜进行调节。按照农业种植学的相关理论和农民的种植经验，大棚内的作物生长适宜温度一般白天不高于30-32摄氏度，夜间不低于15摄氏度。我国现在的大棚虽然总体规模比较大，但温湿度的控制方式比较单一、陈旧。在温湿度检测方面，只是在大棚内的若干地方放置温度计、湿度计，农民需要挨个查看温度计、湿度计的数值，费时费力，如下图丨-2所示。

　　调节棚内温湿度的方法有卷帘、放风等。这两种方法都是机械方法，伟圣现代农业的高标准大棚上安装了自动卷帘机，通过卷帘开合来调节温湿度，如图1-3所示。

　　放风是指在大棚的塑料薄膜顶部，留一道狭长的出风口，大部分大棚通过人工控制，少部分大棚可实现自动控制，通过来回拉动，调节出风口的大小，从而控制通风量的大小，达到一定调节温湿度的效果，如下图1-4所示。

　　土壤的湿度主要靠覆盖地膜、灌溉来实现。在大棚内覆盖地膜可有效减缓所覆盖土壤水分蒸发速度，保持土壤湿度的同时，又可以降低空气湿度，降低灌溉频率。但是覆盖地膜后不便于追肥，因此覆盖地膜前要在对土壤多施基肥，提高土壤肥力。灌溉既可调节土壤湿度，也可调节空气湿度。当外界气温较高、通风量加大时，应特别注意提高土壤湿度，以免土壤干旱影响作物生长。灌溉的方式主要有喷灌、滴灌、沟灌等。沟灌是较为传统的方法，比较落后，容易造成水资源浪费；滴灌、喷灌轻便节约，比较符合现代农业发展的要求，更加适合规模化、集约化、机械化的现代化生产管理模式。如图1-5所示。

　　由于北方天气寒冷，所以一些大棚内还设置了暖风机等设备用于增加大棚内温度。如图1-6所示。

　　传统的人工温湿度检测采集和控制占用了大量的人力，造成了较高的人工成本投入，在种植规模大幅增长的情况下，传统的温湿度采集方式己然与之不相适应，需要自动化的采集和控制技术来降低人工成本。

　　1.2.2二氣化碳浓度的控制

　　二氧化碳是作物生长的主要原料之一，参与作物光合作用，直接影响作物生长、发育，对作物的生长有直接影响。较高、适宜浓度的二氧化碳环境能显著提高作物的光合作用效率。二氧化碳气体在空气中的浓度比较稳定，约占大气总体积的0.03%?0.04%.当棚内温度处在25°C以下时，随着温度升高，作物的光合作用增强，创造的有机物质增多，表现出旺盛的生长状态；当温度超过30°C时，光合作用创造的有机物与作物呼吸作用消耗的有机物大致持平，甚至少于呼吸作用消耗的有机物，作物表现出停止生长状态。对于露天种植，作物可以随时吸收空气中较稳定的二氧化碳，但对于冬季相对密闭的温室大棚，为保持一定的棚内温度，常使大棚处于密闭的状态，不能进行大量的通风换气，这就造成棚内空气与外界空气相对隔绝，大棚内外空气之间难以相互流通，大棚内二氧化碳气体得不到及时的补充。当白天光照强度达到1000-3000勒克斯时，作物光合作用强烈，会吸收大量二氧化碳，此时如果二氧化碳气体不能及时补充进来，棚内作物将不能进行正常的光合作用，阻碍作物的生长、发育，从而影响到作物的产量和质量。大部分的农村大棚，一般都没有二氧化碳的检测装置。对于大棚内二氧化碳气体浓度的控制，主要方法有以下几种：

　　1.放风法：白天放风时，棚内气体与外界进行交换，可降低棚内湿度，补充棚内的二氧化碳。现在多采用的是三段式放风。在早晨卷帘升起后的一个小时后放风，此时放风口不宜过大；根据实际作物生长适宜温度放风，降低温湿度，提高二氧化碳浓度；在放卷帘前放风。如图1-7所示。

　　2.燃烧法：包括燃烧焦炭、液化石油气、丙烷、天然气、白煤油等，产生二氧化碳气体，通过管道送入大棚内，提高大棚内的二氧化碳浓度。当前欧美国家的设施栽培采用燃烧天然气提高二氧化碳浓度的做法较为普遍，而日本则较多地采用燃烧白煤油等方式提高二氧化碳浓度。对于燃烧焦炭产生二氧化碳这一方法，虽然焦炭材料来源广泛、价格较低，但控制不便，且有有害气体生成，存在一定安全隐患。

　　3.化学反应法：利用酸和碳酸盐类发生化学反应，产生二氧化碳。目前较多的是采用稀硫酸和碳酸氢铵，在简易的发生装置内（如塑料桶等）产生二氧化碳气体。具体做法是：在大棚内等间距放置多个盛硫酸的容器，一般以塑料桶为宜，不宜用金属容器（硫酸会腐蚀金属容器），将桶挂在不影响棚内作业的地方，将业硫酸按照酸、水1:3比例稀释（切忌将水倒入酸中）后倒入桶内，每天按比例加入碳酸氢铵，产生二氧化碳气体，如果加入碳酸氢铵后不冒泡，表示稀硫酸己完全反应，消耗完毕，此时需更换新的稀硫酸溶液。每亩标准大棚（容积约1300立方米）大约使用2.5kg的碳酸氢铵，即可使棚内二氧化碳浓度达900mg/L左右。该方法价格较低，制作也相对简单，二氧化碳浓度容易控制，运用较为普遍。4.微生物法：增施粪肥、颗粒有机生物肥、覆盖作物秸杆等，在微生物的作用下，肥料、作物秸秆会缓慢释放二氧化碳气体，持续提高大棚内二氧化碳气体浓度。该方法无需二氧化碳气体发生装置，使用较为简便，但二氧化碳气体的释放较缓慢，且释放的二氧化碳气体总量也较少。如图1-8所示。

　　5.液固二氧化碳施肥法：有干冰挥发法和液态二氧化碳法。千冰挥发法，将干冰盛放在特殊的装置内，将其放在温室大棚内，利用干冰挥发，释放二氧化碳气体。液态二氧化碳法，将经压缩后装在钢瓶里的液态二氧化碳阀门打开，即可直接释放二氧化碳气体，提升大棚内二氧化碳浓度。从自动化的角度而言，用干冰和液态二氧化碳控制二氧化碳浓度的方法较易实现，可以在干冰盛放装置和液态二氧化碳钢瓶上加一个继电器阀门，继电器阀门开关可以用单片机控制，较利于自动化实现。如图1-9所示。

　　1.2.3光照强度补光灯具选择

　　温室大棚为作物提供了一个适宜生长的环境，但是很多地方受地理位置、季节变化、天气因素等影响，达不到作物生长发育所需要的光照量，影响到了作物的正常生长。作物补光是按照植物光合作用原理，使用人造光源来代替自然光，提供作物光合作用所需光环境，使作物始终处于适宜的生长状态，提高农产品的产量和质量。补光对光源的选取非常重要，需要光源易于被控制。补光需要根据作物的生长特点以及光补偿点的大小来确定适合作物生长的最适光照强度，在能够满足光照强度与作物补光需求前提下，合理的选择补光的灯具。本文中不对作物的生长特点以及光补偿点进行详细探讨，仅对灯具的选取做简单介绍。

　　1.白炽灯：白炽灯电光源，通过钨丝通电加热到白炽状态发出连续光谱。一方面，白炽灯辐射光谱中红蓝光比例很低，能被作物吸收的有效辐射能较少，为作物补光效率不高。另一方面，白炽灯的光能转化率低，所耗电能大部分转化成热能，而且这种热辐射会增加大棚内的温度，影响大棚内作物生长环境。

　　2.高压钠灯：高压钠灯是电流通过高压钠蒸气时激发产生的一种光源，光谱中主要为黄橙光，相比白炽灯，高压钠灯补光效率要高。但是高压钠灯功耗较大，象热量也大，更加容易导致大棚内温度升高，所以高压钠灯也不是理想的补光灯具。

　　3.荧光灯：荧光灯是荧光物质被激发，发出可见光的光源，其光照效率相对较高。根据填充的荧色物质的不同种类，发出不同颜色的光，可以达到不同的补光效果。但是这种荧光灯灯丝存在易烧、光衰减等缺点，不便于实现稳定的控制，所以也不是理想的补光灯具。

　　4.LED灯：LED灯，又叫发光二极管，是一种在固体半导体中通过载流子发生复合时将多余的能量转化为光能的固体发光光源。随着LED技术的不断发展，其制作成本不断降低，而LED所产生的亮度却在增加，当前普及较快。LED光源的主要优点有：

　　（1）发光效率高，单色性好；

　　（2）绿色环保，对环境无污染；

　　（3）节能省电，相对于高压钠灯节电可达到80%以上；

　　（4）灵活性好，体积较小，可根据不同需要进行不同组合；

　　（5）可以通过不同的调节方式（PWM调光或模拟调光等）改变其亮度；

　　（6）使用寿命较长，一般可达5万小时以上。LED作为作物补光灯相比其他作物补光灯的优势有：第一，LED作为补光灯节能环保、功率小、发光效率高、配置灵活；第二，LED能够控制发光波段，能够发出不同波长的光，对作物进行补光，能满足作物生长不同时间、不同生长环境的需要，同时也可用作作物品种改良试验。

　　1.3本文的主要工作

　　本文现代农业大棚智能监控管理系统主要是设计一个可用的远程大棚智能监控系统，实现对大棚内环境因子的实时采集和对大棚相关设备的远程控制，从而在大棚内营造适宜的作物生长环境。主要设计功能如下：

　　1.通过大棚内的各类温湿度传感器等，采集空气温湿度等环境因子数据，经由ZigBee组网、4G网络传输，在系统前台进行显示；

　　2.通过实地走访、查阅相关文献资料，给出的大棚内作物生产环境参数经验指标及相关处理方法，合理确定环境参数阈值，实现灌溉阀、风机、补光等设备的智能决策控制模型；

　　3.通过对采集的大棚内各项环境因子指标与设定的环境参数阈值的对比分析，实现温湿度、光照强度等环境参数的实时预警功能。

　　4.根据设定的决策支持模型，针对不同的环境因素，通过向控制箱发送指令，控制单片机驱动电磁阀来控制大棚相关设备，实现对灌概阀、风机、补光灯等的远程控制，从而调节棚内作物生长环境。

　　1.4本文的主要组织结构

　　第1章绪论，主要介绍本文的研宄背景和意义，并对大棚环境因子（温湿度、二氧化碳浓度等）的检测和调控做了简单介绍，对本文主要工作作了一个总结概括性说明，在章节最后介绍了本文的主要组织结构。

　　第2章需求分析与获取，主要对系统进行了总体概述，描述了本系统的目标和需要解决的问题，按照功能需求和非功能需求进行了描述。

　　第3章技术选取与设备选择，主要对总体的技术方案进行设计，简要介绍了使用到的相关技术、硬件设备，并进行了选择。

　　第4章系统设计，主要进行了系统整体设计和数据库的设计。确定了系统设计目标及原则，简要介绍了系统技术架构、功能架构及数据库的设计。

　　第5章系统实现，主要是系统功能的实现，对系统关键功能部分进行了实现，并简要介绍了一些其他功能。

　　第6章总结与展望，对本文进行总结，并对将来的相关技术及系统进行了展望。

　　第2章需求分析与获取
　　2.1系统概述
　　2.2系统目标和需要解决的问题
　　2.3系统需求分析
　　2.3.1功能性需求
　　2.3.2非功能性需求

　　第3章技术选择及设备选取
　　3.1总体技术方案
　　3.2相关技术简介
　　3.2.1ZigBee组网技术
　　3.2.2移动无线远程通讯技术
　　3.2.3Web技术
　　3.2.4SSH框架
　　3.3系统硬件

　　第4章系统设计
　　4.1系统设计的目标和原则
　　4.2系统技术架构
　　4.3系统功能架构
　　94.4系统数据库设计
　　4.5开发语言及应用平台

　　第5章系统实现
　　5.1用户登录模块
　　5.2相关决策支持模块
　　5.2.1风机自动控制决策
　　5.2.2灌溉自动控制决策
　　5.2.3补光灯控制决策

　　5.3数据采集及图形显示
　　5.4远程控
　　5.5历史数据查询程序
　　5.6控制命令防干扰程序

第6章总结与展望

　　6.1总结

　　本文首先简单介绍了本系统开发背景和意义，简要介绍了农村温室大棚的发展规模，通过实地调研考察，分析了温度、湿度、二氧化碳浓度等环境因子对于作物的影响及调节方法。主要围绕大棚内温湿度等环境因子数据采集显示、对大棚内风机、补光灯等相关设备进行远程控制等业务功能进行了设计。本文仍有许多不足之处，比如界面设计简单，相关的决策支持模型设计不够精细化，对于复杂的环境不能进行相应的处理，信号传输过程中的抗干扰等问题均未作出相应的处理，这些都有待于进一步完善。

　　6.2展望

　　一方面，随着国家乡村振兴战略的深入实施，各项利农政策随之出台，土地承包三权分置模式越发成熟，土地流转力度越来越大，这些都为大规模的温室大棚建设提供了良好的条件；另一方面，随着国家对5G技术的大力推进到来，信息的无线即时传输带宽、速率等将大大提升，将来可将实时监测管理系统移植到手机上，配以高清摄像头网络，可以真正实现随时随地进行大棚监控预警及远程管理。随着农业大数据的建立完善，还可通过与大数据库的对比，结合种植的作物种类、土壤墒情等等种种因素，下载专家方案，进一步进行智能管理、精准管理，营造最优化的作物生长环境。同时也将进一步降低人力成本，减少对人体的损害，真正实现我国现代化温室大棚农业，进一步助力乡村振兴。4

　　参考文献

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　　[20]斛嘉乙符永蔚樊映川软件测试技术指南北京：机械工业出版社，2019
 

致谢

　　时间恍如白驹过隙，一眨眼的功夫就到了毕业的时候，细细回想这一阶段的学习和生活，从中学到的知识、获得的经验，都是我人生中一笔宝贵的财富。

　　非常感谢遇到的各位老师，尤其是我的导师潘丽老师。潘丽导师为人亲切热心，关爱学生，在专业课的学习、论文开题及写作过程中，都给了我很大的指导帮助和信任，给了我极大的关注和悉心指导，这些一直是督促着我前行的动力。

　　在此谨致以诚挚的敬意和衷心的感谢！感谢父母、姐姐和郭楠楠对我的支持和鼓励，他们一直督促我，给我信心，他们永远是我坚实的后盾和温暖的港湾。

　　最后，感谢在这一阶段的历程中帮助我成长的所有同事、朋友和同学们！

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