基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭元堃　楊艷　楊瑋　陳士燃

摘要 ? ?為了提高農(nóng)業(yè)管理的科學(xué)性和工作效率，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通過智能傳感器技術(shù)采集農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)和智能管理。系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控功能，使用戶能夠及時(shí)處理各種環(huán)境信息，提高管理效率和生產(chǎn)效率。測(cè)試結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，為智能化農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)提供了一種可行的方案。

關(guān)鍵詞 ? ?物聯(lián)網(wǎng);智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng);傳感器技術(shù)

中圖分類號(hào) ? ?S126;TP391.44;TN929.5 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?A

文章編號(hào) ? 1007-5739（2020）19-0257-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

Design ?of ?Intelligent ?Agricultural ?Management ?System ?Based ?on ?Internet ?of ?Things ?Technology

PENG Yuankun ? ?YANG Yan * ? ?YANG Wei ? ?CHEN Shiran

（School of Electronic and Electrical Engineering， Bengbu University， Bengbu Anhui 233030）

Abstract ? ?In order to improve the scientificity and work efficiency of agricultural management， this paper designed an intelligent agricultural management system based on the Internet of Things technology. Based on the Alibaba Cloud Internet of Things platform， this system could collect agricultural data and manage intelligently through intelligent sensor technology. The system had real-time collection and monitoring functions， enabled users to process various environmental information in time， improved management efficiency and production efficiency. The test results showed that the intelligent agricultural management system designed in this paper had the characteristics of strong stability， high reliability and low price， which provided a feasible scheme for the intelligent agricultural management system.

Keywords ? ?Internet of Things; intelligent agricultural management system; sensor technology

隨著計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和農(nóng)業(yè)相結(jié)合，是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)信息化的必然選擇，但真正推廣仍然有很大的障礙，就當(dāng)下的環(huán)境來說，主要存在的問題有：現(xiàn)有的生產(chǎn)模式限制了物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)成本過高導(dǎo)致無法普遍推廣;最重要的是，在實(shí)際應(yīng)用中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尚不成熟，使用效果低于預(yù)期。不可否認(rèn)的是，數(shù)據(jù)信息時(shí)代的發(fā)展已經(jīng)在很大程度上改善了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的不足，農(nóng)民可以不再憑借經(jīng)驗(yàn)判斷作物的生長(zhǎng)狀況，而是利用科學(xué)技術(shù)提高生產(chǎn)力。此外，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展有效解決了硬件平臺(tái)搭建的難題，極大地降低了成本，使智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)更便于控制，同時(shí)也讓物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中得到更充分、更有效的利用。圖像處理技術(shù)與多媒體傳感器的智能使用有效地優(yōu)化了農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，可以更快速、更準(zhǔn)確地為耕種環(huán)境作出決策。目前，智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入新時(shí)期，如何更有效地利用高科技手段是目前研究的主要方向之一[1]。

本文所設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合后及時(shí)傳送至軟件終端，并保留歷史記錄，每個(gè)周期會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和環(huán)境預(yù)測(cè)，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，簡(jiǎn)單的架構(gòu)降低了使用成本和使用技術(shù)難度。

1 ? ?系統(tǒng)總體方案

如圖1所示，農(nóng)業(yè)智能管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)采用硬件與軟件相結(jié)合的方式，其中硬件平臺(tái)采用嵌入式系統(tǒng)搭建，主控芯片借助串口發(fā)送指令，利用Wi-Fi無線通信技術(shù)，遠(yuǎn)程控制各種傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，如空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度等，在同一局域網(wǎng)下，將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到軟件終端，并設(shè)置預(yù)先報(bào)警的規(guī)則實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析，為用戶提供智能決策的方案，及時(shí)改善環(huán)境數(shù)據(jù)，以便達(dá)到最適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境[2]。

1.1 ? ?智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

該智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)針對(duì)不同的環(huán)境和應(yīng)用的對(duì)象，包括智能監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、預(yù)防報(bào)警等功能，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以有效地與環(huán)境建立聯(lián)系，達(dá)到對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)進(jìn)行管理和監(jiān)控的作用[3]。

1.1.1 ? ?智能監(jiān)控。通過各種傳感器設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度、環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度、環(huán)境濕度和CO2濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.1.2 ? ?數(shù)據(jù)采集。利用硬件平臺(tái)的上位機(jī)通過串口通信發(fā)送指令來控制傳感器采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行歸一化處理，然后上傳到軟件終端。

1.1.3 ? ?遠(yuǎn)程控制。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)在同一局域網(wǎng)下所有設(shè)備均具有遠(yuǎn)程控制的功能，用戶通過軟件終端可以對(duì)整個(gè)智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控。

1.1.4 ? ?預(yù)防報(bào)警。針對(duì)不同農(nóng)作物設(shè)置不同環(huán)境條件，當(dāng)傳感器所采集的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)置的數(shù)據(jù)值不符時(shí)，便會(huì)觸發(fā)報(bào)警功能，方便用戶及時(shí)采取措施，使當(dāng)前環(huán)境最適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)。

1.2 ? ?物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)技術(shù)原理

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，其技術(shù)原理為：在農(nóng)業(yè)大棚或農(nóng)作物生長(zhǎng)區(qū)安裝智能傳感器設(shè)備和一體化智能控制系統(tǒng)，通過這些傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，可以將農(nóng)業(yè)環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)相連接?；赪i-Fi技術(shù)、RFID技術(shù)和傳感網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)傳感器采集的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，智能化地控制農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境，以達(dá)到最適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)的條件[4]。

Wi-Fi技術(shù)可以將各種傳感設(shè)備連接到局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸;RFID技術(shù)在整個(gè)系統(tǒng)中通過對(duì)接收頻率信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，然后傳輸?shù)胶笈_(tái)和云端，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的控制;傳感網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，主要用于進(jìn)行信息交換和傳輸，且具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能[5]。

2 ? ?硬件數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)主要由供電系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、傳感器設(shè)備組成，如圖2所示。

供電系統(tǒng)：硬件主控系統(tǒng)通過USB串口電路供電，輸出電壓為5V。

單片機(jī)控制系統(tǒng)：該模塊采用STM32F104增強(qiáng)型芯片，此芯片具有高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn)，可以兼容5V的I/O管腳，最多有112個(gè)快速I/O端口，且多達(dá)11個(gè)定時(shí)器，廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中，非常適合用于控制傳感器采集數(shù)據(jù)。在整個(gè)硬件系統(tǒng)中，可以接收、執(zhí)行、發(fā)送指令，并按照預(yù)設(shè)的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

設(shè)備：針對(duì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的環(huán)境特點(diǎn)，主要的傳感器采集設(shè)備有土壤濕度傳感器、大氣溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器等;此外，還包括報(bào)警模塊中的蜂鳴器設(shè)備、監(jiān)控模塊的攝像頭設(shè)備。

控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基于嵌入式系統(tǒng)的UART串口通信協(xié)議，通過配置好無線通信協(xié)議即可發(fā)送接收數(shù)據(jù)。利用串口可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信，通過編寫程序使上位機(jī)發(fā)送各種指令控制傳感器和報(bào)警模塊進(jìn)行相應(yīng)操作;軟件終端主要用于發(fā)送控制指令，然后控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化處理，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)控以及設(shè)備的開關(guān)運(yùn)行[6]。

3 ? ?軟件終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件終端利用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，與主控制器在同一局域網(wǎng)下，從而使傳感器采集的數(shù)據(jù)能夠傳輸?shù)杰浖K端，進(jìn)行一系列的歸一化處理與綜合分析，為了方便用戶更直觀了解環(huán)境數(shù)據(jù)，軟件終端可以導(dǎo)出圖表方便用戶分析。所用的軟件都基于Windows和An-droid系統(tǒng)進(jìn)行管理，軟件終端操作流程如圖3所示。整個(gè)軟件終端系統(tǒng)通過阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)搭建，其所提供的服務(wù)和功能詳細(xì)且操作便捷，按照上述操作流程，即可快速上手整個(gè)智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)，一體化的操作節(jié)省人力、物力資源。

3.1 ? ?阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

該平臺(tái)提供了安全可靠的設(shè)備連接通信能力，支持設(shè)備采集數(shù)據(jù)上傳到云端，可以自定義Topic通信，支持多種設(shè)備終端開發(fā)和開發(fā)板接入，此外還提供方便快捷的設(shè)備管理功能和非常清晰的管理界面[7]?；诎⒗镌莆锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)終端可分為4層架構(gòu)，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。① 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)：是一個(gè)具有管理、控制、部署的多功能一體化平臺(tái)，提供Wed可視化界面，方便后臺(tái)管理。②邊緣節(jié)點(diǎn)：將邊緣設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，同時(shí)具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能。③邊緣設(shè)備：是由硬件系統(tǒng)控制的傳感器，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將上傳到邊緣節(jié)點(diǎn)，建立硬件控制系統(tǒng)與軟件終端系統(tǒng)的聯(lián)系。④應(yīng)用層：主要有兩方面，一方面是該物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)自己提供的網(wǎng)頁端服務(wù)，利用Web可視化界面查看系統(tǒng)運(yùn)行的狀況;另一方面是利用平臺(tái)提供的接口連接自己的應(yīng)用，通過手機(jī)端實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制[8]。

通過登錄阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)控制臺(tái)，在產(chǎn)品管理界面創(chuàng)建產(chǎn)品，然后定義產(chǎn)品功能，將STM32F104芯片與該平臺(tái)進(jìn)行通信，通過UART串口通信技術(shù)檢測(cè)所開發(fā)設(shè)備的功能，最后在設(shè)備詳情頁面即可查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在該平臺(tái)用戶可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的調(diào)試與監(jiān)控，便于將所有硬件設(shè)施統(tǒng)一管理，及時(shí)排查錯(cuò)誤?；赪in-dows端的阿里云物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)設(shè)備調(diào)試界面如圖5所示。在設(shè)備調(diào)試界面可以很清楚地看到各種邊緣設(shè)備的運(yùn)行情況與在線狀態(tài)。結(jié)合阿里云提供的其他產(chǎn)品和服務(wù)，使用者可以十分便捷地構(gòu)建一體化智能終端操作平臺(tái)，與其他的智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)相比，該智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在底層與通訊上花費(fèi)了更少的精力，實(shí)現(xiàn)了更多的功能與服務(wù)，減少了開發(fā)周期，也節(jié)約了大量軟件搭建成本。

3.2 ? ? 環(huán)境監(jiān)控管理系統(tǒng)構(gòu)建

該系統(tǒng)主要的功能有自動(dòng)監(jiān)控、環(huán)境參數(shù)設(shè)置、智能分析、遠(yuǎn)程控制設(shè)備等4個(gè)部分。該系統(tǒng)構(gòu)建在軟件終端，用戶可以通過網(wǎng)頁、PC端或Android客戶端進(jìn)行控制[9]。環(huán)境監(jiān)控界面如圖6所示。利用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供的服務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控、環(huán)境參數(shù)設(shè)置、智能分析、遠(yuǎn)程控制設(shè)備等功能，在網(wǎng)頁端和手機(jī)客戶端均可以清晰地查看各種功能的運(yùn)行效果和數(shù)據(jù)分析。如在環(huán)境監(jiān)控界面可以看到發(fā)布的消息數(shù)，可以預(yù)設(shè)報(bào)警規(guī)則，全面監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)[10]。

3.3 ? ?測(cè)試結(jié)果與分析

為了方便測(cè)試，以Android客戶端為例顯示測(cè)試界面，顯示界面如圖7所示。為了便于對(duì)比分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用生活中常用的溫度計(jì)、濕度計(jì)、二氧化碳記錄儀工具測(cè)量實(shí)際環(huán)境數(shù)據(jù)。

通過對(duì)比分析實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)與傳感器測(cè)量并通過軟件處理在終端顯示的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，誤差并不大，其誤差均低于0.5%。對(duì)于農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境來說，這些誤差不足以影響農(nóng)作物生長(zhǎng)，說明這些數(shù)據(jù)十分具有指導(dǎo)意義，因而作為智能環(huán)境監(jiān)控設(shè)備其數(shù)據(jù)是合理的[11]。

4 ? ?結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上采用軟件、硬件結(jié)合的方式，通過嵌入式系統(tǒng)技術(shù)搭建硬件控制平臺(tái)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)互通，便于環(huán)境監(jiān)控和智能化管理，用戶不但可以通過Web網(wǎng)頁端、PC端和Android客戶端進(jìn)行監(jiān)視，還可以在軟件操作系統(tǒng)上對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境進(jìn)行智能化管理與控制，及時(shí)調(diào)整當(dāng)前不適的環(huán)境條件，給農(nóng)作物生長(zhǎng)提供最好的保障，不僅減少了農(nóng)業(yè)管理人員的工作量和操作難度，而且在農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境改善和農(nóng)作物生產(chǎn)效率提高方面有著廣泛的應(yīng)用前景[12]。

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通信作者

收稿日期 ? 2020-06-01