物聯網農業系統

董文杰　董雙雙

摘 要：物聯網被稱為世界信息產業的第三次浪潮，各行各業都廣泛地應用近些年快速發展的物聯網系統，該文闡述了農業物聯網系統的構建與開發。實驗證明，該系統可以為農業的種植提供適合生長的環境，達到單位面積農作物增產，減少能源損耗的作用。

關鍵詞：物聯網；智能控制；農業；傳感器

物聯網（Internet of things）作為新一代的信息技術中重要的一部分，將物與物進行互聯網連接。其通過智能檢測技術、自動控制技術與計算機通信感知技術相融合，廣泛應用于網絡。

物聯網以信息技術作為核心，將底層的感測數據傳輸給控制終端，最終完成測控的一體化與智能化，以全局來看實現了一個智能控制的網絡。

中國作為一個農業大國，960萬平方公里的陸地面積中122萬平方公里用于農業耕種。而在傳統農業中，由于檢測技術的缺乏，農業經營者大多通過經驗來觀察土壤情況與農作物生長狀態，亦有通過農作物的病態生長情況來追溯生長環境存在的問題，因此在這樣的情況下實施的農業耕種措施往往具有滯后性。本文論述了一種以農業大棚為平臺的農業物聯網系統就可以科學有效的獲取農作物環境信息，如檢測空氣溫度、二氧化碳濃度、光照強度等，同時進行數據分析，最終通過控制終端自動進行調整至適宜農作物生長的環境。

1 檢測傳感器選擇

本文論述的農業系統主要檢測數據為溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照強度。因此在每一個檢測點集成檢測四種數據的傳感器，用于采集農作物生長環境的參數。土壤溫度傳感器采用DS18B20溫度傳感器，不僅工作穩定而且精度極高，可適應-55～125℃的工作環境。濕度采用DWS-S8傳感器，其克服了傳統溫濕度傳感器誤差大，不穩定與需定期校準等的缺點，并具有體積小、功耗低、抗干擾能力強、性價比高等優點。二氧化碳濃度傳感器采用MG811模塊，有良好的靈敏度和選擇性，受溫濕度的變化影響較小，具有良好的穩定性。光照強度傳感器采用高精度的HA2003傳感器，以真實的太陽光為參考，最大化地降低了光源對數據采集的影響。各個傳感器的技術參數如表所示。

2 信息傳輸模塊的選擇

本系統采用低功耗遠距離的無線收發NRF24E1芯片，這是NORDIC公司基于ANT無線網絡開發的芯片。在進行點對點或者點對多點的無線通信時，可以在125個頻點中進行選擇，采用跳頻技術有效避免干擾。其采用的ANT無線網絡并不為人所熟知，因為它開始被應用于醫療器械等行業，但是因為其優異的性能，慢慢被大家接受并使用。ANT無線網絡具有功耗低和網絡部署靈活量大特點。其最低工作電流約為10微安，休眠工作電流低至0.5微安。

NRF24E1的主要特點有：

處理器：8位高速處理器，兼容Intel MCS51的指令集，運行速度相比傳統的8051增加了12倍，同時具有32位乘除法單元，運算能力大大得到提升。

多功能I/O口：NRF24E1具有三種封裝型號：4×4mmQFN封裝具有7個通用I/O口， 5×5mmQFN封裝具有15個通用I/O口，7×7mmQFN封裝 具有31個通用I/O口。

2.4GHz射頻收發：具有125個射頻頻道可選，其中79個頻道介于2.400～2.4853GHz之間，空中數據速率支持250Kbps、1Mbps或2Mbps，數字接口SPI速率為0～8Mbps。

低功耗：NRF24E1采用了多環節低功耗設計并且支持全靜態停止和待機的低功耗設計等。

3 控制結構的設計

溫度調控：當大棚溫度高于設定值時，控制電機放下黑色紗網阻擋太陽光。當大棚溫度地獄設定值時，控制電機收起黑色紗網。

濕度調控：當濕度高于設定值時，打開澆灌設備進行灌溉。當濕度低于設定值時，打開通風設備，降低棚內濕度。

CO2含量調控：當CO2含量異于正常值時，打開通風設備使棚內二氧化碳保持在一個穩定合適的濃度。

光照強度調控：當光照強度高于設定值時，打開照明設備。當光照強度低于設定值時，控制電機放下黑色紗網阻擋太陽光。

4 應用前景

隨著我國經濟的騰飛，務農人數大量下降，導致農業勞動力與農業生產面積嚴重不符，因此集中化的自動控制管理農場被迫切的需要。相關資料表明，在溫度、濕度、光照強度、CO2濃度可控的溫室內，一季番茄、黃瓜等可增產10倍以上。其他各類農作物在次環境下的產量也是大量增加。由于準確采集各類數據，因此可減少肥料，電力與水利能源的需求，大大的節約了能源。同時，由于大棚內的環境可控，有利于培育高附加值的經濟作物，增加單位面積的收益，促進農民的增產收益。本系統在一定程度上解決了農業生產者的問題，但仍

在以下方面還有不足。系統檢測的內容有限，僅檢測了溫度、濕度、CO2含量和光照強度。但對于農作物的生長狀態的檢測并沒有列入檢測范圍，因此缺乏農作物產生不良生長狀態后的自動處理方案。通過農作物生長環境和生長狀態結合的檢測相比較來說更加全面，這也是本文內容有所欠缺的。農業種植需要大量的數據來測算控制植物生長于適合的環境中，而由傳感器與無線網絡組成的物聯網系統對于農業種植的標準化和自動化實現有很大幫助。應用自動控制和無線網絡技術實現農業的自動化管理，是現代農業的重要標志，因此物聯網農業也是未來農業生產的必然趨勢。

參考文獻

[1] 張小偉，基于物聯網技術的農業大棚監控系統研究[學位論文]碩士，2014

[2] 高旭東，基于加速度傳感器和無線傳輸的奶牛計步器系統[學位論文]碩士，2014

[3] 劉強，崔莉.物聯網關鍵技術與應用[j]，計算機科學，2010

[4] 馬軍，孫穎.應需而生的物聯網應用[j]，現代電信科技，2010.5