基于物联网的鱼菜共生环境监测系统的研究

0 引 言

随着农业生产发展和技术革新，一种不同于传统农业生产方式的新型复合耕作体系悄然兴起——鱼菜共生。鱼菜共生系统通过巧妙的生态结构设计，将混有鱼类排泄物的水抽取到无土环境的蔬菜根部，让蔬菜在无土情况下充分吸收养分，同时起到净化水体的作用，净化后的水再流回鱼池中，从而实现养鱼不换水而无水质忧患，种菜不施肥而正常成长的生态共生效应。这种新型的生态农业方式需对多种环境因素精密监控，保证蔬菜、鱼和微生物所构建的生态系统的平衡。

目前，大多数鱼菜共生大棚管理系统还停留在人工观测或基于有限通信。人工管理方式不仅费时费力，环境参数调节全凭劳动经验，还不能保证生态系统一直处于最佳状态。随着科学技术的不断发展，物联网技术在农业领域的研究日趋深入，如大田种植、畜禽养殖、水产养殖、农产品物流等方面已有广泛的研究应用 [1-3]。但针对鱼菜共生环境监测系统的研究较少，精准监控环境参数是系统正常运转的必要条件，因此本文开展了基于物联网技术的鱼菜共生环境监测系统的研究，对鱼菜共生系统的部分参数实时采集监测，以保证植物、动物、微生物的平衡，从而有效解放人工劳力，提高科学化管理水平，为生态农业的发展提供技术支持。

1 系统总体结构

该鱼菜共生环境监测系统由信息感知、信息传输和信息处理三部分组成。系统首先通过多种传感器感知环境参数，如空气温湿度、光照强度、鱼池水温、水溶氧量、pH 值等信息，再利用农业信息传输技术中的无线传感网络信息传输技术将数据传输到监测中心。ZigBee 技术是农业物联网信息传输技术中研究最深入、应用最广泛的一种双向无线通信技术，具有近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本、高可靠性、高安全性等特点。GPRS 网络具有较强的数据纠错能力，能够保障数据传输的可靠性和实时性。结合两种技术传输感知信息，该系统广域网采用 GPRS 技术通信，局域网采用ZigBee 无线短距离通信。最终在监测中心进行信息处理，发出监测结果。鱼菜共生环境监测系统结构如图 1 所示。

2 系统模块实现

2.1 信息感知模块

针对鱼菜共生系统的生长环境，确定大棚的空气温湿度、光照强度，鱼池水温、水溶氧量、pH 值等需要监测的环境参数的标准范围。鱼菜共生温室大棚占地约半亩，要准确监测环境参数需大量传感器节点，且传感器节点要分布在不同的区域，利用传感器节点采集鱼菜共生系统内的各项参数信息。将传感器节点布设在大棚或温室中，传感器节点上配备温度传感器、湿度传感器、光照度传感器等，节点通过 ZigBee模块进行自组网，各节点之间相互协作，除了对信息数据收集和处理外，还可转发其他节点的数据，各节点共同完成监测任务。

传感器节点作为信息感知模块的重要组成部分之一，其监测结果的准确性直接影响最终的状态判断。传感器节点由ZigBee 无线通信芯片 CC2430、射频天线 RF、电源模块和振电路组成，负责室内生态环境信息的采集，感知环境变化，完成大棚内环境信息的采集并将采集到的信号转化为射频信号发送到 ZigBee 无线传感网络中 [4,5]。

2.2 信息传输模块

通过 ZigBee 短程无线收发模块实现数据传输，所有节点数据传输到基站，经封装后通过 GPRS 无线通信方式发送到远程监控中心。拟采用容错性较好的星型拓扑结构，在星型拓扑结构中，任何一个节点出现故障不会导致整个网络瘫痪，因此该结构具有较强的鲁棒性。无线传感器网络承担着鱼菜共生系统监控区域内各类传感器数据采集和执行装置控制的任务 [6]。采用无线传输方式可有效解决有线通信方式存在的难以扩展、难以升级等问题，能同时监测大棚环境和鱼池水质环境指标。

2.3 信息处理模块

监控中心依据接收到的信息与之前设定的参数区间进行比较，一旦超出参数设定范围，便报警提示，研究人员通过远程计算机可实时掌握鱼菜共生系统的环境状态信息。该监测系统将为用户监测鱼菜共生系统的各种环境参数，为实时保持系统生态平衡提供数据支持。随着智能手机的迅速普及，将智能手机作为监控终端十分便利。本文设计开发了一款基于 Android 系统的手机 APP软件，包含鱼菜共生系统实时监控模块和智能报警模块，可根据具体环境设置环境参数的标准范围。鱼菜共生系统实时监控模块通过手机远程监控系统环境参数的变化，掌握环境的变化状态，并通过查看历史参数的变化及时掌握作物生长状况。一旦超出该标准范围，智能报警模块可以通过手机短信、系统消息等方式提醒用户环境参数异常，甚至根据偏差的大小给出解决方案。用户通过手机终端实时监测鱼菜共生系统的环境状态，为鱼菜共生系统的科学管理提供帮助。

3 系统功能分析

运用物联网监测影响鱼菜共生的大棚温湿度、光照强度、水质指标和环境质量的变化，为提高大棚管理水平、提高鱼蔬品质和产量等提供基础信息，为生产绿色无公害蔬菜提供有力保障。监测中心对无线网络的传输数据进行汇总、分析和处理，最后呈现给监测人员，实现环境信息自动化、智能化管理，提高对环境指标的监测、报警、预警能力。因此，引入物联网技术实现对上述环境指标的监测，并充分利用智能化农业信息技术，加快农业生产智能产品的开发应用，对促进现代化农业发展具有重要的现实意义。

4 结 语

随着农业信息化的加速推进，ZigBee 无线网络技术在农业生产中获得了广泛应用，前景可观。人们对于绿色有机蔬菜的需求与日俱增，鱼菜共生系统也正向小型化方向发展，未来有望走进寻常百姓家中。大力推广基于 ZigBee 网络的鱼菜共生环境监测技术，利用该监测技术为用户监测鱼菜共生系统的各种环境参数提供数据支持，实时保持系统生态平衡，将有效降低人工成本，实现精准定位监控，使用户真正做到足不出户远程监控，同时为不懂鱼菜共生技术的用户带来方便，对于鱼菜共生技术的推广起推动作用。