基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與功能實(shí)現(xiàn)研究

陳輝江，方 銳

（伊犁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 伊寧 835000）

在過去相當(dāng)長時間里，國內(nèi)農(nóng)作物之所以取得較高的產(chǎn)量，和投入大量的化肥、農(nóng)藥不無關(guān)系。然而對傳統(tǒng)種植模式進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)化肥、水資源并沒有得到充分利用，同時還會帶來環(huán)境的污染。國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式依然呈現(xiàn)出傳統(tǒng)化特點(diǎn)，更多是立足于農(nóng)民自身經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行灌溉、施肥，這不僅浪費(fèi)很多物力、人力，同時還影響到周圍的環(huán)境，進(jìn)而對農(nóng)業(yè)長期發(fā)展帶來一定的制約效應(yīng)。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展下，其為智慧農(nóng)業(yè)的建設(shè)提供了重要支持。通過先進(jìn)的傳感技術(shù)與自動化控制技術(shù)，就能對種植環(huán)境進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控與控制，從而對農(nóng)作物進(jìn)行智能化灌溉與施肥，而且在此過程中還能夠做到自動化，這樣就能實(shí)現(xiàn)對資源的高效利用，同時還能節(jié)約大量的人力與物力。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)基本架構(gòu)

1.1 平臺架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)信息平臺借助于核心控制平臺、無線交換機(jī)、智能傳感器和自動化機(jī)械設(shè)備等對大棚進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息控制與互動，在大棚內(nèi)部配置專門局域網(wǎng)，并運(yùn)用光纖鏈路網(wǎng)絡(luò)、交換機(jī)和路由器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息交互，從而實(shí)現(xiàn)智能化大棚監(jiān)控系統(tǒng)。該信息平臺主要涉及應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)與感知層，進(jìn)而使得網(wǎng)絡(luò)、物、人和系統(tǒng)相互之間融合，從而更為快捷地進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控[1]。在具體應(yīng)用環(huán)節(jié)，該信息平臺可以分成上、中和底層。其中藍(lán)牙、傳感器、WiFi和RFID射頻識別等有關(guān)技術(shù)進(jìn)行集成，進(jìn)而形成底層結(jié)構(gòu)。中層平臺主要是開發(fā)平臺、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)等，此平臺具有較佳的交互性，而且不同平臺之間能夠相互管控。上層平臺就是該智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)的綜合運(yùn)用，利用不同傳感終端對有關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)控制，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳遞至服務(wù)中心，利用可視化圖表，讓操作者直觀了解。若是出現(xiàn)了數(shù)值上的偏差，也能借助于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并能對不同參數(shù)進(jìn)行自動化管控，使得大棚的內(nèi)部環(huán)境變得更優(yōu)。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)涉及軟件、硬件2大模塊，后者涉及不同類型的傳感器，其能根據(jù)不同種植條件對參數(shù)進(jìn)行采集，常見的傳感器包括土壤水分、光敏和溫度等傳感器。此外，還涉及各類操作設(shè)備，如遮陽、灌溉、加濕、升溫和通風(fēng)等設(shè)備，目的就是對種植環(huán)境進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，滿足農(nóng)作物生長需求。對于軟件模塊，又可以分成遠(yuǎn)程控制與基礎(chǔ)系統(tǒng)。其中基礎(chǔ)系統(tǒng)涉及數(shù)據(jù)采集、整理和統(tǒng)計與發(fā)布，能夠讓遠(yuǎn)程操作人員更為直觀地了解到大棚的各種環(huán)境信息，從而為其動態(tài)操作提供相應(yīng)支持[2]。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以對遠(yuǎn)程設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行動態(tài)查詢，并給出相應(yīng)的分析結(jié)果，這樣就有助于日常的維護(hù)與操作，顯著提升系統(tǒng)智能化，同時大棚的經(jīng)濟(jì)性也能顯著提升。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要涉及3大模塊，分別為服務(wù)器、后臺及前臺管理。其中前臺管理主要功能包括頁面瀏覽、信息檢索和登錄等，不僅能對信息進(jìn)行采集瀏覽，同時還能對歷史信息進(jìn)行查詢。使用后臺的操作人員有著較高權(quán)限，可以對不同監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)管理。服務(wù)器模塊主要負(fù)責(zé)各類終端的管理，并對數(shù)據(jù)通信給予支持，可以對WEB端、客戶端及其他控制模塊傳遞的信息進(jìn)行接收與管理。

2.2 硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)設(shè)計涉及該監(jiān)控系統(tǒng)功能能否最終實(shí)現(xiàn)。通常，一個功能較為全面的大棚系統(tǒng)，主要硬件模塊如下。

（1）空氣溫度、濕度傳感器。這類傳感器主要是通過RFID技術(shù)來進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，通常使用SHT10芯片來對這2個數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)、靈敏性測量。若是監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)大棚溫度過高，就會激活排風(fēng)系統(tǒng)，若是發(fā)現(xiàn)濕度過低，就會激活加濕器。

（2）土壤溫度、含水量傳感器。該裝置中集成了熱敏電阻，可以對土壤溫度信息進(jìn)行動態(tài)感知，同時還能測量土壤介電常量，從而對其中含水率進(jìn)行測量。若是發(fā)現(xiàn)土壤較為干燥，就會激活灌溉系統(tǒng)，對土壤補(bǔ)充水分。

（3）CO2含量傳感器。具體是通過紅光吸收模式，來對大棚中的CO2含量進(jìn)行測量，該技術(shù)有著較高的檢測精準(zhǔn)性。

（4）光照傳感器。借助于光敏部件對光照強(qiáng)度進(jìn)行感知，對電信號加以轉(zhuǎn)換，進(jìn)而傳遞至系統(tǒng)平臺展開分析，判斷是不是需要借助于遮陽簾，來對光照進(jìn)行調(diào)控。

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

在采集的各類信息數(shù)據(jù)中，主要涉及土壤溫濕度、空氣溫濕度和光照強(qiáng)度等信息，相關(guān)單元控制表會對每個監(jiān)測點(diǎn)的信息進(jìn)行如實(shí)記錄，其中涉及監(jiān)測點(diǎn)編號、名稱和狀態(tài)等屬性，而且在管理表中，還提供了用戶屬性、名稱與大棚名[3]。

3 智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)與部署應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)登錄

判斷登錄用戶是否具有登錄資格是系統(tǒng)登錄的關(guān)鍵目的。Admin是系統(tǒng)管理員，如果一個普通用戶想要進(jìn)行登錄，首先須獲得系統(tǒng)管理員的訪問權(quán)限，之后輸入賬號密碼，由系統(tǒng)管理員進(jìn)行判斷是否正確，并且要與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相對應(yīng)。此時通常有2種狀況發(fā)生，一種是顯示不存在該帳戶，另一種則是賬號密碼錯誤。如果賬戶存在但是密碼錯誤時，系統(tǒng)會要求輸入正確的密碼；當(dāng)賬戶不存在時，系統(tǒng)將直接彈出不存在的對話框。整個登錄過程包括驗(yàn)證表、匹配表、錯誤報告表和權(quán)限模塊進(jìn)行完成，當(dāng)每個模塊都與之相匹配之后，用戶才可以安全進(jìn)入到系統(tǒng)中。

3.2 決策支持

在整個決策支持中，主要由3個關(guān)鍵性部分構(gòu)成，涉及補(bǔ)光、滴管和風(fēng)機(jī)決策。該決策子系統(tǒng)會按照傳感裝置所采集的相關(guān)信息，再對后續(xù)執(zhí)行的動作進(jìn)行科學(xué)的判斷。倘若發(fā)現(xiàn)大棚的溫度過高，那么就會啟動風(fēng)機(jī)，在達(dá)到相應(yīng)的要求之后，就會自動關(guān)閉。每日早晨會在8時，將滴管進(jìn)行開啟，然后在中午12時之后，對其進(jìn)行關(guān)閉，從而對大棚進(jìn)行全面的調(diào)控。此處，對于滴管決策而言，本身存在著一定的開啟條件，若是時間過了中午12時，那么滴管就不再被開啟，直至第二天早晨6時。為了有效提升系統(tǒng)的智能化水平，在開展程序設(shè)計過程中，還需要進(jìn)一步增加智能化檢驗(yàn)，從而對決策服務(wù)進(jìn)行開啟。倘若需要對時間進(jìn)行相應(yīng)的檢驗(yàn)，那么本系統(tǒng)就會第一時間與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對接，進(jìn)而校準(zhǔn)精準(zhǔn)時間，從而判斷該滴管是否需要開啟[4]。另外，每次倒計時結(jié)束之后，都要進(jìn)行重新判斷，目的就是保障該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、正常運(yùn)行。

3.3 病蟲害診斷

由于在大棚內(nèi)通常會種植不同種類農(nóng)作物，而且在種植過程中常常會伴生病蟲害，因?yàn)檗r(nóng)作物種類不同，對應(yīng)的病蟲害就有所不同。為了更好地解決這方面問題，就需要智能監(jiān)控系統(tǒng)有著較強(qiáng)的病蟲害診斷能力。系統(tǒng)能對植物成長周期的動態(tài)進(jìn)行分析，從而判斷是否出現(xiàn)了病蟲害。譬如番茄的種植，其主要構(gòu)成分別為果實(shí)、花、葉和根，若是其產(chǎn)生了壞死、紅褐色病變等，或者維管束未見，或者變成了紅色等，就意味著出現(xiàn)了病蟲害。倘若葉背面產(chǎn)生葉子老化斑駁、稀疏白霉層等，也表明產(chǎn)生了病蟲害[5]。進(jìn)入到花期之后，病蟲害主要表現(xiàn)形式為果實(shí)發(fā)霉、花基褐變等。若是發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，系統(tǒng)也會給出提醒。結(jié)出果實(shí)后，若是其表面局部發(fā)白、霉變等，或者部分果實(shí)出現(xiàn)畸形等，也表明作物出現(xiàn)了病蟲害。系統(tǒng)會對這些資料進(jìn)行相應(yīng)存儲，借助于系統(tǒng)綜合分析傳感器的圖像資料，就能對其進(jìn)行判定[6]。

3.4 數(shù)據(jù)采集

用戶成功進(jìn)入該系統(tǒng)之后，就會構(gòu)建長效連接，每隔60 s，該采集系統(tǒng)就會將數(shù)據(jù)傳遞至相應(yīng)端口。在傳輸結(jié)束之后，服務(wù)器會詳細(xì)分析該傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得相應(yīng)參量，接著存儲至數(shù)據(jù)庫，隨后通過管理層，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，通過圖表進(jìn)行直觀化展現(xiàn)，使之傳遞至移動終端[7]。其則會對收到的數(shù)據(jù)包加以解析，同時還對函數(shù)進(jìn)行調(diào)取，并借助于框架、插件等方式，在網(wǎng)頁中展示這些圖表信息。

3.5 遠(yuǎn)程控制

系統(tǒng)主要是通過智能與手動遠(yuǎn)程2種控制模式來進(jìn)行操控，若是后者模式，就需要對遠(yuǎn)程控制箱實(shí)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行了解，從而更好地開發(fā)遠(yuǎn)程控制程序。通常，該遠(yuǎn)程控制箱中會配置轉(zhuǎn)換模塊，使得信號更好地進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，并對電源開關(guān)進(jìn)行相應(yīng)控制。在箱體中會提供8個端口，和用戶操作鈕對應(yīng)，在系統(tǒng)給出相應(yīng)操控指令后，信息就會朝著這些模塊傳遞，而這些模塊收集到指令之后，就會對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后對這些執(zhí)行控制指令進(jìn)行判斷，使得指令的執(zhí)行更加具有及時性、科學(xué)性[8]。

3.6 智慧大棚實(shí)際部署應(yīng)用

將其中某區(qū)域智慧農(nóng)業(yè)園區(qū)作為本次研究對象，對其智慧大棚系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)行分析。該大棚的總面積達(dá)到了667 m2，總共分成6大區(qū)域。不同區(qū)域都需要配置環(huán)境感知節(jié)點(diǎn)，包括土壤pH、CO節(jié)點(diǎn)等，同時還需要配置自動灌溉調(diào)控節(jié)點(diǎn)。最終配置的終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到42個。大棚內(nèi)部配置的視頻監(jiān)控系統(tǒng)共有2套，其中傳感器Sink與傳感器Mesh節(jié)點(diǎn)分別為1個和2個。此外，還配置了移動終端、數(shù)據(jù)服務(wù)器，分別為2臺和1臺，數(shù)據(jù)中心套件1個，環(huán)境感知節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)分別為36個和6個，同時還設(shè)置了Sink節(jié)點(diǎn)1個。在大棚的金屬或者木制骨架中配置環(huán)境感知節(jié)點(diǎn)。若是大棚涉及垂直固定架，那么可以將此節(jié)點(diǎn)配置在固定架之上。倘若缺乏垂直固定架，那么就需要將其配置在金屬固定架之上。對感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行安裝之際，需要保障這些節(jié)點(diǎn)的高度超過植物，防范大棚在灌溉之際將節(jié)點(diǎn)噴濕。在對土壤感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行安裝時，需要將其配置于土中，從而更為精準(zhǔn)地檢測土壤pH與溫濕度信息[9]。大棚入口區(qū)域需要配置視頻監(jiān)控套件，提供云臺技術(shù)，可以對攝像頭角度進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，這樣就能遠(yuǎn)程觀察植物生長情況，同時還能對大棚出入情況進(jìn)行不間斷監(jiān)控。在大棚外與數(shù)字中心監(jiān)控室分別配置Mesh節(jié)點(diǎn)，其距離要控制在1 km之內(nèi)，而且中間不能存在著顯著遮擋物，從而保證信息高速傳遞。在數(shù)字中心配置專門服務(wù)器，同時這些設(shè)備電源要求為市電，倘若沒有市電，可以利用蓄電池、或者太陽能電池等來給其供電。

4 結(jié)束語

在當(dāng)今的互聯(lián)網(wǎng)時代，工業(yè)生產(chǎn)方式逐步轉(zhuǎn)變，計算機(jī)化、現(xiàn)代化水平大大提高。農(nóng)業(yè)是我國支柱產(chǎn)業(yè)之一，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷影響下，已經(jīng)逐漸創(chuàng)建了智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系。為了捕捉溫室內(nèi)隨時間變化的溫度和濕度，設(shè)計了一個功能齊全的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)從軟件和硬件2方面進(jìn)行設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)較多復(fù)雜的功能，例如決策支持、系統(tǒng)登錄、病蟲害診斷、遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)采集等，從而更好地調(diào)整相關(guān)工作，使農(nóng)作物可以得到一個更好的生長環(huán)境。