光伏技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測探析

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摘要：本文開發(fā)了一款基于光伏技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，包括太陽能光伏板、多個(gè)信息監(jiān)測模組、信息傳輸模組、信息存儲(chǔ)處理模組及移動(dòng)端APP，實(shí)現(xiàn)了對大棚溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等環(huán)境要素的智能監(jiān)測和異常預(yù)警。系統(tǒng)特征在于：第一，所有信息傳輸模組采用無線信息傳輸，如WIFI、4G等通信網(wǎng)絡(luò)，避免了復(fù)雜的線路鋪設(shè)，避免對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成影響，提高了農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測供用電的安全性和可靠性；第二，系統(tǒng)集成化程度較高，安裝簡單，且成本造價(jià)較低，更易被廣大農(nóng)戶接受；第三，移動(dòng)端查詢軟件平臺(tái)界面友好，操作簡單，數(shù)據(jù)采集和處理高效精準(zhǔn)，傳輸穩(wěn)定，且測試成本低，易于長期監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：智能監(jiān)測；預(yù)警系統(tǒng)；太陽能光伏技術(shù)；安卓用戶

隨著城市化的推進(jìn)，農(nóng)業(yè)資源不斷緊缺，從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人員日趨減少，勞動(dòng)力成本不斷攀升，而社會(huì)對農(nóng)產(chǎn)品的需求卻日益增長。原有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式已經(jīng)不能滿足社會(huì)發(fā)展的需要，必須對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)進(jìn)行技術(shù)更新和改造。設(shè)施農(nóng)業(yè)以人為手段改變溫、光、水、肥等動(dòng)植物生長環(huán)境因素，創(chuàng)造動(dòng)植物生長發(fā)育所需的適宜環(huán)境，擺脫氣候、土地等條件的制約，行成可控條件下集約化、標(biāo)準(zhǔn)化、高效化生產(chǎn)，保證農(nóng)產(chǎn)品周年生產(chǎn)和均衡上市，是集約高效農(nóng)業(yè)的重要形式[1-2]。設(shè)施環(huán)境信息數(shù)字化采集和設(shè)施裝備的智能化、自動(dòng)化管理調(diào)控是現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)有別于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的核心技術(shù)之一。目前，世界各國溫室控制技術(shù)發(fā)展很快，一些國家在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上正向著完全自動(dòng)化、無人化的方向發(fā)展。然而，浙江省乃至全國設(shè)施農(nóng)業(yè)仍以小規(guī)模分散經(jīng)營為主，設(shè)施裝備水平較低，精細(xì)化、自動(dòng)化、智能化管理控制技術(shù)相對滯后[3-4]。依據(jù)現(xiàn)階段農(nóng)田分布特征，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入成本和農(nóng)產(chǎn)品市場價(jià)值，以及江浙區(qū)勞動(dòng)力成本不斷攀升等現(xiàn)狀，為求最大程度地降低設(shè)備成本投入、提高設(shè)施農(nóng)業(yè)管理效率、降低農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力成本，最大程度地發(fā)揮設(shè)施農(nóng)業(yè)功能和效益，依托光伏技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息技術(shù)，本研究設(shè)計(jì)并開發(fā)了一款基于光伏技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，包括太陽能光伏板、多個(gè)信息監(jiān)測模組、信息傳輸模組、信息存儲(chǔ)處理模組及移動(dòng)端APP，實(shí)現(xiàn)了對大棚溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等環(huán)境要素的智能監(jiān)測和異常預(yù)警。順應(yīng)“物聯(lián)網(wǎng)＋農(nóng)業(yè)”的大勢所趨，為農(nóng)業(yè)在各個(gè)時(shí)期的精準(zhǔn)管理和預(yù)警提供信息支持，以最少的資源消耗獲得最大的產(chǎn)出[5]。

1無線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(chǔ)能電容組及充放電控制保護(hù)電路。太陽能電池組將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，信息監(jiān)測模組對應(yīng)電連接蓄電池組或儲(chǔ)能電容組及充放電控制保護(hù)電路，太陽能產(chǎn)生的電能經(jīng)蓄電池組及充放電控制保護(hù)電路分別向多個(gè)信息監(jiān)測模組供電。

1.2數(shù)據(jù)采集模組

本課題設(shè)計(jì)的溫室大棚智能監(jiān)測系統(tǒng)，溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度傳感器作為測量的第一部分，要求傳感器具有較高的精度、可靠的轉(zhuǎn)換和信號(hào)的精確捕捉等性能，數(shù)字式傳感器具備高可靠性、高集成度、高分辨率、高精度、強(qiáng)抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、軍事、氣象和醫(yī)療等眾多領(lǐng)域，本研究采用新型的數(shù)字式DHT11濕度傳感器、LM35溫度傳感器、BH1750FVI光照傳感器完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，完成信息的轉(zhuǎn)換和處理，為信息傳輸做準(zhǔn)備。

1.3數(shù)據(jù)傳輸模組

信息傳輸模塊是無線信息傳輸模組，其通過WIFI通信網(wǎng)絡(luò)、GSM通信網(wǎng)絡(luò)、CDMA通信網(wǎng)絡(luò)將來自信息采集模塊的實(shí)時(shí)農(nóng)業(yè)環(huán)境信息傳輸至信息存儲(chǔ)處理模塊。

1.4信息儲(chǔ)存處理模組

信息存儲(chǔ)處理模塊搭建于云服務(wù)器之上，依賴于云的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展計(jì)算能力進(jìn)行信息的分析及處理，信息存儲(chǔ)處理模塊接收來自信息監(jiān)測模塊的實(shí)時(shí)農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)，并與預(yù)設(shè)的農(nóng)業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，根據(jù)預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)時(shí)監(jiān)測的農(nóng)業(yè)信息值的比較結(jié)果，通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)推送服務(wù)將報(bào)警消息推送至任意一臺(tái)安裝了環(huán)境檢測預(yù)警APP的終端設(shè)備。

2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯示終端移動(dòng)端

APP全稱為“農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)移動(dòng)端”，簡稱“農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警”，是面向大田和溫室農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的軟件，利用手機(jī)/平板的便攜性和操控靈活性等優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境（溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度等）的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測，記錄歷史環(huán)境數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成圖表進(jìn)行展示。同時(shí)，及時(shí)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境異常狀況進(jìn)行報(bào)警提醒。有效節(jié)省人力成本，提高智慧農(nóng)業(yè)的數(shù)字化管理效率。

2.1開發(fā)運(yùn)行環(huán)境

本研究為開發(fā)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)———“農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)移動(dòng)端”構(gòu)建了通用的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，由“JDK(JavaDevelopmentKit)+AndroidSDK(SoftwareDevelop-mentKit)+AndroidStudio"構(gòu)建。其中，JDK是整個(gè)Java的核心，包括Java運(yùn)行環(huán)境，Java工具和Java基礎(chǔ)的類庫；AndroidSDK是由Google提供的完全開放源代碼的Android專屬軟件開發(fā)工具包，用于開發(fā)基于Android操作系統(tǒng)的第三方軟件，為程序設(shè)計(jì)者提供豐富的控件；AndroidStudio是基于intelliJIDEA,提供集成的An-droid開發(fā)工具用于開發(fā)和調(diào)試。

2.2系統(tǒng)功能展示

2.2.1歡迎界面。用戶通過掃描二維碼下載app，或者拷貝程序，在基于Android操作系統(tǒng)的手機(jī)或者平板電腦上安裝，打開應(yīng)用，歡迎界面閃現(xiàn)程序開發(fā)單位：寧波市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，1.5秒后，系統(tǒng)自動(dòng)跳入主界面，操作流暢，界面友好。2.2.2主界面。以寧波聚光太陽能52溫室為例，最上面展示當(dāng)前的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、太陽輻射和二氧化碳濃度，下面圖表顯示各環(huán)境參數(shù)的變化曲線

。2.2.3單項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)詳細(xì)展示。單擊圖形區(qū)域可進(jìn)入單項(xiàng)的詳細(xì)數(shù)據(jù)界面，數(shù)據(jù)展示查詢當(dāng)天的傳感器采集數(shù)據(jù)。通過手指在屏幕上觸控，如雙指縮放、拉伸，單指拖曳查看，圖上顯示詳細(xì)數(shù)值。

2.2.4歷史數(shù)據(jù)展示。單擊主界面右上角的鐘表圖形，程序跳出時(shí)間選擇框，選擇需要查詢的日期，系統(tǒng)展示該日期的24小時(shí)溫度、濕度、太陽輻射和二氧化碳濃度曲線圖。點(diǎn)擊右上角返回圖表，即可返回主界面。

2.2.5監(jiān)測地點(diǎn)切換。單擊主界面左上角的聚光太陽能測試52文本框，程序出現(xiàn)監(jiān)控溫室下拉單，可供隨意切換監(jiān)控地點(diǎn)，環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)自動(dòng)更新。2.2.6異常環(huán)境報(bào)警。在服務(wù)器中心設(shè)置農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)閾值，對所有app即時(shí)生效，傳感器數(shù)據(jù)超出閾值時(shí)實(shí)時(shí)觸發(fā)報(bào)警。程序發(fā)送推送消息，提醒用戶采取相應(yīng)措施。2.2.7程序維護(hù)更新。當(dāng)程序有最新版本時(shí)，用戶在開啟程序，系統(tǒng)會(huì)跳出對話框，供用戶更新到最新版本，或者忽略。實(shí)現(xiàn)程序的不斷完善，保證用戶能夠使用最新版本的程序。

3結(jié)論

數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化是未來設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，是設(shè)施農(nóng)業(yè)開展實(shí)際生產(chǎn)的客觀需求。本研究集成傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)等新型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)施內(nèi)光、溫、濕、氣等環(huán)境數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測功能。與國內(nèi)已有設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)相比，本研究產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中具備以下優(yōu)勢：第一，采用獨(dú)立的分布式電源管理方式提供電能控制所述信息監(jiān)測模塊的工作狀態(tài)，保障檢測的實(shí)時(shí)進(jìn)行，避免由于線路故障、停電施工等因素對監(jiān)測工作的干擾；第二，系統(tǒng)內(nèi)信息監(jiān)測模塊采用無線傳輸，實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程，環(huán)境條件惡劣的工作環(huán)境中有效監(jiān)測的可能，降低人為因素造成對農(nóng)作物生長環(huán)境的局限性；第三，在監(jiān)測過程中提供監(jiān)測預(yù)警功能，使作業(yè)人員遠(yuǎn)程第一時(shí)間得知環(huán)境異常情況，以便及時(shí)采取措施改善環(huán)境，避免了因?yàn)榄h(huán)境異常和極端環(huán)境導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)，甚至絕收現(xiàn)象；第四，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，集成度較高，安裝簡單，使用成本低廉，更易被農(nóng)戶接受，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。本系統(tǒng)憑借精度高、節(jié)能、環(huán)保、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、集成化程度高、界面美觀大方、費(fèi)用低廉等優(yōu)勢，已在寧波市農(nóng)科院東錢湖園區(qū)、慈城三友基地等投入使用，平臺(tái)工作穩(wěn)定，監(jiān)測效果理想，顯示出較強(qiáng)的應(yīng)用潛力。應(yīng)用本系統(tǒng)，能為用戶提供決策管理的信息支持，有利于提升精細(xì)化和智能化管理水平，節(jié)約勞動(dòng)力，降低勞動(dòng)者的生產(chǎn)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率；同時(shí)也為農(nóng)產(chǎn)品提供詳細(xì)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，建立生產(chǎn)環(huán)境大數(shù)據(jù)資料，有助于建立農(nóng)產(chǎn)品可追溯檔案。

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作者:李佳丹 倪建剛 詹柴 徐志豪 單位:寧波市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院農(nóng)村發(fā)展和信息研究所