基于云平台的农田环境无线监测系统研究与设计
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摘要：随着科学技术的发展，农田科技也在不断进步，为了更好地利用土地资源，提高产量的同时，注重品质。农田环境对作物生长至关重要，本文介绍一种能够同时监测农田环境的温度、湿度、二氧化碳、二氧化氮、光照、土壤温度、含水量等多种因素的监测系统，采用太阳能电池板供电，通过GPRS通讯实时将监测环境数据上传到云服务器，很方便地通过互联网或无线移动网络，监测、统计、分析、查询农田环境情况，为农业生产提供科学依据。
关键词：云平台 农田环境 无线监测 嵌入式
中图分类号：TP274；S126 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）11-0140-02
1 引言
21世纪的农业是信息高度集成化的智慧农业，在农业领域中充分发挥科技的力量势在必行。智慧农业是农业发展的新潮流，是未来农业可持续发展的必经之路。发展智慧农业需要大量有效和及时准确的农田环境信息，获取农田环境信息是智慧农业实现的关键之一。近年来，农田环境信息获取的方法和手段不断提高和丰富，但从总体上看，还存在一些问题有待解决，如：环境信息采集过程应用的手段还相对落后、采集效率不高；传输方式受布线难、传输距离短、现场环境复杂等限制；同时由于农田分散、且多无人看管、设备多，管理工作需要进一步完善。
为此，笔者设计了基于GPRS、云平台和无线传感器网络技术的监测系统，能够实现实时监测农田环境的各种参数，以解决上述问题。对于提高农业耕作精细化程度，减少人力资源投入，农业生产大数据的研究等都具有重要的科学意义，对智慧农业的推广发展具有深远影响。
2 农田环境监测系统
农田环境监测系统主要由云服务器、网站、移动客户端、无线通讯网络、智能终端和环境监测传感器构成。在大棚和农田里安装的是农田环境监测智能终端，它由太阳能电池板供电，无需外接电源，并且由程序控制为低能耗节能模式可常年累月运行，保证对农作物整个生长周期进行无缝监控。智能终端可以同时配备温度、湿度、二氧化碳、二氧化氮、光照、土壤水分、土壤养分、土壤酸碱度、污染物（COD、BOD）等传感器。用这些传感器感知作物生长土壤、空气、光照等环境参数，转变成数据形式，通过GPRS无线通信网络上送到云服务器，进行分类、存储、统计和分析。
通过互联网浏览器访问平台网站，或者手机客户端查询相应农田环境数据的变换和报警信息。大量智能终端安装到农田大棚，长时间运行后，云服务器就会存储海量的农田环境数据。农业科研专家通过建立农作物生长模型分析这些海量数据，对历年作物品质、产量、环境数据进行分析对照，预测作物生长及产量情况，及时提出合理的农田耕作和管理的指导建议，为农业生产、发展精准农业、智慧农业提供技术支撑和科学依据。
2.1 农田环境监测参数选择
影响农田环境的参数很多，我们从中选取了对植物影响重要，而且便于在线测量如农田环境地表空气温度、湿度、CO2、NO2，表面光照、土壤温度、土壤含水量、土壤养分、土壤酸碱度等参数作为农田环境的监测量。
2.2 农田环境监测系统构成
农田环境监测系统由云服务器、网站、移动客户端、无线通讯网络、智能终端和环境监测传感器以及环境监测分析软件以及移动设备客户端软件等构成。
监测终端是采用嵌入式结构，内部集成了GPRS通讯设备；16路0～10mV、0～5V、0～10V、4～20mA等模拟量信号传感器接口；6路IIC、TTL232、RS232、RS485、USB等通讯信号传感器接口；并提供锂电池、太阳能等电源输入接口和DC3.3V1A或DC5V0.5A或DC24V0.1A电源输出接口。测控终端除了具有监测终端的功能外，还带有8路继电器、2路PWM控制接口。
环境传感器选择有线的，DC3.3V或DC5V或DC24V供电，并且支持0～10mV、0～5V、0～10V、4～20mA、IIC、TTL232、RS232、RS485、USB等信号接口之一的传感器，无需任何信号转换器就可以直接与监测终端连接。如果选择其他信号接口的传感器，需要外加信号转换器。
2.3 系统工作原理
在待测农田、大棚等相应位置安装农田环境传感器、监测终端以及太阳能板。如果需要，还可以安装一块或多块本地公共显示屏，用作实时显示监测数据和分析情况。
环境传感器将各种物理量转换成0～10mV、0～5V、0～10V、4～20mA、IIC、TTL232、RS232、RS485、USB之一的电信号，通过测控终端采集变为实时数据，经过嵌入在终端内部的硬件和软件数据滤波后加上时间戳和物理量类型，形成数据记录，保存在测控终端的Flash存储器中，同时由GPRS通讯上送到云服务器和本地公共显示屏。
云服务器收到测控终端上送的数据，进行分类、汇总保存到云数据库中。远程计算机的测试分析软件系统，通过互联网或GPRS，访问云服务器数据库，进行综合分析，将分析结果送回云服务器，供研究分析、本地公共显示屏显示、远程或移动客户端查询用。
3 农田环境监测数据处理
3.1 监测终端数据滤波
受地域或自然环境影响，监测数据极易受到农田劳作、环境扰动等的外界因素干扰。要想反映实际情况的监测数据，需要将采集到的数据进行滤波处理，因此，除了在硬件电路对采集量进行滤波外，还必须针对不同监测量，在软件上通过相应的数字滤波[2]进行处理。
采集终端将采集到的空气温湿度、土壤温度、含水量和光照强度等模拟信号转换成数字量后，通过公式计算出的环境参数的平均变化率。
监测终端根据其平均变化率，自动选择合适的数字滤波方法。例如像温度、湿度等大部分农田环境参数变化缓慢的监测量，即当
（1）
其中，y（t）为滤波后的当前采集值，f（x）为当前实测值，T0为滑动滤波长度。系统软件将新数据放入到滤波队列的队尾，扔掉最早采集的数据，滤波后的输出总是固定滤波长度的算术平均值。
当0.25
当0.55
3.2 监测结果
利用客户端分析软件从云端服务器获取监测数据，进行统计分析，从中选取了一块具有代表性的农田大棚，安装了一套监测终端，运行一段时间后，摘录了其中24小时的棚内空气温度、湿度、CO2含量和土壤温度、含水量、光照强度等参数监测曲线如图1所示。
4 结语
通过GPRS网络和云服务器，该系统可以无线远程实时监测农田环境数据。与传统农田环境采集系统相比，该系统减少人力和物力投入，缩短环境信息采集周期；与已有的无线采集系统相比，该系统对信号处理具有更好的收敛性，且通过云服务器存储数据更加稳定且智能。该系统对于发展精准农业和智慧农业起一定推动作用。
参考文献
[1]陈艳秋.基于WebGIS的田间环境监测系统平台的设计与实现[D].东北农业大学，2012.
[2]高捷，刘淮玉，徐文玺，沈文荣.两栋办公楼室内空气质量24小时动态检测结果分析[J].医学信息旬刊，2009（12）：269-269.
[3]Li C H，Yu Y T，Song S L，et al.A Digital Filtering Approach in Measurement and Control System[J].Advanced Materials Research， 2013，712-715：2615-2618.