基于物聯網技術的設施農業自動控制系統

李金瑩 ， 張日升 ， 楊宏業 ， 宣傳忠 ，4

（1.內蒙古國訊富通科技有限公司 內蒙古 呼和浩特 010010；2.內蒙古工業大學 電力學院 內蒙古 呼和浩特 010010；3.內蒙古工業大學 信息學院 內蒙古 呼和浩特 010010；4.內蒙古農業大學 機電工程學院 內蒙古 呼和浩特 010018）

我國是農業大國[1]，農業大棚種植農產品已經成為我國一些農村的重要支柱型產業，農業大棚種植可以為低溫季節喜溫蔬菜、花卉、林木等植物提供適宜的環境參數要求，但農產品對環境溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等要求很高，環境調控成為生產中的關鍵技術，如何科學、合理地調節溫室內的溫度、濕度、光照、水分、氣體等生態環境因子使之能更好地促進作物的生長發育，需要用戶具備很強的專業種植水平以及投入許多人力與精力全天候守候于大棚中[2]。當前用戶的迫切需求是在減少農業大棚人力投資與時間投入的同時，大棚仍可以為用戶繼續增值創收，因此大規模無人值守式的基于物聯網共性平臺的農業大棚自動監控系統對于設施農業的發展具有很高的實用價值。

1 物聯網、設施農業與WIFI概念

物聯網（The Internet of things）的概念是由美國麻省理工學院在1999年時提出的，物聯網是指通過射頻識別（RFID）、傳感器、全球定位系統、二維碼等信息感知識別設備，按照約定的協議進行連接，再通過有線或無線網絡進行傳遞信息與通信，能夠完成智能化識別、采集與分析數據、智能或自動控制、定位與跟蹤監控、管理等的一種創新信息化技術，其特征主要表現在可以實現全面感知、可靠傳遞、設施處理這三方面。物聯網是繼計算機、互聯網之后世界信息產業的第三次信息浪潮，以此同時，物聯網技術也被譽為全球一個新的經濟增長點，我國政府部門都很重視物聯網產業的發展趨勢，在各省啟動的十二五規劃中，已有23個省份將物聯網產業作為重要的發展目標。

當物聯網技術在設施農業中的應用的時候，在農產品生產的的周期時間內，可以向廣大用戶提供及時有效的服務信息、智能監控與專家分析、科普知識等技術支持，并集中利用了信息技術、工程技術、環境技術、生物技術等一體化技術的現代農業生產方式[3]。農業物聯網的應用首先是將所采集到的數據進行分析，然后根據分析結果自動實現監控灌溉、升降卷簾、補光、專家會診等一系列操作。其中央控制柜與多節點數據采集器組成了兩級分布式計算機控制網絡，具有分散采集和集中操作管理的特征，系統的配置可以根據需求進行增加或減少的靈活設置。通過傳感器可以實時的采集溫度、濕度、二氧化碳等環境參數，并傳到各個節點，完成各個節點與上位機的通訊，在控制柜的顯示屏與計算機軟件界面上都可以顯示所采集到的環境參數值，可進行數據設定、分析、報警等功能。

WIFI（Wireless Fidelity）是一種短程無線通信（保真）技術，可以將計算機與網絡通過無線的方式連接起來，使網絡構建與終端移動變得更加靈活。WIFI的主要特征是：傳輸速度快、建網成本低、覆蓋范圍廣、可靠性高[4]。WIFI在無線局域網中的數據傳輸中，鏈路層與物理層采用的是IEEE 802.11標準[5]，IEEE 802.11標準是由IEEE（美國電子電氣工程師協會）定義的一個無線網絡通信的工業標準。IEEE 802.11系列包含了應用廣泛的 IEEE 802.lla、IEEE 802.llb、IEEE 802.11g以及IEEE 802.lln等等新標準[6]，其中目前最常見的是IEEE 802.llb應用于筆記本電腦與無線局域網的接入，IEEE 802.llb采用了2.4 GHz的ISM頻段上的無線調頻工作方式。

2 系統功能

該系統功能既可以實現遠程控制功能，接受上位機的控制而產生控制決策；還可以實現脫機運行功能，能夠在上位機關機的情況下進行獨立工作，用戶或專家通過鍵盤預設環境參數，自主執行下位機決策程序，實現溫室的自動控制。系統功能的網絡拓撲圖如圖1所示。

圖1 網絡拓撲圖Fig.1 Network topology

基于物聯網技術的設施農業大棚系統主要是由空氣溫濕度傳感器、光照傳感器、CQ2傳感器以及土壤溫濕度傳感器等實時檢測大棚內部的環境參數，通過RS485網絡將數據實時的傳送到田間管控中心，田間管控中心（值班室）再通過3G網絡與監控中心、各級監管、各級應用進行連接，在監控中心的物聯網共性平臺上可以顯示與存儲每個時刻點所對應的溫濕度數據以及直觀的時間-溫濕度曲線圖；大棚內部安裝的高分辨率的視頻攝像頭通過WIFI網絡將采集的數據傳送到監控中心，在終端建立專家庫，用戶可以挑選專家對棚內作物進行實時的分析、診斷，可以及時獲得作物的預防與治療方案，完成專家遠程會診應用；用戶還可以用手機或電腦通過3G網絡及互聯網方式獲取大棚內部實時的環境數據，當設定的環境參數值超出了預定值，監控中心則會通過3G網絡向用戶手機發送相應的警報信息，同時向對應的大棚控制柜傳輸指令，控制柜的顯示屏操作系統會自動執行指令所對應的程序來啟動繼電器，執行及時的調節措施；監控中心還可通過3G網絡及互聯網方式向用戶發送有關農業大棚養殖管理、病蟲害預防、天氣預報、市場行情等人性化服務信息。

3 系統總體構架設計

本系統總體構架的主要組成部分有：大棚內部模塊、田間管控中心模塊、物聯網共性平臺、應用平臺，如圖2所示。系統總體構架的設計既可以實現所有農產品的聯網監控，又可以滿足用戶或研究人員根據環境狀況制定農作物的合理生產管理方案，進一步提高了農產品的產量與質量，促進了農作物品牌化的發展道路，大大的提升了農產品的生產效益與市場競爭力。

圖2 系統總體架構圖Fig.2 Overall system architecture diagram

3.1 大棚內部模塊

大棚內部模塊主要包含了調節環境參數與視頻監控兩部分功能。溫室大棚內部的環境參數通過空氣溫度、濕度、光照、CQ2、土壤溫濕度等傳感器進行采集，然后通過RS485網絡實時傳遞給數據處理系統，如果傳感器上報的參數超標，系統則會出現閥值告警，并自動打開或關閉農業設備（如控制澆灌、自動降溫、開關卷簾等）進行智能調節。此系統選用了北京迪輝科技有限公司研發生產的DWSCZ-T8系列數字溫度、濕度、CO2和光照傳感器四合一體的變送器，其具有測量數據穩定，精度高，抗干擾能力強等特點，將其安裝在大棚內部中間位置采集環境參數；同時大棚內部安裝的高清攝像頭，可以通過WIFI網絡進行實時的采集視頻信號，通過服務器傳輸到監控中心，實現了對農作物生長進程的遠程監控。用戶也可以通過電腦登陸檢測系統（如圖3（a）所示）或使用手機客戶端（如圖3（b）所示）隨時隨地的觀察棚內情況、查看現場溫濕度等數據和遠程智能控制調節指定設備。

圖3 環境參數查詢平臺Fig.3 Environmental parameters query platform

3.2 田間管控中心模塊

田間管控中心系統不僅能夠實現數據的采集、通信、診斷與報警等功能，而且可以在無人監管的情況下控制設備安全經濟可靠的自動化運行功能。田間管控中心系統的核心控制器采用了北京藍海微芯科技發展有限公司的LJD-eWin系列ARM＆Window CE觸控一體機LJD-eWin7000（如圖4所示），它以32位高速ARM做為主CPU，以 Windows CE5.0系統作為主操作系統，具有友好的人機對話的能力。LJD-eWin7000通過對控制程序的編譯，本系統將采集到的環境參數值通過有線或者無線的網絡方式上傳數據給LJD-eWin7000，進過信息匯集與信息融合以后，可以通過LJD-eWin7000的顯示屏直觀的顯示棚內環境數據與處理的數據結果，而且能夠以時間分布狀況曲線圖和棚內空間分布狀況圖直觀的形式展示在電腦界面上（如圖5所示），使用戶更加方便查看棚內的相關情況。

圖4 LJD-eWin7000顯示屏Fig.4 LJD-eWin7000 display

3.3 物聯網共性平臺模塊

圖5 田間管控中心界面Fig.5 Field Control Center interface

在物聯網共性平臺上可以顯示與存儲每個時刻點所對應的溫濕度數據以及直觀的時間-溫濕度曲線圖，從而實現農業生產環境進行實時檢測功能；在共性平臺上用戶可以挑選專家對棚內作物進行實時的分析、診斷，及時獲得作物的預防與治療方案，完成專家遠程會診功能；通過設置環境參數閾值能夠實現大棚的自動通風、光照、灌溉等農業設施智能管理功能；用戶和超市采購通過共性平臺可以方便的實現對接工作與查詢農產品相關的培育、生產、質檢、運輸過程等溯源信息功能；工程師可以通過數據倉庫功能進一步完成數據挖掘工作，作出一個較為合理、準確的農業大棚發展狀況的分析與預測；用戶、專家與視察人員可以通過WebGIS功能方便的查看大棚與設備所在位置，了解其詳細的地理信息。可以看出物聯網共性平臺（如圖6所示）主要具有對農業生產環境進行實時檢測、遠程視頻專家會診、農戶與超市對接、農產品溯源、農業設施智能管理、數據倉庫和WebGIS（與地理信息系統相結合，如圖7所示）查詢功能等。

圖6 農業物聯網共性平臺Fig.6 Agricultural things in common platform

圖7 與地理信息系統相結合Fig.7 Combined with geographic information systems

3.4 應用平臺模塊

通過應用平臺，用戶可以在任何的時間、地點通過任意能上網終端（PC、Ipad、3G手機等）實時農業生產環境數據，實現對大棚內部各種設備進行遠程控制（例如噴淋、卷簾、風機）。系統允許用戶制定自定義大棚環境的數據范圍，若是超出范圍的錯誤情況發生，將以短信的方式把報警信息發送到用戶手機上，并會在系統中進行標注。農戶還可以借助農業專家電話服務熱線、彩信、短信的方式，咨詢農業專家在農業生產方面遇到的問題，同時獲得更多的及時的農業生產信息。

4 結束語

基于物聯網技術的設施農業自動控制系統農業大棚的應用，使農戶擺脫了憑經驗、依賴天氣、粗放型的的農業種植管理方式，也提高了農產品的疫情疫病防控能力，確保了農產品的質量安全，促進現代農業更加精細化生產；促使運營商加速利用無線網絡拓展無線城市的應用方向，一旦此應用在農業中得到了普及，運營商便可獲得源源不斷的收益；也促使當地政府更好的服務于三農，塑造了地方農業品牌與產業升級，提高了農產品產量與品質的同時，惠及了廣大農戶。

[1]宣傳忠，武佩，馬彥華，等.基于物聯網技術的設施農業智能管理系統[J].農業工程，2013，3（2）22-26.XUAN Chuan-zhong，WU Pei，MA Yan-hua，et al.Networking technology based agricultural facilities intelligent management system[J].Agricultural Engineering，2013，3（2）：22-26.

[2]曲廣明.基于ZigBee物聯網的設施農業大棚多參數檢測控制終端的設計與實現[D].呼和浩特：內蒙古工業大學，2013.

[3]李金瑩，楊宏業，呂文娟.物聯網技術與我國設施農業發展[J].安徽農業科學，2013，41（19）8344-8346.LI Jin-ying，YANG Hong-ye，LV Wen-juan.IOT technology facilities and agricultural development in China[J].Anhui Agricultural Sciences，2013，41（19）：8344-8346.

[4]魯艷，毛旭.基于WiFi的無線網絡安全方案對比分析[J].廣東通信技術，2007（3）25-29.LU Yan，MAO Xu.wireless WiFi network security solutions based on comparative analysis[J].Guangdong Communication Technology，2007（3）：25-29.

[5]傅揚，潘敏，史曉翠.WIFI網絡技術與安全問題分析[J].計算機安全技術，2010（7）121-122.FU Yang，PAN Min，SHI Xiao-cui.WIFI network technology and security analysis[J].Computer Security Technology，2010（7）：121-122.

[6]吳紅舉，沈建華.嵌入式WiFi技術研究與通信設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2005，（6）5-7.WU Hong-ju，SHEN Jian-hua.Embedded WiFi technology research and communication design[J].Microcontrollers&Embedded Systems，2005（6）：5-7.