基于物聯網的智慧農業大棚系統的研究與實現*

張成年（無錫商業職業技術學院物聯網學院，江蘇　無錫　214153）

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基于物聯網的智慧農業大棚系統的研究與實現*

張成年
（無錫商業職業技術學院物聯網學院，江蘇無錫214153）

摘要：近年來，隨著物聯網技術的不斷高速發展，物聯網技術在農業大棚中的應用越來越廣泛。智慧農業大棚就是通過各種傳感器、控制技術和通信技術實現對大棚生產過中各項環境參數的精準測量，智能控制大棚內各項環境狀況，進而實現大棚環境的自動保溫、保濕、排風等，并通過歷史數據的記錄和分析，建立專家庫，實現施肥、噴藥等農活的智能決策與控制功能，同時實現安防監測、巡邏檢查等功能。

關鍵詞：物聯網；傳感器；智慧農業

近年來，隨著物聯網技術的不斷高速發展，物聯網技術已經滲透到每一個行業領域，新型現代化農業大棚生產也不例外。在我國傳統種植中，依靠大量投入化肥、水、農藥和人力是我國的農業高產量的主要途徑，導致大量的資源浪費并造成環境污染。大棚栽培對棚內的光照、溫度、濕度、二氧化碳和pH值等環境的控制要求比較高，傳統的人工檢測和調節難度較大，且精度不高，這樣使得溫室的利用率比較低、管理困難。隨著人口老年化加劇，人力成本也在不斷攀升。

基于物聯網的智慧大棚就是利用物聯網及分布式傳感器網絡將溫室內的光照、溫度、濕度、二氧化碳含量、pH值、農作物長勢、土壤質地和養分水分狀況等進行采集、存儲、傳輸、分析處理和輸出，再與信息轉換、實時控制、智能決策系統相配合，按區內要素的空間變量數據精確設定最佳施肥、灌溉、光照控制、加濕等多種決策操作，使一系列農作物在不同生長周期曾被“模糊”處理的問題，通過信息化智能管理系統實時定量精準的標準化生產，從而可以顯著提高水、肥等的利用效率，提高管理效率，降低人力成本，以最經濟的投入獲得最佳產出。

1系統主要功能

智慧農業大棚主要實現下面幾方面功能：（1）實時監測功能。通過傳感設備實時采集農業生產區域中的溫度、空氣濕度、二氧化碳、光照、土壤水分、土壤溫度、pH值、棚外溫度與風速等數據；將數據通過無線網絡、有線網絡（485集線器）等傳輸給服務管理平臺，服務服管理平臺對數據進行存貯、分析處理。（2）遠程控制功能。根據實時采集的數據和系統設定的最佳閥值進行分析，智能判斷灑水、排風、光照等設備的開與關，管理人員也可以根據需要通過軟件主動控制這些設備的開與關，同時系統還可以為管理人員提供視頻監控和存儲功能。（3）智慧決策功能。智慧決策功能基于精準的農業傳感器監測數據并結合以往種植經驗信息，利用云計算、數據挖掘等技術進行多層次分析，建立每種農作物的專家庫，在專家庫基礎上，實現智慧決策功能，適時向管理人員發送施肥、噴藥等相關信息的提醒，防止錯過最佳施肥和噴藥期而影響農作物產品的產量與質量。

2系統硬件設計

2.1系統硬件結構

智慧農業大棚系統通過各種有線和無線環境監測傳感器實時采集大棚中的各種數據，采集的數據通過Zigbee繼電器、ADAM - 4150采集器、Zigbee協調、串口服務器、路由器等設備將數據傳輸到各功能控制中心，實現數據存儲、分析、處理與控制[1]，并通過高清視頻攝像頭等設備，實現對大棚遠程的實時監控管理，系統硬件架構見圖1。

2.2系統傳感器參數要求

表1各監測參數基本要求

圖1系統硬件架構

圖2智慧農業大棚系統功能總圖

為了保證智慧農業大棚功能達到預期的效果，在選取各種傳感器時，應保證達到相關參數要求，系統監測精度要求如表1。

3系統軟件設計

3.1組網技術

智慧農業大棚系統在實現過程中需要各功能設備的數據傳輸，為此需要配置如下設備：（1）在數據采集方面，主要運用Zigbee組網技術進行不同節點之間的通信。為此必須配置網內所有Zigbee繼電器、Zigbee傳感器和Zigbee協調器的PAN ID和信道統一，通電后，各節點能正確連接。（2）串口服務器實現串口的拓展和串口通信與網絡通信信息的轉換，因此需要配置串口服務器的網絡地址和各串口工作模式、波特率、校驗碼、數據位、停止位等參數信息[2-3]。（3）配置路由器、網絡攝像頭、電腦、手機等網絡地址，保證設備間的通信暢通。（4）配置開發好的Web服務，啟動運行Web服務器。

3.2系統軟件功能

智慧農業大棚系統軟件功能開發主要包含PC端軟件功能開發和移動端軟件開發兩部分。系統主要完成的功能如圖2。

3.3 PC端軟件設計

由于PC端能夠提供足夠的資源來實現系統功能開發，PC端系統功能是智慧農業大棚功能的核心，由WPF技術來實現，主要對收集到的農作物生長環境數據進行存儲、顯示、處理、轉發，將信息數據整合、存儲、分析并以圖表或表格的形式展示給專家和大棚管理人員，實現數據分析等功能，完成生產數據的監測、查詢、預警、統計分析等。

在PC端系統功能中除了常用的溫濕度、排風、光照、pH值等數據接收、存儲、查詢、實時顯示數據等處理與控制，還做了大量的數據分析，建成專家知識庫，這樣系統根據專家庫里的相關數據分析，適時向大棚管理人員發出施肥、噴藥等提醒功能[4-5]，促進農作物生長，保證產品產量和質量的提高。

3.4手機端軟件設計

隨著智能終端應用不斷普及，智慧農業大棚移動端APP（Android版）是項目的重要組成部分，實現移動化智能控制。主要實現查看大棚采集過來的溫濕度、光照、二氧化碳濃度、視頻等數據，大棚管理人員根據查看的數據，可以通過手機遠程控制灑水、風機、卷簾、光照等設備的開關調節，并且可以通過視頻查看大棚中的實時情況。

4　結語

本系統運用了傳感器網絡技術、ZigBee組網技術、移動端技術和PC端技術實現對大型農業大棚的空氣溫濕度、土壤濕濕度、光照強度、CO2濃度、pH值等數據的采集分析，實現遠程化、移動化和智能化精準管理大棚生產的全過程，實現低投入高產出的現代化高效大棚生產，但是農業物聯網技術應用仍然存在著標準制定、技術的研究等應用難題，需要政府、企業、科研單位、高校及各個農業相關行業的共同努力，通力合作。隨著物聯網技術和設備的不斷成熟發展，必將給大棚生產帶來革命性的變化。

參考文獻

[1]張猛.基于ZigBee和Internet的溫室群環境遠程監控系統設計[J].農業工程學報，2013，29（增刊1）：171-176.

[2]王汝傳，孫力娟，郭劍，等.無線傳感器網絡技術及其應用[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[3]李靜，王福豹，段渭軍.基于無線傳感器網絡的河流自動監測站設計[J].現代電子技術，2011，24（3）：134-136.

[4]姚向華.無線傳感器網絡原理與應用[M].北京：高等教育出版社，2011.

[5]王福祿，房俊龍，張喜海.基于無線傳感器網絡的溫室環境監測系統研究[J].東北農業大學學報，2011，42（2）：59-64.

*基金項目：院級一般課題，項目編號：SYKJ15B31。

收稿日期：2015—12—04