第一章 绪论
1.1 研究背景
自古以来支撑我国国民经济的基础产业就是农业，我国用占世界 7%的耕地养活了世界上约 22%的人口[1]，农业在我国民经济中扮演着相当重要的角色[2]。
谷子作为山西省主要的粮食作物之一，具有很高的营养价值，谷子成熟后不仅可以做成餐桌上的佳肴，它还具有相当的药用价值，入药之后有滋阴养神滋、补脾利尿等功效。但是目前来说谷子问题是现阶段制约谷子产业发展的瓶颈，将先进的物联网技术应用于谷子产业，可实现谷子产业现代化，降低生产成本，达到提升产量、功能发展的生产目的。
物联网技术在农业领域的应用成为现代农业的重要组成部分，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所的夏于、杜克明、孙忠富等人为提高小麦的灾害监测预警和诊断管理能力，设计并实现了针对小麦气象灾害的远程监控和动态诊断系统，为小麦生产科学管理、防灾减灾提供了有力的技术支持[3]；南省农业科学院农业经济与信息研究所的臧贺藏张杰王来刚等人为提高大田粮食作物生产效益,基于物联网传感器和网络通信等技术，设计并实现了粮食作物远程监测与智能诊断管理平台，实现信息实时采集的同时，保证了大田粮食作物最适宜的生长环境[4]；山东省农业科学院科技信息研究所的王富军石绍峻刘淑云等人，针对传统温室大棚蔬菜生产管理技术落后、资源耗费严重等问题,设计了一套基于物联网技术的蔬菜管理平台，包括实时测控、生产管理、生产档案管理、智能分析、系统管理等功能,可实现蔬菜生产全过程的信息管理[5]。
然而喜忧参半，物联网技术在农业领域广泛应用的同时却不见在谷子产业的相关报道。谷子产业在发展的过程中也面临诸多问题，谷子因其特性的生产栽培特性，在种植的全过程中都需要较为精细的管理，在种植模式方面，现阶段还是依靠简单的生产栽培技术经验进行生产，对于谷子栽培过程中环境因子的数据化栽培影响在实际中运用还不广泛，且对于影响谷子生长的环境因子，大多数只依靠温度计或者湿度计等普通仪器采集基本的环境数据，有些地区甚至仅依靠最基本的人体感知，这些因素使得谷子田间环境数据采集的精度较差，不能充分精细指导谷子产业的生产。基于此，设计研究一套谷子大田环境监测系统十分必要和需要。
...........................
1.2 研究意义
谷子是我国重要的小杂粮作物[7]，它是人民群众在日常生活中不可或缺的食材，在众多杂粮作物中它的营养价值也相对均衡，深受广大民众喜爱[8]。尤其对于我国北方大多地方的人而言，晚上能喝一碗热乎乎的小米粥是很舒服的事。
农业物联网技术作为集经济效益、社会效益、生态效益为一体的现代高新技术[9]，能够解决传统农业面临的问题[10,11]，有效促进我国农业领域科技含量的提高和由传统粗放型农业向精细化现代农业转型，互联和物联技术的应用不仅是世界范围农业发展的大势所趋，更是我国提升农业现代化的必由之路。
农业物联网的集成应用可以使得谷子大田实现科学化、精准化的管理，是我国由传统粗放型农业向现代智慧型农业迈进的标志，同时更是我国整个农业领域实现现代化转型的关键利器。
当前我国进入了另一种经济发展模式，新的经济形势要求我们要放慢前进脚本、大力扶持第一产业、增加农民收入，因此在我国产业结构转型升级大背景下实现谷子产业健康、稳定发展就成为关乎我国国民经济稳定发展的基础和前提。
谷子是我国重要的小杂粮作物[7]，它是人民群众在日常生活中不可或缺的食材，在众多杂粮作物中它的营养价值也相对均衡，深受广大民众喜爱[8]。尤其对于我国北方大多地方的人而言，晚上能喝一碗热乎乎的小米粥是很舒服的事。
农业物联网技术作为集经济效益、社会效益、生态效益为一体的现代高新技术[9]，能够解决传统农业面临的问题[10,11]，有效促进我国农业领域科技含量的提高和由传统粗放型农业向精细化现代农业转型，互联和物联技术的应用不仅是世界范围农业发展的大势所趋，更是我国提升农业现代化的必由之路。
农业物联网的集成应用可以使得谷子大田实现科学化、精准化的管理，是我国由传统粗放型农业向现代智慧型农业迈进的标志，同时更是我国整个农业领域实现现代化转型的关键利器。
当前我国进入了另一种经济发展模式，新的经济形势要求我们要放慢前进脚本、大力扶持第一产业、增加农民收入，因此在我国产业结构转型升级大背景下实现谷子产业健康、稳定发展就成为关乎我国国民经济稳定发展的基础和前提。
本试验凭借物联网全面的感知技术、稳定的传输技术、智能的处理技术[12]，将农业物联网技术集成应用于谷子的生产中，不仅使谷子产业在生产、加工、销售、管理各阶段实现了一体化链接，不仅提升了谷子现代化生产的综合能力，而且在预防和抵制自然灾害发生的同时保障了农产品的质量安全。
.........................
第二章 谷子大田环境监测系统的需求分析
2.1 功能需求分析
第三章 谷子大田环境监测系统的设计与实现..................................11.........................
第二章 谷子大田环境监测系统的需求分析
2.1 功能需求分析
谷子大田环境监测系统，主要是由物联网三层架构组成，即敏锐的感知层、稳定的传输层以及智能的应用层（图 1）。
敏锐的感知层，主要由射频（RFID）技术、传感器技术等一些智能感知技术为铺垫，将传感器采集到的模拟信号转换成数字信号，实现对田间信息的采集。感知层是整个大田环境系统建立的基础和前提，选择灵敏度高、精确度优、成本低、不易损耗的传感器是设计系统的必要一环。
稳定的传输层，传输层利用现有的有线、无线网络技术将感知层采集到的环境信息实时传输给终端平台，传输层的稳定有效传输是保证整个谷子大田环境监测系统得以正常运行的关键。
智能的应用层，能够将感知层采集到的大田环境信息进行分析与处理，有利于农业管理者通过手机、平板电脑等智能终端平台进行数据的监测，实现对大田环境条件的及时掌握，应用层可以实现对系统的整体操控，是系统设计前必须考虑的重要因素。
.............................
2.2 性能需求分析
现阶段的物联网主要利用射频识别技术、大数据互联和云传输等技术，在各行各业进行有针对性的广泛应用。农业物联网仍然是基于互联网的传感网络，传感器是其核心部件[45]。农业物联网传感器是一种能够及时感知外界物理条件或者化学组成的物理装置，通过实践分析大量文献及参考相关研究得知物联网的关键技术主要包括传感器及无线传感网络（需求分析见运行需求分析）两部分，本节对传感器进行需求分析。
传感器(sellsor)之所以能够广泛应用于各行各业，是因为它具有体积小占用空间少、能及时灵敏的感应到外界变化、可以通过信号传输设备传输给其他设备的优点。在本试验设计的谷田监测系统中，谷子大田环境监测系统要对大田环境的关键参数进行实时监测，应该注重传感器的选择，主要有对外界环境数据精度和灵敏度的把握、传感器频率响应的快慢、传感器性价比的对比、传感器稳定性和使用寿命等。传感器所必备的主要监测指标有：空气温湿度、土壤温湿度、土壤盐分、土壤 pH 等指标。
..............................
敏锐的感知层，主要由射频（RFID）技术、传感器技术等一些智能感知技术为铺垫，将传感器采集到的模拟信号转换成数字信号，实现对田间信息的采集。感知层是整个大田环境系统建立的基础和前提，选择灵敏度高、精确度优、成本低、不易损耗的传感器是设计系统的必要一环。
稳定的传输层，传输层利用现有的有线、无线网络技术将感知层采集到的环境信息实时传输给终端平台，传输层的稳定有效传输是保证整个谷子大田环境监测系统得以正常运行的关键。
智能的应用层，能够将感知层采集到的大田环境信息进行分析与处理，有利于农业管理者通过手机、平板电脑等智能终端平台进行数据的监测，实现对大田环境条件的及时掌握，应用层可以实现对系统的整体操控，是系统设计前必须考虑的重要因素。
.............................
2.2 性能需求分析
现阶段的物联网主要利用射频识别技术、大数据互联和云传输等技术，在各行各业进行有针对性的广泛应用。农业物联网仍然是基于互联网的传感网络，传感器是其核心部件[45]。农业物联网传感器是一种能够及时感知外界物理条件或者化学组成的物理装置，通过实践分析大量文献及参考相关研究得知物联网的关键技术主要包括传感器及无线传感网络（需求分析见运行需求分析）两部分，本节对传感器进行需求分析。
传感器(sellsor)之所以能够广泛应用于各行各业，是因为它具有体积小占用空间少、能及时灵敏的感应到外界变化、可以通过信号传输设备传输给其他设备的优点。在本试验设计的谷田监测系统中，谷子大田环境监测系统要对大田环境的关键参数进行实时监测，应该注重传感器的选择，主要有对外界环境数据精度和灵敏度的把握、传感器频率响应的快慢、传感器性价比的对比、传感器稳定性和使用寿命等。传感器所必备的主要监测指标有：空气温湿度、土壤温湿度、土壤盐分、土壤 pH 等指标。
..............................
3.1 谷子大田环境监测系统设计方案....................................11
3.1.1 数据感知层设计................................12
3.1.2 数据传输层设计.....................12
第四章 系统安装与运行效果展示........................................19
4.1 系统的组装及安装..........................................19
4.2 系统的运行效果展示................................19
第五章 结果与讨论...............................................26
5.1 主要研究结果......................................26
5.2 创新与不足.............................................26
第四章 系统安装与运行效果展示
4.1 系统的组装及安装
经过模块的选型及采购，于 2018 年 5 月在山西农业大学室内实验室对系统的关键部分进行了组装，如图 8。
...........................
第五章 结果与讨论
5.1 主要研究结果
本文主要通过对国内外物联网发展技术和现状进行分析，探讨了农业物联网在我国现代化农业产业中的应用前景，通过介绍物联网系统的构造、层次、功能、作用以及智能化的操作流程等，借助物联网敏锐的感知、稳定的传输和科学化的田间决策系统等，将现代化的物联网技术应用于谷子产业的规模化化经营中，谷子大田环境监控系统的设计，通过在试验区域内布置多个环境监测传感节点，对谷子大田的环境因子进行实时监测,并将监测所得数据传输到监测终端,可以供用户及时方便的查看谷子大田的环境信息，进一步对谷田的生长环境进行适当调节，保证谷子生长环境的大体平衡。
根据对谷子大田环境监测系统的需求进行分析，在对系统感知层的分析部分，通过对土壤温湿度环境因子对于谷子生长发育的影响，得出了谷子需水量的周期性结论，根据农田环境监测系统结合谷子生长需水规律对谷田环境进行适当调节，为实现谷子的优质高产是很有必要的。实践证明试验所设计的谷子大田环境监测系统能够有效解决谷子大田田间气候监测不及时、农业资源浪费、监管不到位等问题。
在谷子大田环境监测系统设计安装以后，对系统监测所得空气温湿度、土壤温湿度等数据与人工测量数据进行卡方-拟合度检验，结果证明系统监测数据与人工测量数据保持一致，存在线性关系。其中，在土壤盐分拟合度分析中，谷田监测系统所得采集参数多为 0，与人工实地测量值基本吻合，经过分析这一现象可能与申奉村当地降水量、蒸发量、土壤孔隙度等因素的影响。
综上所述，本文所研究的谷田环境监测系统的测量结果与人工实测值拟合程度较高，系统结果可靠，可应用于谷田环境监测。
参考文献（略）
5.1 主要研究结果
本文主要通过对国内外物联网发展技术和现状进行分析，探讨了农业物联网在我国现代化农业产业中的应用前景，通过介绍物联网系统的构造、层次、功能、作用以及智能化的操作流程等，借助物联网敏锐的感知、稳定的传输和科学化的田间决策系统等，将现代化的物联网技术应用于谷子产业的规模化化经营中，谷子大田环境监控系统的设计，通过在试验区域内布置多个环境监测传感节点，对谷子大田的环境因子进行实时监测,并将监测所得数据传输到监测终端,可以供用户及时方便的查看谷子大田的环境信息，进一步对谷田的生长环境进行适当调节，保证谷子生长环境的大体平衡。
根据对谷子大田环境监测系统的需求进行分析，在对系统感知层的分析部分，通过对土壤温湿度环境因子对于谷子生长发育的影响，得出了谷子需水量的周期性结论，根据农田环境监测系统结合谷子生长需水规律对谷田环境进行适当调节，为实现谷子的优质高产是很有必要的。实践证明试验所设计的谷子大田环境监测系统能够有效解决谷子大田田间气候监测不及时、农业资源浪费、监管不到位等问题。
在谷子大田环境监测系统设计安装以后，对系统监测所得空气温湿度、土壤温湿度等数据与人工测量数据进行卡方-拟合度检验，结果证明系统监测数据与人工测量数据保持一致，存在线性关系。其中，在土壤盐分拟合度分析中，谷田监测系统所得采集参数多为 0，与人工实地测量值基本吻合，经过分析这一现象可能与申奉村当地降水量、蒸发量、土壤孔隙度等因素的影响。
综上所述，本文所研究的谷田环境监测系统的测量结果与人工实测值拟合程度较高，系统结果可靠，可应用于谷田环境监测。
参考文献（略）