基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁楚軼 張義 名揚(yáng) 黃樹琳

摘 要：中國(guó)自古以來就是農(nóng)業(yè)大國(guó)，而傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)僅憑經(jīng)驗(yàn)施肥灌溉，不但會(huì)浪費(fèi)大量的人力物力，也對(duì)環(huán)境造成了一定的污染，不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。在南方，畜牧業(yè)比較少見，而漁業(yè)卻很常見。?；~塘是近代漁業(yè)一種新型養(yǎng)殖方式，其依賴于人力，需要頻繁地打理、照料。所以，如何順應(yīng)新時(shí)期和諧社會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)（漁業(yè)）生產(chǎn)的要求，利用現(xiàn)有的技術(shù)和平臺(tái)來設(shè)計(jì)一個(gè)滿足要求的新系統(tǒng)，成為一個(gè)越來越迫切的課題。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)；ZigBee通信；WiFi技術(shù)；MQTT協(xié)議

引言

智慧農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)最終是希望能夠?yàn)橐痪€的農(nóng)戶一個(gè)簡(jiǎn)單、直觀、高效的監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)，系統(tǒng)核心目標(biāo)在于對(duì)農(nóng)作物與畜牧業(yè)生長(zhǎng)密切相關(guān)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)終端設(shè)備監(jiān)測(cè)到種植地與魚塘的環(huán)境參數(shù)偏離了農(nóng)作物與魚類的最佳生長(zhǎng)要素時(shí)，可以通過終端設(shè)備可下達(dá)控制命令，自動(dòng)打開或關(guān)閉相應(yīng)的環(huán)境調(diào)節(jié)，從而使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)恢復(fù)正常，達(dá)到增加農(nóng)作物產(chǎn)量和提高經(jīng)濟(jì)效益的目的，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化。

1 智慧農(nóng)業(yè)終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于模塊化的設(shè)計(jì)思想，智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)分為五個(gè)部分，第一模塊是主控CPU部分，使用Arduino UNO單片機(jī)作為監(jiān)測(cè)終端的處理器；第二部分是數(shù)據(jù)采集部分，使用溫濕度、光照度、水蒸氣、土壤濕度和酸堿度等傳感器來采集農(nóng)業(yè)環(huán)境中的數(shù)據(jù)；第三部分是數(shù)據(jù)傳輸部分，使用Zigbee模塊作為數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收通道；第四部分是動(dòng)作執(zhí)行部分，負(fù)責(zé)執(zhí)行管理者的調(diào)節(jié)指令。第五部分是上位機(jī)部分，負(fù)責(zé)對(duì)主控cpu采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示在移動(dòng)端。

2 畜牧業(yè)控制終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

畜牧業(yè)監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)分為五個(gè)部分，第一模塊是主控CPU部分，使用Arduino UNO單片機(jī)作為監(jiān)測(cè)終端的處理器；第二部分是數(shù)據(jù)采集部分，使用水溫、渾濁度、水位、和酸堿度等傳感器來采集魚塘環(huán)境中的數(shù)據(jù)；第三部分是數(shù)據(jù)傳輸部分，使用Zigbee模塊作為數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收通道；第四部分是動(dòng)作執(zhí)行部分，負(fù)責(zé)執(zhí)行管理者的調(diào)節(jié)指令。第五部分是上位機(jī)部分，負(fù)責(zé)對(duì)主控cpu采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示在移動(dòng)端。

3 智慧農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)終端的特點(diǎn)與創(chuàng)新

實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，農(nóng)戶會(huì)根據(jù)土壤的不同情況，種植不同類型的作物：如含水量、酸堿度、肥度來制定種植計(jì)劃。因此，只制定一塊土地的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)意義不大。農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)運(yùn)用主，從機(jī)的結(jié)構(gòu)，可達(dá)到同時(shí)監(jiān)測(cè)多塊土地環(huán)境變化的目的。

實(shí)際魚塘養(yǎng)殖環(huán)境中，漁戶除了喂食之外，還需要對(duì)水質(zhì)（如酸堿度、渾濁度、水溫等）進(jìn)行監(jiān)視，否則水質(zhì)會(huì)產(chǎn)生惡化，影響魚類的生產(chǎn)。因此，本設(shè)計(jì)運(yùn)用高精度的傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)魚塘養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行直觀的展示。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（一）ZigBee無線技術(shù)

ZigBee是一種功耗低，傳輸距離短的無線通信技術(shù)，主要用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。它可實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)和透明傳輸?shù)裙δ?。本設(shè)計(jì)中使用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信以及上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的控制。管理員可通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備的各種控制，也可通過上位機(jī)查看監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作情況。本設(shè)計(jì)把zigbee運(yùn)用在主機(jī)和子機(jī)的通訊上，用于傳輸多塊土地的環(huán)境參數(shù)

（二）WiFi技術(shù)

經(jīng)過多年發(fā)展，人們對(duì)WiFi的應(yīng)用已經(jīng)得到極大的發(fā)展。相比較傳統(tǒng)的物理連接布線而言，WiFi的使用非常方便、簡(jiǎn)單，非常適合移動(dòng)辦公的需要，同時(shí)它具備比藍(lán)牙更高的傳輸速率，更遠(yuǎn)的傳送距離。本設(shè)計(jì)把WiFi運(yùn)用在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)傳到服務(wù)器。

（三）MQTT協(xié)議

MQTT（消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸）是IBM開發(fā)的一個(gè)即時(shí)通訊協(xié)議，有可能成為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。該協(xié)議支持所有平臺(tái)，幾乎可以把所有聯(lián)網(wǎng)物品和外部連接起來，被用來當(dāng)做傳感器和致動(dòng)器的通信協(xié)議。本設(shè)計(jì)采用MQTT協(xié)議來接收下位機(jī)發(fā)送的信息。

（四）Android手機(jī)客戶端

主要實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)端的數(shù)據(jù)顯示與指令操作，在移動(dòng)端進(jìn)入智慧農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面可以形象的一覽大棚與魚塘的多種環(huán)境參數(shù)，可以很好地顯示農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的空氣溫濕度、土壤濕度、棚內(nèi)是否發(fā)生火情，土壤的PH值，棚內(nèi)的光照強(qiáng)度；以及魚塘中的水溫信息、水質(zhì)的PH值、渾濁度，水位等情況。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)、串口WI-FI，云服務(wù)器相關(guān)技術(shù)，只需合理布置的監(jiān)控采集傳感器的節(jié)點(diǎn)，就可以實(shí)時(shí)了解到整個(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)和大棚的狀況，同時(shí)作出合理的控制。利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)化，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過串口WI-FI發(fā)送至云服務(wù)器進(jìn)行相應(yīng)的處理。可以進(jìn)行設(shè)置參數(shù)極限值，當(dāng)設(shè)置的參數(shù)達(dá)到極限值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行對(duì)相應(yīng)參數(shù)的增減措施，畜牧業(yè)系統(tǒng)也可以定時(shí)增氧和投食，保證水下生物的生活環(huán)境；農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可以定時(shí)澆水、施肥，保證大棚內(nèi)的環(huán)境因素保持穩(wěn)定。通過電腦系統(tǒng)或者其他的平臺(tái)，只要平臺(tái)上裝有瀏覽器軟件，就可以隨時(shí)隨地的通過網(wǎng)頁登錄到應(yīng)用控制中心進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的跨平臺(tái)操作無差異。

參考文獻(xiàn)

[1]李道亮，王劍秦，段青玲，等.集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)字化系統(tǒng)研究[J].中國(guó)科技成果，2008（2）：8-11.

[2]瞿雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee 技術(shù)及應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3]王東濤，鞠鳳船.農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（35）：20445-20447.

[4]蔡鑌，馬玉芳，邱秀榮等.面向智能農(nóng)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2013（14）：337-338.