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光伏技術的農業環境監測探析論文
摘要：本文開發了一款基于光伏技術的農業環境實時遠程監測與預警系統，包括太陽能光伏板、多個信息監測模組、信息傳輸模組、信息存儲處理模組及移動端APP，實現了對大棚溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等環境要素的智能監測和異常預警。系統特征在于：第一，所有信息傳輸模組采用無線信息傳輸，如WIFI、4G等通信網絡，避免了復雜的線路鋪設，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，系統集成化程度較高，安裝簡單，且成本造價較低，更易被廣大農戶接受；第三，移動端查詢軟件平臺界面友好，操作簡單，數據采集和處理高效精準，傳輸穩定，且測試成本低，易于長期監測。
關鍵詞：智能監測；預警系統；太陽能光伏技術；安卓用戶
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，創造動植物生長發育所需的適宜環境，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，保證農產品周年生產和均衡上市，是集約高效農業的重要形式[1-2]。設施環境信息數字化采集和設施裝備的智能化、自動化管理調控是現代設施農業有別于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、智能化管理控制技術相對滯后[3-4]。依據現階段農田分布特征，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設備成本投入、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，依托光伏技術、移動互聯網技術和信息技術，本研究設計并開發了一款基于光伏技術的農業環境實時遠程監測與預警系統，包括太陽能光伏板、多個信息監測模組、信息傳輸模組、信息存儲處理模組及移動端APP，實現了對大棚溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等環境要素的智能監測和異常預警。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信息支持，以最少的資源消耗獲得最大的產出[5]。
1無線遠程監測系統設計方案
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，信息監測模組對應電連接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信息監測模組供電。
1.2數據采集模組
本課題設計的溫室大棚智能監測系統，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、可靠的轉換和信號的精確捕捉等性能，數字式傳感器具備高可靠性、高集成度、高分辨率、高精度、強抗干擾能力等優點，被廣泛應用于農業、工業、軍事、氣象和醫療等眾多領域，本研究采用新型的數字式DHT11濕度傳感器、LM35溫度傳感器、BH1750FVI光照傳感器完成數據的實時采集，完成信息的轉換和處理，為信息傳輸做準備。
1.3數據傳輸模組
信息傳輸模塊是無線信息傳輸模組，其通過WIFI通信網絡、GSM通信網絡、CDMA通信網絡將來自信息采集模塊的實時農業環境信息傳輸至信息存儲處理模塊。
1.4信息儲存處理模組
信息存儲處理模塊搭建于云服務器之上，依賴于云的動態擴展計算能力進行信息的分析及處理，信息存儲處理模塊接收來自信息監測模塊的實時農業環境數據，并與預設的農業信息標準值進行比較，根據預設標準值與實時監測的農業信息值的比較結果，通過移動互聯網推送服務將報警消息推送至任意一臺安裝了環境檢測預警APP的終端設備。
2軟件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件，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、濕度、光照和二氧化碳濃度等）的遠程實時監測，記錄歷史環境數據，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開發運行環境
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運行環境，Java工具和Java基礎的類庫；AndroidSDK是由Google提供的完全開放源代碼的Android專屬軟件開發工具包，用于開發基于Android操作系統的第三方軟件，為程序設計者提供豐富的控件；AndroidStudio是基于intelliJIDEA,提供集成的An-droid開發工具用于開發和調試。
2.2系統功能展示
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操作系統的手機或者平板電腦上安裝，打開應用，歡迎界面閃現程序開發單位：寧波市農業科學研究院，1.5秒后，系統自動跳入主界面，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，最上面展示當前的實時環境數據，包括溫度、濕度、太陽輻射和二氧化碳濃度，下面圖表顯示各環境參數的變化曲線
。2.2.3單項環境數據詳細展示。單擊圖形區域可進入單項的詳細數據界面，數據展示查詢當天的傳感器采集數據。通過手指在屏幕上觸控，如雙指縮放、拉伸，單指拖曳查看，圖上顯示詳細數值。
2.2.4歷史數據展示。單擊主界面右上角的鐘表圖形，程序跳出時間選擇框，選擇需要查詢的日期，系統展示該日期的24小時溫度、濕度、太陽輻射和二氧化碳濃度曲線圖。點擊右上角返回圖表，即可返回主界面。
2.2.5監測地點切換。單擊主界面左上角的聚光太陽能測試52文本框，程序出現監控溫室下拉單，可供隨意切換監控地點，環境監測數據自動更新。2.2.6異常環境報警。在服務器中心設置農業環境參數閾值，對所有app即時生效，傳感器數據超出閾值時實時觸發報警。程序發送推送消息，提醒用戶采取相應措施。2.2.7程序維護更新。當程序有最新版本時，用戶在開啟程序，系統會跳出對話框，供用戶更新到最新版本，或者忽略。實現程序的不斷完善，保證用戶能夠使用最新版本的程序。
3結論
數字化、自動化、智能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。本研究集成傳感器網絡、物聯網技術、嵌入式技術、現代通信技術等新型技術，實現了設施內光、溫、濕、氣等環境數據的遠程實時監測功能。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，采用獨立的分布式電源管理方式提供電能控制所述信息監測模塊的工作狀態，保障檢測的實時進行，避免由于線路故障、停電施工等因素對監測工作的干擾；第二，系統內信息監測模塊采用無線傳輸，實現在遠程，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局限性；第三，在監測過程中提供監測預警功能，使作業人員遠程第一時間得知環境異常情況，以便及時采取措施改善環境，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，集成度較高，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。本系統憑借精度高、節能、環保、系統結構簡單、集成化程度高、界面美觀大方、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，能為用戶提供決策管理的信息支持，有利于提升精細化和智能化管理水平，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數據，建立生產環境大數據資料，有助于建立農產品可追溯檔案。
參考文獻
[1]管繼剛.物聯網技術在智能農業中的應用[J].通信管理與技術,2010(3):24-27+42
[2]姚於康.國外設施農業智能化發展現狀、基本經驗及其借鑒[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]葉宏寶,徐志福,石曉燕,李冬.設施農業環境智能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.智能農業大棚無線監測與管控的平臺系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2015(11):69-72.
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