基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

張海蘭，雷桂平

（廣東科技學(xué)院計算機系 廣東 東莞 52083）

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

張海蘭，雷桂平

（廣東科技學(xué)院計算機系 廣東 東莞 52083）

智慧農(nóng)業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用而誕生的一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計出惠及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)，著重介紹系統(tǒng)框架各子系統(tǒng)的功能設(shè)計以及該系統(tǒng)的應(yīng)用價值。

智慧農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)；系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

1 引言

民以食為天，農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)有著重要的作用，如何提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)出，各國也在這方面投入很多的精力。發(fā)達(dá)國家如荷蘭大力發(fā)展集約化的農(nóng)業(yè)溫室大棚產(chǎn)業(yè)，大棚內(nèi)溫濕度、光照、肥料等實現(xiàn)了計算機調(diào)控，從種植品種的選擇、栽培管理到成果采收形成了一套標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)體系[1]。而我國農(nóng)業(yè)仍以傳統(tǒng)種植方式為主，主要采用手動操作方式，人力投入比較大，受自然環(huán)境條件影響較多，缺乏科學(xué)管理手段，現(xiàn)代化程度低下，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)產(chǎn)出附加值低。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的日趨成熟，智慧農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為打破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)弊端的一種新型農(nóng)業(yè)模式。因此，智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)的設(shè)計具有重要的現(xiàn)實意義。

2 系統(tǒng)設(shè)計

現(xiàn)階段，智慧農(nóng)業(yè)還存在以下幾個方面的問題：溫室測控系統(tǒng)的通信仍然采用有線方式；缺少基于農(nóng)業(yè)專家知識的管理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集主要集中在植物生長外在環(huán)境，無法反饋植物生長的真實狀態(tài)；沒有基于溫室群的控制。這樣降低了生產(chǎn)管理的效率，不便于管理、維護(hù)、升級及數(shù)據(jù)共享。本文針對以上問題，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控植物生長，并通過數(shù)據(jù)采集建立植物生長模型的智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要針對華南地區(qū)的一兩種植物開展研究，將棚內(nèi)監(jiān)測、農(nóng)情數(shù)據(jù)采集與搭建植物模型相結(jié)合，并通過云服務(wù)技術(shù)，使其各個環(huán)節(jié)形成一個監(jiān)測及控制的良性數(shù)據(jù)閉環(huán)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與信息數(shù)據(jù)相結(jié)合，能夠很好的順應(yīng)農(nóng)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展需求，具有潛在的巨大經(jīng)濟效益和廣闊的市場前景。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)由基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控子系統(tǒng)[2]、植物圖像識別子系統(tǒng)、云服務(wù)子系統(tǒng)及植物生長模型子系統(tǒng)組成。通過使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取精確的作物環(huán)境和作物信息，結(jié)合植物生長模型的數(shù)據(jù)整合及預(yù)測功能，實現(xiàn)科學(xué)化精準(zhǔn)管理，智慧化分析與處理，高效地將植物模型科研成果轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力。

3.1 農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控子系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)的大棚監(jiān)控子系統(tǒng)由農(nóng)業(yè)大棚、傳感器（如土壤溫濕度傳感器、大氣溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器[2]、光照強度傳感器、土壤酸堿度傳感器等）、執(zhí)行器（如灌溉系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)、卷簾控制系統(tǒng)等）、Zigbee端節(jié)點、Zigbee嵌入式網(wǎng)關(guān)和攝像頭組成[3]。

3.2 云服務(wù)子系統(tǒng)

云服務(wù)是基于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理分析服務(wù)。之前的技術(shù)無法在有限時間完成海量數(shù)據(jù)的分析與處理，而最新的大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展正是能解決這種困境的最新方案。大數(shù)據(jù)技術(shù)適用于處理傳感器與攝像頭采集到的大量的植物生長數(shù)據(jù)，通過大棚監(jiān)控系統(tǒng)采集到的植物數(shù)據(jù)信息上傳到云服務(wù)，整合數(shù)據(jù)信息根據(jù)圖像識別與處理技術(shù)可以在軟件中形成某植物的植株模型[4]。

3.3 植物圖像識別子系統(tǒng)

植物圖像識別子系統(tǒng)，是替代傳統(tǒng)人工識別的技術(shù)手段，能自動實時精準(zhǔn)識別出植物的生長狀態(tài)，減少人力投入，避免人為因素的失誤，方便存儲及數(shù)據(jù)利用。本文利用棚內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)中的攝像頭實時記錄植物的生長狀態(tài)，并結(jié)合紅外線傳感器獲得植物生長過程中植株體內(nèi)的熱量分布數(shù)據(jù)，可以通過分析數(shù)據(jù)判斷植物生長的一些情況，如植株莖、葉、花等生長時在外界溫濕度光照肥料等因素影響下體內(nèi)的活躍程度。

3.4 植物生長模型子系統(tǒng)

植物生長模型子系統(tǒng)是以植物的生長過程為研究的對象，利用統(tǒng)計和數(shù)學(xué)作為抽象的工具，構(gòu)造一個相對簡單但是能夠如實反映客觀世界中真實的植物生長形態(tài)過的數(shù)學(xué)描述模型。傳感器監(jiān)測和圖像識別技術(shù)采集到的植物生長數(shù)據(jù)，經(jīng)由云服務(wù)平臺處理，可以搭建出植物生長的模型，從而可以獲得每一時刻植物的生長狀態(tài)。該模型的建立，有助于根據(jù)植株本身的情況及時調(diào)整棚內(nèi)的供氧供陽通風(fēng)灌溉給肥等子系統(tǒng)，為植物生長提供最佳環(huán)境。

4 智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)功能及未來發(fā)展

智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)通過采集農(nóng)業(yè)傳感器數(shù)據(jù)及植物不同生長狀態(tài)的圖像識別結(jié)果，利用網(wǎng)絡(luò)結(jié)合大數(shù)據(jù)平臺高效分析，利用植物生長模型及云服務(wù)，使用物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)更加精確的控制植物生長對環(huán)境的各項指標(biāo)要求，及時調(diào)整并滿足大棚內(nèi)相應(yīng)植物生長所需求的溫室環(huán)境，從而達(dá)到高幅增產(chǎn)和提高農(nóng)業(yè)智慧化水平的目的。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟與應(yīng)用普及，智慧農(nóng)業(yè)將進(jìn)一步從單一的大棚溫室室內(nèi)控制轉(zhuǎn)變?yōu)樘镆稗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)控制，實現(xiàn)土地資源的高集成度生產(chǎn)管理，又確保農(nóng)業(yè)的產(chǎn)品高產(chǎn)出。近年的自然災(zāi)害，已經(jīng)嚴(yán)重降低了我國的糧食儲備量，高投入低產(chǎn)出也使得農(nóng)民愈加放棄農(nóng)業(yè)種植轉(zhuǎn)入到外出打工，這種現(xiàn)狀既不利于國家的安穩(wěn)也加大城市就業(yè)壓力，因此緩解三農(nóng)問題，讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為國民謀福利，信息化的農(nóng)業(yè)大生產(chǎn)將在國家未來發(fā)展中占有舉足輕重的地位。基于物聯(lián)網(wǎng)的大棚系統(tǒng)只是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的第一步，但隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尤其是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，圖像處理技術(shù)的提升，云服務(wù)的應(yīng)用，提高從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的技術(shù)水平，促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展，促使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向智慧農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，智慧農(nóng)業(yè)模式將有著巨大的應(yīng)用空間，產(chǎn)業(yè)前景非常光明。

[1]杜駿喜.設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境智能化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[D].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004.

[2]段益群，劉國彥.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)設(shè)計[J].軟件工程，2013(12):35-35.

[3]龐娜，程德福.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].吉林大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版)，2010，28(1):55-60.

[4]孫忠祥.基于設(shè)備云平臺的智能農(nóng)業(yè)溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)[D].哈爾濱理工大學(xué)，2017.

TN929.5;TP391.44 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）02-0063-02

廣東科技學(xué)院自然科學(xué)類項目（項目編號GKY-2016KYZD-8）

張海蘭（1989-），女，河南駐馬店人，碩士研究生，研究方向：信號與信息處理，物聯(lián)網(wǎng)，嵌入式。

雷桂平（1982-），男，廣東科技學(xué)院講師，研究方向：軟件開發(fā)。