设施农业环境因子无线监测及预警系统设计研究

摘 要：本文探讨了在设施农业中如何对环境因子进行全方位无线监控，建立健全农业预警系统，为提高设施农业的信息化和自动化建设提出了建议和意见。

关键词：设施农业；环境因子；无线监测；预警系统

中图分类号：TP274.4

设施农业是近年来在农业科技发展基础上所形成的一种概念，其以高端工程技术为媒介，通过专业设施的投入，人为改变环境因子，创设有利于农作物生长的环境，从而打破了地域、季节和自然环境限制，对农业的发展起到了积极的推助作用。无线监测及预警系统是设施农业的重要保障，是有效控制环境因子的重要手段。结合现有的技术条件，设计具有低风险、高效能的无线监测及预警系统，对推进我国的设施农业发展具有重要意义。

1 设施农业环境因子的无线监控结构

无线监控是捕捉环境因子信息的重要设施，常用于两个及两个以上的温室群。在结构设计方面，无线监控由两大主体系统构成，连接这两大主体系统之间的媒介即GSM网络。

1.1 设施农业、网关节点及终端检测节点的配置。（1）设施农业基本架构。设施农业的核心是与农业相关的温室、畜室和菇房，但目前趋于大众化的设施农业仅针对农作物种植温室而言。其基本原理是利用覆盖材料对农作物进行保护，从而改变环境因子，对农作物实施冬天保温防冻和夏天降温防苔措施，即人们常说的温室（大棚）。环境因子控制是设施农业建设的关键因素，如土壤、水分和光照等等。当前，我国大多数地区实行节源型设施农业运作，即以最少的人力资源来维系最多的温室运行。由此，这也决定了在设施农业建设中必须采用无线监控设施来控制环境因子。（2）网关节点的基本结构。设施农业中的网关节点主要是指无线传感器节点，其主体包括终端用户、电源、串口模块、USB系统、定位引擎、天线和晶振组成。在设施农业的运作过程中，网关节点的主要功能在于接受终端检测节点所采集的环境因子信息，并通过GSM网络信号，将信息传送给无线监测设施，如图1所示。（3）终端监测节点的基本结构。终端检测节点是收集环境因子信息的重要设施，基于设施农业对环境因子信息采集的要求较高，因此在设计终端检测节点时可考虑采用CC2430系统芯片，并采用SHT11数字型温湿传感器。

1.2 无线监测设施配置。设施农业中的无线监测设施主要包括用户手机和远程数据监测系统。在实践应用中，两种无线监测设施的运用方式相同，但由于信号接收功能的强弱，因此，手机的性能则远远不如专业的远程数据监测系统。

远程数据监测系统的主要功能是接收由终端检测节点所传送的温室环境因子信息，同时对网关节点和终端检测节点进行控制，其主体是通过ASP・NET+SQL编程所构建的，其中，ASP动态服务页面负责与远程数据监测系统的数据库进行交互，从而提供实时数据显示；NET操作平台负责远程数据监测系统与网关节点的协同工作，通过人为操作，提供数据分析和历史查询服务；而SQL数据库则负责储存终端检测节点所传送的各种数据，并提供实时查询服务。

2 设施农业环境因子预警系统设计

环境因子预警系统是建立在无线监控基础上的，严格来说，是无线监控功能的延伸。在对设施农业环境因子的无线监控中，由于无线监控仅能掌握环境变化的当前和历史数据，而不能对突发状况作出预警，因此，科学设计设施农业环境因子预警系统，对完善设施农业中的“设施”具有重要意义。

2.1 DSS决策预警系统的功能概述。决策预警系统（Decision Support System 简称DSS）是一种全新的设施农业环境因子预警系统，其主要功能是捕捉温室环境因子的变化，为设施农业的各项决策提供预警服务。DSS决策预警系统的优势在于：（1）能够提高设施农业建设中各项决策的有效性；（2）在用户各类决策变更中具有高度的灵活性和适应性；（3）具有广阔的应用空间和高度的应用价值。

2.2 DSS决策预警系统的基本结构。DSS决策预警系统主要采用两库结构，其基本结构主要包括人机交换系统、模型库管理系统、模型库、数据库管理系统和数据库五大主体此外，DSS决策预警系统的基本结构还具有另一种系统形式，其主体包括语言处理系统、问题处理系统和知识系统，结构方式与前者大体一致。此外，两种基本结构都是建立在以用户为媒介这一基础上的。

但在实践中，环境变因子是千变万化的，实践证实，固定、单一的常规预警系统很难适应千变万化的环境状况，因此，这就需要在此基础上进一步健全预警系统，即对DSS决策预警系统进行完善处理。对此，本文建议将人机交换系统与模型库管理系统、数据库管理系统和决策预警相融合，使其能够应对更多的环境变化。

2.3 DSS系统的环境因子预测与模型建立。由于设施农业的操作性较强，技术含量较高，因此，在温室建设中极易产生漏洞，这些漏洞会严重影响DSS预警系统的性能。因此，在开展DSS决策预警系统设计时必须要结合设施农业的建设状况，以及结合当地的实际情况，设计不同的硬件设施和预警系统来匹配相应的自然环境。实现DSS决策预警系统的环境因子预测需要一定的模型预测支撑，在实践中，用户可首先测量当地的早、午、晚温差，其次利用温差数据建模，评测预警系统的反应能力。而对于四季不明显、早晚温差较小的区域，如我国南方地区，则需要一周、一月或更长的时间来采集更多的数据。

2.4 DSS决策预警系统的环境因子预警流程。DSS系统预警是由环境因子各项参数的设定值来决定的，农作物对环境变化的适应能力较强，环境因子变化不明显，则设定值较高，反之，则需设定较低的预警参数。其主要流程主要包括两个方面。首先，设定环境因子预警参数值，并通过终端预测节点获得实际检测数据；其次，通过DSS决策预警系统，其一将监测数据反映给报警灯，并显示结果，其二将数据传送给数据库，通过数据库对当前数据和历史数据进行对比，将新数据储存到历史数据库，最后刷新数据，通过数据库反映出来。经实践证实，DSS决策预警系统能够有效弥补无线监测的不足，使用户对温室能够形成24小时监控和不间断预警，从而能够及时获取环境因子的动态，作出具有针对性的决策。

3 结束语

当前，我国的设施农业建设正由原来的个体化逐渐向着市场化的方向过渡，因此，只有积极探索设施农业发展的新路径，才能充分发挥我国农业的优势，让农业带动其他产业发展，形成蕴含巨大潜力的新的产业链

参考文献：

[1]封金祥.精准灌溉技术及其应用前景分析[J].新疆农业科技，2005（04）：47.

[2]张佐经，张海辉，瞿长远.设施农业环境因子无线监测及预警系统设计[J].农机化研究，2010（11）：76-82.

作者单位：湖南常德职业技术学院，湖南常德 415000