光伏技術的農業環境監測探析論文

摘要：本文開發了一款基於光伏技術的農業環境實時遠端監測與預警系統，包括太陽能光伏板、多個資訊監測模組、資訊傳輸模組、資訊儲存處理模組及移動端APP，實現了對大棚溫度、溼度、光照、二氧化碳濃度等環境要素的智慧監測和異常預警。系統特徵在於：第一，所有資訊傳輸模組採用無線資訊傳輸，如WIFI、4G等通訊網路，避免了複雜的線路鋪設，避免對農業生產造成影響，提高了農業環境監測供用電的安全性和可靠性；第二，系統整合化程度較高，安裝簡單，且成本造價較低，更易被廣大農戶接受；第三，移動端查詢軟體平臺介面友好，操作簡單，資料採集和處理高效精準，傳輸穩定，且測試成本低，易於長期監測。

關鍵詞：智慧監測；預警系統；太陽能光伏技術；安卓使用者

隨著城市化的推進，農業資源不斷緊缺，從事農業生產的人員日趨減少，勞動力成本不斷攀升，而社會對農產品的需求卻日益增長。原有的農業生產方式已經不能滿足社會發展的需要，必須對傳統農業進行技術更新和改造。設施農業以人為手段改變溫、光、水、肥等動植物生長環境因素，創造動植物生長髮育所需的適宜環境，擺脫氣候、土地等條件的制約，行成可控條件下集約化、標準化、高效化生產，保證農產品週年生產和均衡上市，是集約高效農業的重要形式[1-2]。設施環境資訊數字化採集和設施裝備的智慧化、自動化管理調控是現代設施農業有別於傳統農業的核心技術之一。目前，世界各國溫室控制技術發展很快，一些國家在實現自動化的基礎上正向著完全自動化、無人化的方向發展。然而，浙江省乃至全國設施農業仍以小規模分散經營為主，設施裝備水平較低，精細化、自動化、智慧化管理控制技術相對滯後[3-4]。依據現階段農田分佈特徵，農業生產投入成本和農產品市場價值，以及江浙區勞動力成本不斷攀升等現狀，為求最大程度地降低裝置成本投入、提高設施農業管理效率、降低農業勞動力成本，最大程度地發揮設施農業功能和效益，依託光伏技術、移動網際網路技術和資訊科技，本研究設計並開發了一款基於光伏技術的農業環境實時遠端監測與預警系統，包括太陽能光伏板、多個資訊監測模組、資訊傳輸模組、資訊儲存處理模組及移動端APP，實現了對大棚溫度、溼度、光照、二氧化碳濃度等環境要素的智慧監測和異常預警。順應“物聯網＋農業”的大勢所趨，為農業在各個時期的精準管理和預警提供資訊支援，以最少的資源消耗獲得最大的產出[5]。

1無線遠端監測系統設計方案

1.1供電模組

電源包括太陽能電池組及蓄電池組或儲能電容組及充放電控制保護電路。太陽能電池組將太陽能轉化為電能，資訊監測模組對應電連線蓄電池組或儲能電容組及充放電控制保護電路，太陽能產生的電能經蓄電池組及充放電控制保護電路分別向多個資訊監測模組供電。

1.2資料採集模組

本課題設計的溫室大棚智慧監測系統，溫度、溼度、光照和二氧化碳濃度感測器作為測量的第一部分，要求感測器具有較高的精度、可靠的轉換和訊號的精確捕捉等效能，數字式感測器具備高可靠性、高整合度、高解析度、高精度、強抗干擾能力等優點，被廣泛應用於農業、工業、軍事、氣象和醫療等眾多領域，本研究採用新型的數字式DHT11溼度感測器、LM35溫度感測器、BH1750FVI光照感測器完成資料的實時採集，完成資訊的轉換和處理，為資訊傳輸做準備。

1.3資料傳輸模組

資訊傳輸模組是無線資訊傳輸模組，其通過WIFI通訊網路、GSM通訊網路、CDMA通訊網路將來自資訊採集模組的實時農業環境資訊傳輸至資訊儲存處理模組。

1.4資訊儲存處理模組

資訊儲存處理模組搭建於雲伺服器之上，依賴於雲的動態擴充套件計算能力進行資訊的分析及處理，資訊儲存處理模組接收來自資訊監測模組的實時農業環境資料，並與預設的農業資訊標準值進行比較，根據預設標準值與實時監測的農業資訊值的比較結果，通過移動網際網路推送服務將報警訊息推送至任意一臺安裝了環境檢測預警APP的終端裝置。

2軟體系統設計顯示終端移動端

APP全稱為“農業環境監測預警系統移動端”，簡稱“農業環境監測預警”，是面向大田和溫室農業物聯網應用的軟體，利用手機/平板的便攜性和操控靈活性等優勢，實現對農業生產環境（溫度、溼度、光照和二氧化碳濃度等）的遠端實時監測，記錄歷史環境資料，自動生成圖表進行展示。同時，及時對農業生產環境異常狀況進行報警提醒。有效節省人力成本，提高智慧農業的數字化管理效率。

2.1開發執行環境

本研究為開發農業物聯網監控系統———“農業環境監測預警系統移動端”構建了通用的應用系統開發環境，由“JDK(JavaDevelopmentKit)+AndroidSDK(SoftwareDevelop-mentKit)+AndroidStudio"構建。其中，JDK是整個Java的核心，包括Java執行環境，Java工具和Java基礎的類庫；AndroidSDK是由Google提供的完全開放原始碼的'Android專屬軟體開發工具包，用於開發基於Android作業系統的第三方軟體，為程式設計者提供豐富的控制元件；AndroidStudio是基於intelliJIDEA,提供整合的An-droid開發工具用於開發和除錯。

2.2系統功能展示

2.2.1歡迎介面。使用者通過掃描二維碼下載app，或者拷貝程式，在基於Android作業系統的手機或者平板電腦上安裝，開啟應用，歡迎介面閃現程式開發單位：寧波市農業科學研究院，1.5秒後，系統自動跳入主介面，操作流暢，介面友好。2.2.2主介面。以寧波聚光太陽能52溫室為例，最上面展示當前的實時環境資料，包括溫度、溼度、太陽輻射和二氧化碳濃度，下面圖表顯示各環境引數的變化曲線

。2.2.3單項環境資料詳細展示。單擊圖形區域可進入單項的詳細資料介面，資料展示查詢當天的感測器採集資料。通過手指在螢幕上觸控，如雙指縮放、拉伸，單指拖曳檢視，圖上顯示詳細數值。

2.2.4歷史資料展示。單擊主介面右上角的鐘表圖形，程式跳出時間選擇框，選擇需要查詢的日期，系統展示該日期的24小時溫度、溼度、太陽輻射和二氧化碳濃度曲線圖。點選右上角返回圖表，即可返回主介面。

2.2.5監測地點切換。單擊主介面左上角的聚光太陽能測試52文字框，程式出現監控溫室下拉單，可供隨意切換監控地點，環境監測資料自動更新。2.2.6異常環境報警。在伺服器中心設定農業環境引數閾值，對所有app即時生效，感測器資料超出閾值時實時觸發報警。程式傳送推送訊息，提醒使用者採取相應措施。2.2.7程式維護更新。當程式有最新版本時，使用者在開啟程式，系統會跳出對話方塊，供使用者更新到最新版本，或者忽略。實現程式的不斷完善，保證使用者能夠使用最新版本的程式。

3結論

數字化、自動化、智慧化是未來設施農業的發展方向，是設施農業開展實際生產的客觀需求。本研究整合感測器網路、物聯網技術、嵌入式技術、現代通訊技術等新型技術，實現了設施內光、溫、溼、氣等環境資料的遠端實時監測功能。與國內已有設施農業環境監測管理系統相比，本研究產品在實際應用中具備以下優勢：第一，採用獨立的分散式電源管理方式提供電能控制所述資訊監測模組的工作狀態，保障檢測的實時進行，避免由於線路故障、停電施工等因素對監測工作的干擾；第二，系統內資訊監測模組採用無線傳輸，實現在遠端，環境條件惡劣的工作環境中有效監測的可能，降低人為因素造成對農作物生長環境的侷限性；第三，在監測過程中提供監測預警功能，使作業人員遠端第一時間得知環境異常情況，以便及時採取措施改善環境，避免了因為環境異常和極端環境導致農作物減產，甚至絕收現象；第四，系統結構簡單，整合度較高，安裝簡單，使用成本低廉，更易被農戶接受，具有較高的推廣應用價值。本系統憑藉精度高、節能、環保、系統結構簡單、整合化程度高、介面美觀大方、費用低廉等優勢，已在寧波市農科院東錢湖園區、慈城三友基地等投入使用，平臺工作穩定，監測效果理想，顯示出較強的應用潛力。應用本系統，能為使用者提供決策管理的資訊支援，有利於提升精細化和智慧化管理水平，節約勞動力，降低勞動者的生產強度，提高生產效率；同時也為農產品提供詳細的生產資料，建立生產環境大資料資料，有助於建立農產品可追溯檔案。

參考文獻

[1]管繼剛.物聯網技術在智慧農業中的應用[J].通訊管理與技術,2010(3):24-27+42

[2]姚於康.國外設施農業智慧化發展現狀、基本經驗及其借鑑[J].江蘇農業科學,2011(1):3-5.

[3]左景行,潘慧鋒,宋泉華,陳進紅.浙江省設施農業的現狀與發展對策[J].浙江農業科學,2010(3):441-444.

[4]葉巨集寶,徐志福,石曉燕,李冬.設施農業環境智慧監控管理平臺設計與實現[J].浙江農業學報,2014(2):467-472.

[5]李萌,鄧琛,王昌志.智慧農業大棚無線監測與管控的平臺系統設計[J].微控制器與嵌入式系統應用,2015(11):69-72.