張成年（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，江蘇　無錫　214153）

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基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)*

張成年
（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，江蘇無錫214153）

摘要：近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷高速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)大棚中的應(yīng)用越來越廣泛。智慧農(nóng)業(yè)大棚就是通過各種傳感器、控制技術(shù)和通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對大棚生產(chǎn)過中各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的精準(zhǔn)測量，智能控制大棚內(nèi)各項(xiàng)環(huán)境狀況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大棚環(huán)境的自動保溫、保濕、排風(fēng)等，并通過歷史數(shù)據(jù)的記錄和分析，建立專家?guī)欤瑢?shí)現(xiàn)施肥、噴藥等農(nóng)活的智能決策與控制功能，同時實(shí)現(xiàn)安防監(jiān)測、巡邏檢查等功能。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；傳感器；智慧農(nóng)業(yè)

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷高速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)滲透到每一個行業(yè)領(lǐng)域，新型現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)也不例外。在我國傳統(tǒng)種植中，依靠大量投入化肥、水、農(nóng)藥和人力是我國的農(nóng)業(yè)高產(chǎn)量的主要途徑，導(dǎo)致大量的資源浪費(fèi)并造成環(huán)境污染。大棚栽培對棚內(nèi)的光照、溫度、濕度、二氧化碳和pH值等環(huán)境的控制要求比較高，傳統(tǒng)的人工檢測和調(diào)節(jié)難度較大，且精度不高，這樣使得溫室的利用率比較低、管理困難。隨著人口老年化加劇，人力成本也在不斷攀升。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧大棚就是利用物聯(lián)網(wǎng)及分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)將溫室內(nèi)的光照、溫度、濕度、二氧化碳含量、pH值、農(nóng)作物長勢、土壤質(zhì)地和養(yǎng)分水分狀況等進(jìn)行采集、存儲、傳輸、分析處理和輸出，再與信息轉(zhuǎn)換、實(shí)時控制、智能決策系統(tǒng)相配合，按區(qū)內(nèi)要素的空間變量數(shù)據(jù)精確設(shè)定最佳施肥、灌溉、光照控制、加濕等多種決策操作，使一系列農(nóng)作物在不同生長周期曾被“模糊”處理的問題，通過信息化智能管理系統(tǒng)實(shí)時定量精準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，從而可以顯著提高水、肥等的利用效率，提高管理效率，降低人力成本，以最經(jīng)濟(jì)的投入獲得最佳產(chǎn)出。

1系統(tǒng)主要功能

智慧農(nóng)業(yè)大棚主要實(shí)現(xiàn)下面幾方面功能：（1）實(shí)時監(jiān)測功能。通過傳感設(shè)備實(shí)時采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域中的溫度、空氣濕度、二氧化碳、光照、土壤水分、土壤溫度、pH值、棚外溫度與風(fēng)速等數(shù)據(jù)；將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)（485集線器）等傳輸給服務(wù)管理平臺，服務(wù)服管理平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯、分析處理。（2）遠(yuǎn)程控制功能。根據(jù)實(shí)時采集的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)設(shè)定的最佳閥值進(jìn)行分析，智能判斷灑水、排風(fēng)、光照等設(shè)備的開與關(guān)，管理人員也可以根據(jù)需要通過軟件主動控制這些設(shè)備的開與關(guān)，同時系統(tǒng)還可以為管理人員提供視頻監(jiān)控和存儲功能。（3）智慧決策功能。智慧決策功能基于精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)并結(jié)合以往種植經(jīng)驗(yàn)信息，利用云計算、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)進(jìn)行多層次分析，建立每種農(nóng)作物的專家?guī)?，在專家?guī)旎A(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)智慧決策功能，適時向管理人員發(fā)送施肥、噴藥等相關(guān)信息的提醒，防止錯過最佳施肥和噴藥期而影響農(nóng)作物產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)通過各種有線和無線環(huán)境監(jiān)測傳感器實(shí)時采集大棚中的各種數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)通過Zigbee繼電器、ADAM - 4150采集器、Zigbee協(xié)調(diào)、串口服務(wù)器、路由器等設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁鞴δ芸刂浦行模瑢?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、分析、處理與控制[1]，并通過高清視頻攝像頭等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對大棚遠(yuǎn)程的實(shí)時監(jiān)控管理，系統(tǒng)硬件架構(gòu)見圖1。

2.2系統(tǒng)傳感器參數(shù)要求

表1各監(jiān)測參數(shù)基本要求

圖1系統(tǒng)硬件架構(gòu)

圖2智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)功能總圖

為了保證智慧農(nóng)業(yè)大棚功能達(dá)到預(yù)期的效果，在選取各種傳感器時，應(yīng)保證達(dá)到相關(guān)參數(shù)要求，系統(tǒng)監(jiān)測精度要求如表1。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1組網(wǎng)技術(shù)

智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)過程中需要各功能設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，為此需要配置如下設(shè)備：（1）在數(shù)據(jù)采集方面，主要運(yùn)用Zigbee組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行不同節(jié)點(diǎn)之間的通信。為此必須配置網(wǎng)內(nèi)所有Zigbee繼電器、Zigbee傳感器和Zigbee協(xié)調(diào)器的PAN ID和信道統(tǒng)一，通電后，各節(jié)點(diǎn)能正確連接。（2）串口服務(wù)器實(shí)現(xiàn)串口的拓展和串口通信與網(wǎng)絡(luò)通信信息的轉(zhuǎn)換，因此需要配置串口服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)地址和各串口工作模式、波特率、校驗(yàn)碼、數(shù)據(jù)位、停止位等參數(shù)信息[2-3]。（3）配置路由器、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、電腦、手機(jī)等網(wǎng)絡(luò)地址，保證設(shè)備間的通信暢通。（4）配置開發(fā)好的Web服務(wù)，啟動運(yùn)行Web服務(wù)器。

3.2系統(tǒng)軟件功能

智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)軟件功能開發(fā)主要包含PC端軟件功能開發(fā)和移動端軟件開發(fā)兩部分。系統(tǒng)主要完成的功能如圖2。

3.3 PC端軟件設(shè)計

由于PC端能夠提供足夠的資源來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能開發(fā)，PC端系統(tǒng)功能是智慧農(nóng)業(yè)大棚功能的核心，由WPF技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，主要對收集到的農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、顯示、處理、轉(zhuǎn)發(fā)，將信息數(shù)據(jù)整合、存儲、分析并以圖表或表格的形式展示給專家和大棚管理人員，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析等功能，完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測、查詢、預(yù)警、統(tǒng)計分析等。

在PC端系統(tǒng)功能中除了常用的溫濕度、排風(fēng)、光照、pH值等數(shù)據(jù)接收、存儲、查詢、實(shí)時顯示數(shù)據(jù)等處理與控制，還做了大量的數(shù)據(jù)分析，建成專家知識庫，這樣系統(tǒng)根據(jù)專家?guī)炖锏南嚓P(guān)數(shù)據(jù)分析，適時向大棚管理人員發(fā)出施肥、噴藥等提醒功能[4-5]，促進(jìn)農(nóng)作物生長，保證產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的提高。

3.4手機(jī)端軟件設(shè)計

隨著智能終端應(yīng)用不斷普及，智慧農(nóng)業(yè)大棚移動端APP（Android版）是項(xiàng)目的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)移動化智能控制。主要實(shí)現(xiàn)查看大棚采集過來的溫濕度、光照、二氧化碳濃度、視頻等數(shù)據(jù)，大棚管理人員根據(jù)查看的數(shù)據(jù)，可以通過手機(jī)遠(yuǎn)程控制灑水、風(fēng)機(jī)、卷簾、光照等設(shè)備的開關(guān)調(diào)節(jié)，并且可以通過視頻查看大棚中的實(shí)時情況。

4　結(jié)語

本系統(tǒng)運(yùn)用了傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、ZigBee組網(wǎng)技術(shù)、移動端技術(shù)和PC端技術(shù)實(shí)現(xiàn)對大型農(nóng)業(yè)大棚的空氣溫濕度、土壤濕濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、pH值等數(shù)據(jù)的采集分析，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化、移動化和智能化精準(zhǔn)管理大棚生產(chǎn)的全過程，實(shí)現(xiàn)低投入高產(chǎn)出的現(xiàn)代化高效大棚生產(chǎn)，但是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用仍然存在著標(biāo)準(zhǔn)制定、技術(shù)的研究等應(yīng)用難題，需要政府、企業(yè)、科研單位、高校及各個農(nóng)業(yè)相關(guān)行業(yè)的共同努力，通力合作。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和設(shè)備的不斷成熟發(fā)展，必將給大棚生產(chǎn)帶來革命性的變化。

參考文獻(xiàn)

[1]張猛.基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29（增刊1）：171-176.

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[3]李靜，王福豹，段渭軍.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的河流自動監(jiān)測站設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，24（3）：134-136.

[4]姚向華.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2011.

[5]王福祿，房俊龍，張喜海.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，42（2）：59-64.

*基金項(xiàng)目：院級一般課題，項(xiàng)目編號：SYKJ15B31。

收稿日期：2015—12—04