杜朝，王英师

摘要：物联网技术为农业环境监测系统的设计提供了技术条件。为了研究基于物联网技术环境监测系统的设计及其在农业上的应用，文章采用了文献资料法对从土壤温湿度监测、大气温湿度监测、风向传感器监测、风速传感器监测、太阳辐射监测以及数据传输与处理等方面研究了基于物联网技术的环境监测系统设计，并从警报功能、管理功能以及监控功能三方面分析了物联网技术环境监测系统在农业上的应用。

关键词：物联网技术;农业;环境监测;系统设计

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）34-0141-02

我国的传统农业正在进行现代化转型，基于互联网技术的环境监测系统为我国农业的现代化发展提供了重要的技术支撑。基于物联网技术的环境监测系统从土壤温湿度、大气温湿度、风向、风速以及太阳辐射等方面的数据对农作物的生长条件进行分析，并依据分析结果实施针对性处理，对于提升我国的农作物产量和促进我国的传统农业现代化转型具有重要意义。

1 基于物联网技术的农业环境监测系统概述

物联网技术是一项实现物物连接的现代化网络技术，能实现对物品的实时追踪和大数据管理。环境监测就是对固定环境中的各环境参数进行详细统计全面分析，对环境的变化及时了解并制定与之对应的处理方案。基于物联网技术的环境监测系统由三个技术层次组成，分别是对外界信息进行采集处理的感知层、实现信息传递和数据交互的应用层以及应用于特定环境和项目的应用层[1]。农业生产的环境要素由许多方面组成，土壤的温湿度、大气的温湿度、风向、风速以及太阳光照度以及空气中二氧化碳的浓度和含量都是农业生产环境的构成要素。基于物联网技术的农业环境监测系统就是对着农业生产环境中的各要素进行全面监测、数据采集以及科学管理的综合系统。

2 基于物联网技术农业环境监测系统的设计

物联网技术分为感知层、网络层以及应用层三个技术层级。在进行基于物联网技术的农业环境监测系统设计时，也要根据这三个技术层面按照逻辑顺序进行分层次设计。农业环境监测系统中对感知层的设计是基础，构建全面的感知技术层可以对农业环境中各要素的具体数据进行全面采集，是设计工作的关键环节，也是农业环境监测系统设计的主要内容。在数据采集完成之后将数据上传服务器进行数据分析，实现对网络层次和应用层次的系统设计。

2.1土壤温湿度监测

在基于物联网技术农业环境监测系统的设计中，对农作物生长环境中的土壤温湿度要进行全面监测。对土壤温湿度监测使用的传感器是CSF11，这种传感器的供电方式是直流电电压供电，交流电电压的供电对其并不适用，供电的电压在5伏到30伏之间。CSF11传感器具有非常高的测量精度，对于土壤温度测量的误差在0.5摄氏度以内，对于土壤中水分含量的测量误差在5%以内。CSF11传感器对于采集到的土壤温湿度信息有多种对外传输方式，如RS-485接口、电压以及电流等。CSF11传感器的通讯参数有着固定的数值，8个数据位、一个起始位、一个停止位、数据传输速率必须保持在波特率9600bps以及不需要校验。对CSF11传感器通讯参数的设置可以通过更改Modbus命令或者进行程序设置来操作。CSF11传感器的系统默认值中将传从机地址默认为“1”，可以通过命令“03”“06”“16”进入“0x0200”通道，改变对从机地址的默认设定。CSF11传感器温度值寄存器在Modbus协议中的通道值是0，温度值的范围以数据的表现形式来展现，零下40摄氏度到零上80摄氏度对应的数值范围是-4000到8000.CSF11传感器水分含量寄存器在Modbus协议中的通道值是1，土壤中水分含量0%～100%对应的数值范围是0-10000.对CSF11传感器温度值寄存器和CSF11传感器水分含量寄存器通过命令“04”或者“03”进行访问，即可获得采集到的数值范围，再将温度湿度与相对应的数值范围进行换算，就可以得出土壤中的温度值和湿度值。

2.2 大气温湿度监测

在基于物联网技术农业环境监测系统的设计中，对大气温湿度监测的设计是非常重要的设计环节。监测大气温湿度的用的是HT485DS传感器。HT485DS传感器的温度监测范围是零下20摄氏度到零上70摄氏度，相对湿度监测范围是0%到100%。HT485DS传感器的测量精度较之CSF11传感器更高，对温度的监测误差能保持在0.1摄氏度以内，对相对湿度的监测误差能保持在0.1%以内。Modbus协议同样对HT485DS传感器起到命令作用，HT485DS传感器接受的命令代号是“06”和“04”。对HT485DS传感器地址进行设置用“06”命令，对HT485DS传感器采集到的温度湿度数据读取用的是“04”命令[2]。HT485DS传感器的温度和湿度通道号分别为“0”和“1”。与CSF11传感器不同的是，HT485DS传感器需要校验，校验码是ModBus协议中的CRC校验码。

2.3 风向传感器监测

在基于物联网技术农业环境监测系统的设计中，对风向进行监测采用的是PHWD传感器。PHWD传感器可以实现360度无死角的風向监测，在气象、机场、实验室、港口、交通以及农业等领域都有着广泛的应用。PHWD传感器的内部装设有精密电位器，在进行风向监测时使用的是受惯性作用影响小的金属风向标。PHWD传感器具有非常优良的动态性能，非常强的抗雷击能力可以使其在室外环境下持续工作。PHWD传感器还具有观测便捷、线性好以及量程大等优点。PHWD传感器的观测精度非常高，在360度的全方位风向监测中，判断误差不会超过3度。PHWD传感器的供电电压是固定的，采用直流电压供电，一般有5伏、12伏和24伏三种供电方式。PHWD传感器采集到数据的对外传输方式有电流、电压以及变送器输出等方式。采用电压进行数据输出是PHWD传感器数据输出的最常见方式，风向角度示值与输出电压的关系公式为：风向示值=360×电压伏数÷5。

2.4风速传感器监测

在基于物联网技术农业环境监测系统的设计中，对风速进行监测采用的是PHWS风速传感器。PHWS风速传感器是由传统的三风杯风速结构构成[3]。风杯材料选用的是碳纤维材料，具有较高的强度。PHWS风速传感器在气象、农业、实验室、港口以及机场等方面都被广泛应用。PHWS风速传感器风杯的内部设置有信号处理单元能根据不同的应用需求对输出的风速信号进行变更。PHWS风速传感器的风速测量范围在0米/每秒到45米/每秒之间，测量精度能够达到0.1米/每秒，也就是说PHWS风速传感器的风速监测误差不会超过0.1米/每秒。PHWS风速传感器和PHWD传感器相同，供电电压都是固定的，采用直流电压供电，一般有5伏、12伏和24伏三种供电方式。PHWS风速传感器的风速数据输出方式有电流型、电压型以及脉冲型，比较常用的输出方式为0伏到5伏的电压输出。PHWS风速传感器对风速监测时，风速与电压的关系公式为：风速=45×电压伏数÷5。

2.5太阳辐射监测

在基于物联网技术农业环境监测系统的设计中，对太阳辐射监测使用的是PHJYZ简易总辐射传感器。PHJYZ简易总辐射传感器可以测量太阳总辐射的光谱范围0.3微米到3微米之间。PHJYZ简易总辐射传感器在能源、气象、建筑以及农业等方面被广泛应用。PHJYZ简易总辐射传感器对太阳总辐射的最高测量范围可达500瓦/每平方米，其供电方式采用直流电，一般有5伏、12伏和24伏三种供电方式。PHJYZ简易总辐射传感器的监测数据输出方式有电流、电压以及变送器输出等。在运用变送器输出监测数据时，一般采用RS485接口或者RS232接口。在运用电压进行监测数据输出时，太阳辐射功率和电压的关系公式为：功率=1500×电压÷5。

2.6 数据传输与处理

在对农业生产环境的各要素数据进行精确地采集之后，这些数据会被传送到云计算中心服务器。在进行监测数据传输时，基于TCP/IP协议通过LAN、WiFi、GPRS等方式连入互联网，将监测数据传输到计算分析终端。应用软件在接收到农业生产环境中土壤温湿度、大气温湿度、风向、风速以及太阳辐射等方面的监测数据之后，对这些数据进行计算处理，分析这些数据是否在合理区间内，对于超出合理区间的数据情况，及时发出预警[4]。对监测数据进行传输和处理的过程是对物联网技术网络技术层和应用技术层的实现。对于农业生产环境中土壤温湿度、大气温湿度、风向、风速以及太阳辐射等方面的监测数据，要能够长期保存，用户在登录监测系统之后就可以对监测区域的历史数据信息进行随时查看，数据的长期保存和用户的安全登录一般依托于clipse平台并使用java语言进行监测系统的软件设计。

3 物联网技术环境监测系统在农业上的应用功能

3.1 警报功能

物联网技术环境监测系统可以对农业生产环境中土壤温湿度、大气温湿度、风向、风速以及太阳辐射等方面的数据的变化进行及时感知，在某项参数超出预先设定的正常值范围时，就会对用户发出警报，让用户对农业生产环境的变化及时了解，用户可以在对数据变化进行科学计算的基础上，做出對农作物生长干预的科学决策。物联网技术环境监测系统在农业应用中的警报系统可以规避许多农业风险，对保障农作物的正常健康生长起到非常重要的作用。

3.2 管理功能

物联网技术环境监测系统可以实现用户对农业生产环境的远程监控管理。物联网技术背景下，农业生产环境中土壤温湿度、大气温湿度、风向、风速以及太阳辐射等方面的数据可以实现网络传输，用户可以对这些数据信息进行远程接受[5]。除此之外，物联网技术环境监测系统还可以和用户的手机、电脑等网络终端相连接，实现对农业生产环境的远程智慧化管理。例如用户手机可以连接农田的灌溉控制器对农田的灌溉实现远程操控，物联网技术环境监测系统还可以实现自身的智慧化调节，在农业生产环境中出现数据异常时，可以连通控制系统对农业生产环境进行自动控制和调节。

3.3 监控功能

物联网技术环境监测系统可以完成无人操作的农业生产环境全方位昼夜监测，采用多元化的监测方式，对农业生产环境中土壤温湿度、大气温湿度、风向、风速以及太阳辐射等方面的数据进行实时监测，并通过电流、电压以及变送器等方法将采集到的数据传输到云计算平台，用户可以不用亲临农田就能对农田的外在环境了如指掌，在化肥的使用、灌溉量的计算以及病虫害防治等方面都能提前预估处理方式。监控功能为农作物的生长提供了一张数据化的安全网，对农作物生长中的异常情况起到全面的监测和管控作用[6]。

4 结语

基于物联网技术环境监测系统的设计及其在农业上的应用，是我国农业技术创新的优秀成果，为实现现代化的农业生产起到重要作用。物联网技术农业监控系统可以为农业提供精准的环境监测、科学化的环境管理以及智慧化的环境控制，为提高我国农作物产量发挥出重要作用，不仅可以减轻农业人员的辛劳程度，还能改善农业的生产环境，除此之外，还为更新农业技术的研究发展做出了必要准备，可为一举三得。

参考文献：

[1] 瞿荣锦，韦琮，赵丽娟.基于物联网技术的农田环境监测系统的研究与构建[J].农业开发与装备，2018（9）：104-105.

[2] 高成，王鹏，张亚玲.基于物联网技术环境监测系统的设计及其在农业上的应用[J].贵州农业科学，2017，45（4）：120-123.

[3] 王娜，尹向东，杨振南.现代农业物联网云平台环境监测系统研究[J].湖南科技学院学报，2020，41（5）：58-60.

[4] 马丽红，高茜茜，常勇，等.基于物联网技术的果园环境监测系统实现探究[J].农业与技术，2019，39（13）：22-23.

[5] 宋俊慷，樊东红，郑鑫，等.基于物联网的农业产业园环境监测系统的设计[J].智能计算机与应用，2019，9（4）：136-139.

[6] 徐识溥，刘勇，李双喜，等.基于农业物联网的农田土壤环境监测系统的研究与设计[J].中国农学通报，2018，34（23）：145-150.

【通联编辑：唐一东】