0 引 言

隨著農業(yè)生產發(fā)展和技術革新，一種不同于傳統(tǒng)農業(yè)生產方式的新型復合耕作體系悄然興起——魚菜共生。魚菜共生系統(tǒng)通過巧妙的生態(tài)結構設計，將混有魚類排泄物的水抽取到無土環(huán)境的蔬菜根部，讓蔬菜在無土情況下充分吸收養(yǎng)分，同時起到凈化水體的作用，凈化后的水再流回魚池中，從而實現養(yǎng)魚不換水而無水質憂患，種菜不施肥而正常成長的生態(tài)共生效應。這種新型的生態(tài)農業(yè)方式需對多種環(huán)境因素精密監(jiān)控，保證蔬菜、魚和微生物所構建的生態(tài)系統(tǒng)的平衡。

目前，大多數魚菜共生大棚管理系統(tǒng)還停留在人工觀測或基于有限通信。人工管理方式不僅費時費力，環(huán)境參數調節(jié)全憑勞動經驗，還不能保證生態(tài)系統(tǒng)一直處于最佳狀態(tài)。隨著科學技術的不斷發(fā)展，物聯網技術在農業(yè)領域的研究日趨深入，如大田種植、畜禽養(yǎng)殖、水產養(yǎng)殖、農產品物流等方面已有廣泛的研究應用 [1-3]。但針對魚菜共生環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究較少，精準監(jiān)控環(huán)境參數是系統(tǒng)正常運轉的必要條件，因此本文開展了基于物聯網技術的魚菜共生環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究，對魚菜共生系統(tǒng)的部分參數實時采集監(jiān)測，以保證植物、動物、微生物的平衡，從而有效解放人工勞力，提高科學化管理水平，為生態(tài)農業(yè)的發(fā)展提供技術支持。

1 系統(tǒng)總體結構

該魚菜共生環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由信息感知、信息傳輸和信息處理三部分組成。系統(tǒng)首先通過多種傳感器感知環(huán)境參數，如空氣溫濕度、光照強度、魚池水溫、水溶氧量、pH 值等信息，再利用農業(yè)信息傳輸技術中的無線傳感網絡信息傳輸技術將數據傳輸到監(jiān)測中心。ZigBee 技術是農業(yè)物聯網信息傳輸技術中研究最深入、應用最廣泛的一種雙向無線通信技術，具有近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本、高可靠性、高安全性等特點。GPRS 網絡具有較強的數據糾錯能力，能夠保障數據傳輸的可靠性和實時性。結合兩種技術傳輸感知信息，該系統(tǒng)廣域網采用 GPRS 技術通信，局域網采用ZigBee 無線短距離通信。最終在監(jiān)測中心進行信息處理，發(fā)出監(jiān)測結果。魚菜共生環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結構如圖 1 所示。

2 系統(tǒng)模塊實現

2.1 信息感知模塊

針對魚菜共生系統(tǒng)的生長環(huán)境，確定大棚的空氣溫濕度、光照強度，魚池水溫、水溶氧量、pH 值等需要監(jiān)測的環(huán)境參數的標準范圍。魚菜共生溫室大棚占地約半畝，要準確監(jiān)測環(huán)境參數需大量傳感器節(jié)點，且傳感器節(jié)點要分布在不同的區(qū)域，利用傳感器節(jié)點采集魚菜共生系統(tǒng)內的各項參數信息。將傳感器節(jié)點布設在大棚或溫室中，傳感器節(jié)點上配備溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器等，節(jié)點通過 ZigBee模塊進行自組網，各節(jié)點之間相互協(xié)作，除了對信息數據收集和處理外，還可轉發(fā)其他節(jié)點的數據，各節(jié)點共同完成監(jiān)測任務。

傳感器節(jié)點作為信息感知模塊的重要組成部分之一，其監(jiān)測結果的準確性直接影響最終的狀態(tài)判斷。傳感器節(jié)點由ZigBee 無線通信芯片 CC2430、射頻天線 RF、電源模塊和振電路組成，負責室內生態(tài)環(huán)境信息的采集，感知環(huán)境變化，完成大棚內環(huán)境信息的采集并將采集到的信號轉化為射頻信號發(fā)送到 ZigBee 無線傳感網絡中 [4,5]。

2.2 信息傳輸模塊

通過 ZigBee 短程無線收發(fā)模塊實現數據傳輸，所有節(jié)點數據傳輸到基站，經封裝后通過 GPRS 無線通信方式發(fā)送到遠程監(jiān)控中心。擬采用容錯性較好的星型拓撲結構，在星型拓撲結構中，任何一個節(jié)點出現故障不會導致整個網絡癱瘓，因此該結構具有較強的魯棒性。無線傳感器網絡承擔著魚菜共生系統(tǒng)監(jiān)控區(qū)域內各類傳感器數據采集和執(zhí)行裝置控制的任務 [6]。采用無線傳輸方式可有效解決有線通信方式存在的難以擴展、難以升級等問題，能同時監(jiān)測大棚環(huán)境和魚池水質環(huán)境指標。

2.3 信息處理模塊

監(jiān)控中心依據接收到的信息與之前設定的參數區(qū)間進行比較，一旦超出參數設定范圍，便報警提示，研究人員通過遠程計算機可實時掌握魚菜共生系統(tǒng)的環(huán)境狀態(tài)信息。該監(jiān)測系統(tǒng)將為用戶監(jiān)測魚菜共生系統(tǒng)的各種環(huán)境參數，為實時保持系統(tǒng)生態(tài)平衡提供數據支持。隨著智能手機的迅速普及，將智能手機作為監(jiān)控終端十分便利。本文設計開發(fā)了一款基于 Android 系統(tǒng)的手機 APP軟件，包含魚菜共生系統(tǒng)實時監(jiān)控模塊和智能報警模塊，可根據具體環(huán)境設置環(huán)境參數的標準范圍。魚菜共生系統(tǒng)實時監(jiān)控模塊通過手機遠程監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)境參數的變化，掌握環(huán)境的變化狀態(tài)，并通過查看歷史參數的變化及時掌握作物生長狀況。一旦超出該標準范圍，智能報警模塊可以通過手機短信、系統(tǒng)消息等方式提醒用戶環(huán)境參數異常，甚至根據偏差的大小給出解決方案。用戶通過手機終端實時監(jiān)測魚菜共生系統(tǒng)的環(huán)境狀態(tài)，為魚菜共生系統(tǒng)的科學管理提供幫助。

3 系統(tǒng)功能分析

運用物聯網監(jiān)測影響魚菜共生的大棚溫濕度、光照強度、水質指標和環(huán)境質量的變化，為提高大棚管理水平、提高魚蔬品質和產量等提供基礎信息，為生產綠色無公害蔬菜提供有力保障。監(jiān)測中心對無線網絡的傳輸數據進行匯總、分析和處理，最后呈現給監(jiān)測人員，實現環(huán)境信息自動化、智能化管理，提高對環(huán)境指標的監(jiān)測、報警、預警能力。因此，引入物聯網技術實現對上述環(huán)境指標的監(jiān)測，并充分利用智能化農業(yè)信息技術，加快農業(yè)生產智能產品的開發(fā)應用，對促進現代化農業(yè)發(fā)展具有重要的現實意義。

4 結 語

隨著農業(yè)信息化的加速推進，ZigBee 無線網絡技術在農業(yè)生產中獲得了廣泛應用，前景可觀。人們對于綠色有機蔬菜的需求與日俱增，魚菜共生系統(tǒng)也正向小型化方向發(fā)展，未來有望走進尋常百姓家中。大力推廣基于 ZigBee 網絡的魚菜共生環(huán)境監(jiān)測技術，利用該監(jiān)測技術為用戶監(jiān)測魚菜共生系統(tǒng)的各種環(huán)境參數提供數據支持，實時保持系統(tǒng)生態(tài)平衡，將有效降低人工成本，實現精準定位監(jiān)控，使用戶真正做到足不出戶遠程監(jiān)控，同時為不懂魚菜共生技術的用戶帶來方便，對于魚菜共生技術的推廣起推動作用。