基于物聯網的智能農業大棚系統

李 雪，文 燕，鄒承俊，李 敏

（成都農業科技職業學院，四川 成都 611130）

農業是我國的第一產業，是國民經濟的基礎，因此農業的發展牽動著我國的經濟命脈。由于傳統農業受自然環境的諸多因素影響，因此利用科技手段來改善農業對現代農業的發展具有重要的意義。將物聯網技術和農業相結合，也是提高農業生產效率、加快推進農業信息化的必然選擇。

隨著計算機、通信等技術的提高，目前已有許多國家利用智能信息手段來促進農業的發展，比如通過各種信息技術手段監控農業里各種環境的參數。我國科技發展日新月異，在此基礎上，以傳感器技術、無線傳感網和通信計算機技術為核心的物聯網技術在農業方面的應用則可以極大地提高農業生產效率。傳統的農業生產活動，農民需要憑經驗來感受農作物是否缺水需要灌溉、是否需要施肥等。利用物聯網技術可將這些數據自動采集且分析。

本文根據農業溫室大棚來設計一個智能農業應用系統，可以采集空氣的溫濕度、土壤的溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度等數據。并通過無線傳感網絡將數據采集到中心節點后再傳輸到控制中心?？刂浦行目杀O控采集到的數據，并通過設置閾值來控制其它農業設施設備的運轉狀態。

1 整體設計

本文利用物聯網技術設計了一種溫室大棚智能農業控制系統。該系統可以實時采集棚內的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照、二氧化碳濃度等參數，并且通過預先設定的閾值來控制農業設備的運轉。比如通過溫濕度的數據來控制噴灌系統，通過光照來控制風扇的轉動等。采用基于ZigBee無線組網技術的智能應用系統。無線傳感網絡的終端節點連接著傳感器和繼電器。傳感器用來感知外界環境采集數據。協調器用來創建ZigBee網絡，為加入到網絡的節點分配地址。終端節點將采集到的數據通過無線傳感網發送到協調器，協調器作為連接上下層的關鍵節點，將底層傳感器節點傳過來的數據信息發送給上層。繼電器、傳感器和協調器都通過ZigBee無線網絡技術進行互聯，完成數據以及信息的傳輸與收發。在真實的溫室大棚構建網絡時，通信距離要增大，組網密度要提高，節點個數也要增加，通過引入路由節點來保證數據的可靠傳輸。路由節點發揮中繼通信的作用，可以轉發數據，起到路由的功能，保持網絡暢通。由此無線傳感網絡可容納更多節點，網絡覆蓋范圍更廣。因此在設計的時候，根據應用場景的大小選擇合適的網絡布局。

考慮到應用層是與客戶進行交互、面向客戶的移動應用終端,因此在設計上層的時候采用協調器通過網關將數據傳到控制中心，然后控制中心再無線連接客戶的移動終端。整個架構分為感知層、網絡層和應用層，硬件設備架構如圖1所示。

圖1 硬件架構圖

圖2 總體設計圖

2 模塊設計

2.1 終端節點模塊

終端節點一部分采用的是監控環境數據的傳感器，有光照強度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器和煙霧氣體傳感器，用于實時監測溫室大棚的環境數據；另一部分則是由繼電器控制的農業設施。當監測到的空氣溫濕度數據大于控制中心設定的閾值時，就打開繼電器節點的風扇設備。終端節點和協調器之間通過ZigBee無線傳感網絡連接。

2.2 ZigBee協調器

協調器是整個網絡的核心節點。向下連接底層WSN的傳感器設備及繼電器設備，向上則連接控制中心或服務器。連接的方式可通過有線串口與上位機進行直連，也可以根據實際應用場景選用帶有無線WIFI功能的ZigBee協調器，協調器通過網關與控制中心相連。

2.3 客戶端

對于應用層來說，可采用PC端的控制中心，也可采用手機移動APP方式進行人機交互，進而實現遠程監控的功能，并通過數據庫查看數據。除此以外，編寫控制程序進行相應的閾值設定，以實現自動控制繼電器模塊如風扇、燈光等的目的。

3 系統測驗

將本文所設計的智能農業大棚系統在室內進行測驗。用協調器和PC機通過串口線直連。啟動PC端的上位機，可以看到上面分別顯示了土壤溫濕度、空氣溫濕度、二氧化碳濃度、光照強度的實時數據，以及是否存在煙霧和為土壤溫濕度、空氣溫濕度和光照強度所設定的閾值初始值。通過修改設定閾值，將實時數據和閾值進行比較來控制風扇、噴灌和光照等農業設備。比如當傳感器采集到的空氣溫濕度數據超過上位機設置的閾值時，程序設定此時需打開風扇，因此通過協調器下發打開風扇的命令到繼電器模塊，進而控制風扇的轉動，其它設備也如此。

圖3 PC端數據顯示圖

對于實際應用當中遠程實時監測、控制靈活的需要，采用在用戶手機上設計智能農業溫室大棚應用系統APP也很重要?？梢酝ㄟ^啟動手機移動終端APP來查看傳感器的數值，如圖4所示，并且和PC端一樣通過閾值設定來控制農業設備的運轉狀態等。通過系統測驗，可基本滿足預期要求。

圖4 移動終端顯示

4 未來發展

目前我國的農業物聯網產業還停留在理論試驗和小規模試點初步階段，推廣應用的力度還不夠大，并且在技術方面還有待進一步提高。物聯網在農業上的應用標準還需要建立，這些都需要后續跟進，未來的農業物聯網發展前景還很廣闊，需社會及政府都參與其中。

5 結語

信息技術與農業相結合是農業現代化的必然趨勢，利用物聯網技術對改變傳統落后的農業生產方式、提高生產效率、促進農業發展、提升我國農業競爭力具有重要的意義。本文設計的智能農業溫室大棚系統利用ZigBee無線傳感網實時采集農業環境中的數據，并通過控制中心控制農業設備，組網方便、操作智能，未來還需要不斷提升技術，逐步完善農業物聯網的應用，加快農業現代化進程。