基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧大棚溫室總框概述

[摘 要] 通過對基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧大棚溫室技術的框架結構進行系統(tǒng)性研究，對各部分功能模塊的實操測試、分析和總結，本文對智慧農業(yè)大棚框架的信息平臺架構、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構、智能環(huán)境監(jiān)控和智能決策管理調控的實現(xiàn)流程進行初探概述。

[關鍵詞] 智慧大棚；物聯(lián)網(wǎng)；傳感器；環(huán)境監(jiān)控；智能調控

[中圖分類號] S625；TN929.5 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-7909（2017）28-95-2

我國是一個農業(yè)大國，當前智慧化農耕模式正被廣泛地應用于農業(yè)生產中。智慧農業(yè)，是指借助先進的物聯(lián)網(wǎng)工程信息平臺、無線傳感器網(wǎng)絡、3S技術、計算機與網(wǎng)絡技術、物聯(lián)網(wǎng)技術和無線通信技術等，實現(xiàn)農業(yè)生產環(huán)境的智能化監(jiān)控和管理[1]。發(fā)展智慧農業(yè)，能夠為農業(yè)生產提供精準化種植、可視化管理、智能化決策。

而物聯(lián)網(wǎng)在農業(yè)生產中的應用，就是在農業(yè)大棚中使用大量的傳感器節(jié)點構成一個監(jiān)控網(wǎng)絡，通過部署的傳感器節(jié)點實時采集信息，如大棚內的溫濕度、空氣中的二氧化碳和氧氣含量、土壤養(yǎng)分含量等，幫助農戶準確地獲取大棚中的各種環(huán)境參數(shù)，進行智能感知、智能預警和智能決策來實現(xiàn)環(huán)境控制和精準管理[2]。基于此，現(xiàn)對基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧大棚溫室總框技術設計進行研究。

1 平臺架構

物聯(lián)網(wǎng)智慧農業(yè)信息平臺主要以光電復用無線交換機和核心操控程序進行遠端大棚控制。在大棚內構建WiFi無線局域網(wǎng)，覆蓋整個大棚區(qū)域，通過光纖鏈路網(wǎng)絡、有線網(wǎng)絡路由、交換等物理設備連接進行終端通信，把網(wǎng)絡物聯(lián)網(wǎng)構建融合到整個框架。

物聯(lián)網(wǎng)智慧農業(yè)信息平臺是以感知層、網(wǎng)絡層、應用層構架建設應用，通過這三層架構實現(xiàn)系統(tǒng)間、網(wǎng)絡間、物與物和物與人間的融合[3]。

物聯(lián)網(wǎng)智慧農業(yè)信息平臺的底層主要由各種類型的開發(fā)平臺構成，物聯(lián)網(wǎng)底層技術包括各種類型的傳感器、藍牙、Zigbee、Wifi、2G/3G、WSN等網(wǎng)絡傳輸技術以及RFID射頻識別嵌入式技術等，為整個物聯(lián)網(wǎng)的研究與應用提供基礎[4]。中層為物聯(lián)網(wǎng)信息平臺所構建的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡環(huán)境，即各種物聯(lián)網(wǎng)設備、開發(fā)平臺、農業(yè)溫室等，交互性強，不同平臺間可相互管理控制[5]。上層為物聯(lián)網(wǎng)智慧農業(yè)溫室綜合構建應用，農業(yè)溫室物聯(lián)網(wǎng)通過傳感器終端控制各個節(jié)點，將環(huán)境監(jiān)測收集的數(shù)據(jù)上傳到服務器中心，用可視化圖表方式呈現(xiàn)給操作用戶，當監(jiān)測數(shù)據(jù)與目標數(shù)值發(fā)生偏差時，可以通過網(wǎng)絡對遠端溫室設備進行溫度參數(shù)、光照參數(shù)、濕度參數(shù)和土壤含水肥量參數(shù)等的自動控制[6]。

2 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)包括硬件部分和軟件系統(tǒng)。硬件部分包括電容式傳感器、電阻式傳感器、光敏傳感器、土壤水勢傳感器、氣敏傳感器、土壤水分傳感器、WiFi無線控制網(wǎng)關、大棚溫濕度傳感器、灌溉設備、自控內遮陽、加溫設備、照明燈、自控風機、加濕設備、通風設備、光照傳感器、自控卷簾、自控遮陽板以及CO2和O2含量傳感器等。系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主要分為兩部分，基礎部分是對大棚基礎信息的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的整理分析和最終的數(shù)據(jù)發(fā)布，為遠程端提供標準測量數(shù)據(jù)，可視化管理查看；另一部分是遠程控制系統(tǒng)，即通過遠程查詢設備狀態(tài)，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果控制操作遠程設備，減少人工操作流程。

3 智慧大棚總架構

3.1 環(huán)境監(jiān)測

溫室大棚室內環(huán)境監(jiān)測需要由環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)來完成，該系統(tǒng)包括多類型傳感器、無線通信網(wǎng)絡、無線傳感網(wǎng)關等，可對溫室內農作物的生長條件進行實時監(jiān)控和精準調控。該系統(tǒng)檢測農作物生長條件的主要參數(shù)有土壤溫濕度參數(shù)值、室內氣候參數(shù)值及監(jiān)控中實時圖像數(shù)據(jù)。土壤溫濕度參數(shù)值包括土壤水分、土壤氨濃度等；氣候參數(shù)值主要包含風速、空氣溫濕度、CO2濃度等；實時監(jiān)控圖像包括WiFi攝像頭對室內圖像進行實時采集。

3.2 智能采集數(shù)據(jù)

采集數(shù)據(jù)方面，系統(tǒng)采用ZigBee無線傳輸技術，該技術的實現(xiàn)使用的設備包括環(huán)境采集模塊（空氣溫濕度、CO2濃度等）、農業(yè)設備模塊（鼓風機、換氣通道管、仿光照日光燈、水閥灌溉模擬模塊）和嵌入式網(wǎng)關模塊。

3.3 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心的服務器要具有自動采集、分類管理和存儲數(shù)據(jù)等功能，并且能依據(jù)農業(yè)決策系統(tǒng)及農業(yè)專家系統(tǒng)下發(fā)相關指令，實現(xiàn)遠程服務功能，對溫室大棚實現(xiàn)可遠程化監(jiān)控及操作。以智慧農業(yè)為依托對象，對農業(yè)實施智能化管理、智能化操控，智慧農業(yè)系統(tǒng)配置的服務器需要具有存儲大量系統(tǒng)數(shù)據(jù)、處理多線程應用程序、運算處理速度快等較高性能。

3.4 智能灌溉

智能灌溉系統(tǒng)是通過終端大棚溫濕度傳感器和土壤水分傳感器采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)初期超越界限設定，自動感測和觸發(fā)灌溉裝置，進行灌溉操作，也可通過遠端操作來控制灌溉時間。同時，在土壤干濕度失衡時，自動調節(jié)灌溉的噴灌量，實現(xiàn)大棚土壤的濕度調控。

3.5 智能光照

智能光照控制系統(tǒng)是根據(jù)監(jiān)測光照數(shù)據(jù)，通過光合有效輻射傳感器和光照傳感器的實時監(jiān)控，通過監(jiān)控數(shù)據(jù)進行報警，大棚溫室可通過控制卷簾來改變照明燈的強度和開關，調節(jié)和改善大棚的光照強度，實現(xiàn)大棚內的光照管理。

3.6 智能空氣質量控制

智能空氣控制系統(tǒng)是由溫室二氧化碳含量傳感器和大棚溫濕度傳感器進行數(shù)據(jù)收集，根據(jù)初期超越界限設定，自動感測溫室內的氣體含量，觸發(fā)控制通風設備，通過頂窗和側窗的自動開關，改變大棚室內氣體質量，滿足作物生長需求。

3.7 智能混肥

智能混肥系統(tǒng)是通過土壤pH傳感器收集數(shù)據(jù)，根據(jù)種植物的生長需求，按照專家系統(tǒng)中的營養(yǎng)液濃度和水溶液進行一定比例的配置，給農作物進行施肥。同時，根據(jù)pH測量值的土壤酸堿值，進行營養(yǎng)液的pH、EC調和，改善土壤肥質，滿足農作物的生長需要。

3.8 智能溫控

智能溫控系統(tǒng)是通過采集溫度傳感器的信息，自動把數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心服務器，按照定時器觸發(fā)數(shù)據(jù)設定，對無線接收調節(jié)器進行命令傳達，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果，對大棚溫室中目標溫度和實際溫度相差的偏差值進行調控，通過開啟頂窗進行自然調溫，如果不能達到預定值，采用強制通風，進行溫度調節(jié)，實現(xiàn)大棚生長溫度調控。

3.9 遠程農業(yè)監(jiān)控

遠程農業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)是用戶基于B/S模式對大棚物聯(lián)網(wǎng)控制的終端操作，通過訪問數(shù)據(jù)收集的數(shù)據(jù)中心服務器進行訪問控制，在網(wǎng)絡上能夠實現(xiàn)同異地的訪問和查詢，查看各類傳感器的運行情況，監(jiān)控信息和施加遠程設備控制等。

4 結語

本文對物聯(lián)網(wǎng)的智慧大棚設計進行了深入研究，通過對框架數(shù)據(jù)中心服務、智能環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、智能灌溉、智能光照、智能溫控、智能混肥和遠程農業(yè)監(jiān)控模塊系統(tǒng)的研究，對基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧大棚溫室總框技術設計進行了綜合概述。通過智慧大棚溫室的自動控制模塊，有效減少了人工種植干預和人為因素的影響，為智慧農業(yè)的宏觀平衡調控和農作物自適應環(huán)境提供了健康、精準的生長環(huán)境。

參考文獻

[1]張猛，房俊龍，韓雨.基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].農業(yè)工程學報，2013，29（增刊1）：171-176.

[2]吳舟.基于移動互聯(lián)網(wǎng)的農業(yè)大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學，2013.

[3]楊瑋，呂科，張棟，等.基于ZigBee技術的溫室無線智能控制終端開發(fā)[J].農業(yè)工程學報，2010（3）：198-202.

[4]廖建尚.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計方法[J].農業(yè)工程學報，2017（11）：233-243.

[5]趙志軍，沈強，唐暉，等.物聯(lián)網(wǎng)架構和智能信息處理理論與關鍵技術[J].計算機科學，2011（8）：1-8.

[6]葛文杰，趙春江.農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究與應用現(xiàn)狀及發(fā)展對策研究[J].農業(yè)機械學報，2014（7）：222-230.