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光伏技术的农业环境监测探析

摘要:本文开发了一款基于光伏技术的农业环境实时远程监测与预警系统,包括太阳能光伏板、多个信息监测模组、信息传输模组、信息存储处理模组及移动端APP,实现了对大棚温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等环境要素的智能监测和异常预警。系统特征在于:第一,所有信息传输模组采用无线信息传输,如WIFI、4G等通信网络,避免了复杂的线路铺设,避免对农业生产造成影响,提高了农业环境监测供用电的安全性和可靠性;第二,系统集成化程度较高,安装简单,且成本造价较低,更易被广大农户接受;第三,移动端查询软件平台界面友好,操作简单,数据采集和处理高效精准,传输稳定,且测试成本低,易于长期监测。

关键词:智能监测;预警系统;太阳能光伏技术;安卓用户

随着城市化的推进,农业资源不断紧缺,从事农业生产的人员日趋减少,劳动力成本不断攀升,而社会对农产品的需求却日益增长。原有的农业生产方式已经不能满足社会发展的需要,必须对传统农业进行技术更新和改造。设施农业以人为手段改变温、光、水、肥等动植物生长环境因素,创造动植物生长发育所需的适宜环境,摆脱气候、土地等条件的制约,行成可控条件下集约化、标准化、高效化生产,保证农产品周年生产和均衡上市,是集约高效农业的重要形式[1-2]。设施环境信息数字化采集和设施装备的智能化、自动化管理调控是现代设施农业有别于传统农业的核心技术之一。目前,世界各国温室控制技术发展很快,一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。然而,浙江省乃至全国设施农业仍以小规模分散经营为主,设施装备水平较低,精细化、自动化、智能化管理控制技术相对滞后[3-4]。依据现阶段农田分布特征,农业生产投入成本和农产品市场价值,以及江浙区劳动力成本不断攀升等现状,为求最大程度地降低设备成本投入、提高设施农业管理效率、降低农业劳动力成本,最大程度地发挥设施农业功能和效益,依托光伏技术、移动互联网技术和信息技术,本研究设计并开发了一款基于光伏技术的农业环境实时远程监测与预警系统,包括太阳能光伏板、多个信息监测模组、信息传输模组、信息存储处理模组及移动端APP,实现了对大棚温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等环境要素的智能监测和异常预警。顺应“物联网+农业”的大势所趋,为农业在各个时期的精准管理和预警提供信息支持,以最少的资源消耗获得最大的产出[5]。

1无线远程监测系统设计方案

1.1供电模组

电源包括太阳能电池组及蓄电池组或储能电容组及充放电控制保护电路。太阳能电池组将太阳能转化为电能,信息监测模组对应电连接蓄电池组或储能电容组及充放电控制保护电路,太阳能产生的电能经蓄电池组及充放电控制保护电路分别向多个信息监测模组供电。

1.2数据采集模组

本课题设计的温室大棚智能监测系统,温度、湿度、光照和二氧化碳浓度传感器作为测量的第一部分,要求传感器具有较高的精度、可靠的转换和信号的精确捕捉等性能,数字式传感器具备高可靠性、高集成度、高分辨率、高精度、强抗干扰能力等优点,被广泛应用于农业、工业、军事、气象和医疗等众多领域,本研究采用新型的数字式DHT11湿度传感器、LM35温度传感器、BH1750FVI光照传感器完成数据的实时采集,完成信息的转换和处理,为信息传输做准备。

1.3数据传输模组

信息传输模块是无线信息传输模组,其通过WIFI通信网络、GSM通信网络、CDMA通信网络将来自信息采集模块的实时农业环境信息传输至信息存储处理模块。

1.4信息储存处理模组

信息存储处理模块搭建于云服务器之上,依赖于云的动态扩展计算能力进行信息的分析及处理,信息存储处理模块接收来自信息监测模块的实时农业环境数据,并与预设的农业信息标准值进行比较,根据预设标准值与实时监测的农业信息值的比较结果,通过移动互联网推送服务将报警消息推送至任意一台安装了环境检测预警APP的终端设备。

2软件系统设计显示终端移动端

APP全称为“农业环境监测预警系统移动端”,简称“农业环境监测预警”,是面向大田和温室农业物联网应用的软件,利用手机/平板的便携性和操控灵活性等优势,实现对农业生产环境(温度、湿度、光照和二氧化碳浓度等)的远程实时监测,记录历史环境数据,自动生成图表进行展示。同时,及时对农业生产环境异常状况进行报警提醒。有效节省人力成本,提高智慧农业的数字化管理效率。

2.1开发运行环境

本研究为开发农业物联网监控系统———“农业环境监测预警系统移动端”构建了通用的应用系统开发环境,由“JDK(JavaDevelopmentKit)+AndroidSDK(SoftwareDevelop-mentKit)+AndroidStudio"构建。其中,JDK是整个Java的核心,包括Java运行环境,Java工具和Java基础的类库;AndroidSDK是由Google提供的完全开放源代码的Android专属软件开发工具包,用于开发基于Android操作系统的第三方软件,为程序设计者提供丰富的控件;AndroidStudio是基于intelliJIDEA,提供集成的An-droid开发工具用于开发和调试。

2.2系统功能展示

2.2.1欢迎界面。用户通过扫描二维码下载app,或者拷贝程序,在基于Android操作系统的手机或者平板电脑上安装,打开应用,欢迎界面闪现程序开发单位:宁波市农业科学研究院,1.5秒后,系统自动跳入主界面,操作流畅,界面友好。2.2.2主界面。以宁波聚光太阳能52温室为例,最上面展示当前的实时环境数据,包括温度、湿度、太阳辐射和二氧化碳浓度,下面图表显示各环境参数的变化曲线
。2.2.3单项环境数据详细展示。单击图形区域可进入单项的详细数据界面,数据展示查询当天的传感器采集数据。通过手指在屏幕上触控,如双指缩放、拉伸,单指拖曳查看,图上显示详细数值。
2.2.4历史数据展示。单击主界面右上角的钟表图形,程序跳出时间选择框,选择需要查询的日期,系统展示该日期的24小时温度、湿度、太阳辐射和二氧化碳浓度曲线图。点击右上角返回图表,即可返回主界面。
2.2.5监测地点切换。单击主界面左上角的聚光太阳能测试52文本框,程序出现监控温室下拉单,可供随意切换监控地点,环境监测数据自动更新。2.2.6异常环境报警。在服务器中心设置农业环境参数阈值,对所有app即时生效,传感器数据超出阈值时实时触发报警。程序发送推送消息,提醒用户采取相应措施。2.2.7程序维护更新。当程序有最新版本时,用户在开启程序,系统会跳出对话框,供用户更新到最新版本,或者忽略。实现程序的不断完善,保证用户能够使用最新版本的程序。

3结论

数字化、自动化、智能化是未来设施农业的发展方向,是设施农业开展实际生产的客观需求。本研究集成传感器网络、物联网技术、嵌入式技术、现代通信技术等新型技术,实现了设施内光、温、湿、气等环境数据的远程实时监测功能。与国内已有设施农业环境监测管理系统相比,本研究产品在实际应用中具备以下优势:第一,采用独立的分布式电源管理方式提供电能控制所述信息监测模块的工作状态,保障检测的实时进行,避免由于线路故障、停电施工等因素对监测工作的干扰;第二,系统内信息监测模块采用无线传输,实现在远程,环境条件恶劣的工作环境中有效监测的可能,降低人为因素造成对农作物生长环境的局限性;第三,在监测过程中提供监测预警功能,使作业人员远程第一时间得知环境异常情况,以便及时采取措施改善环境,避免了因为环境异常和极端环境导致农作物减产,甚至绝收现象;第四,系统结构简单,集成度较高,安装简单,使用成本低廉,更易被农户接受,具有较高的推广应用价值。本系统凭借精度高、节能、环保、系统结构简单、集成化程度高、界面美观大方、费用低廉等优势,已在宁波市农科院东钱湖园区、慈城三友基地等投入使用,平台工作稳定,监测效果理想,显示出较强的应用潜力。应用本系统,能为用户提供决策管理的信息支持,有利于提升精细化和智能化管理水平,节约劳动力,降低劳动者的生产强度,提高生产效率;同时也为农产品提供详细的生产数据,建立生产环境大数据资料,有助于建立农产品可追溯档案。

参考文献

[1]管继刚.物联网技术在智能农业中的应用[J].通信管理与技术,2010(3):24-27+42

[2]姚於康.国外设施农业智能化发展现状、基本经验及其借鉴[J].江苏农业科学,2011(1):3-5.

[3]左景行,潘慧锋,宋泉华,陈进红.浙江省设施农业的现状与发展对策[J].浙江农业科学,2010(3):441-444.

[4]叶宏宝,徐志福,石晓燕,李冬.设施农业环境智能监控管理平台设计与实现[J].浙江农业学报,2014(2):467-472.

[5]李萌,邓琛,王昌志.智能农业大棚无线监测与管控的平台系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2015(11):69-72.

作者:李佳丹 倪建刚 詹柴 徐志豪 单位:宁波市农业科学研究院农村发展和信息研究所

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