基于物聯網的農作物生長環境精準化數據采集系統設計

馬永斌　趙 濤

摘 要：傳統的農作物生長環境精準化數據采集系統具有較低的數據采集準確率，無法精準采集農作物生長環境數據。因此，基于物聯網技術，本研究設計了農作物生長環境精準化數據采集系統。在原有系統硬件基礎上，該系統設計了傳感器電路模塊、無線射頻模塊及采集與存儲模塊，實現精準數據采集。軟件設計方面，利用采集端確定數據，進行數據預處理，通過設計數據庫，實現數據精準采集。對比試驗表明，該系統可以促進農作物的精細化培育。

關鍵詞：物聯網;農作物生長環境;精準化數據采集

中圖分類號：TN790 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）35-0024-03

Design of Precision Data Acquisition System for Crop Growth

Environment Based on Internet of Things

MA Yongbin ZHAO Tao

（Shangqiu Institute of Technology，Shangqiu Henan 476000）

Abstract： The traditional crop growth environment accurate data collection system has a low data collection accuracy rate and cannot accurately collect crop growth environment data. Therefore， based on the Internet of Things technology， this study designed a precise data collection system for crop growth environment. Based on the original system hardware， the system has designed sensor circuit modules， wireless radio frequency modules， and acquisition and storage modules to achieve accurate data acquisition. In terms of software design， the data is collected by the acquisition end， pre-processed， and the database is designed to achieve accurate data collection. Comparative experiments show that the system can promote the refined cultivation of crops.

Keywords： Internet of Things;crop growth environment;accurate data acquisition

目前，農業市場與信息化建設在農業發展中發揮著重要作用。信息技術可以改變傳統農業要素的組合方式，實現節本增效和信息資源開發。本文基于物聯網對農作物生長環境精準化數據采集進行系統設計，在堅持以互聯網為核心的前提下進行延伸和擴展[1]。物聯網技術的主要內容就是進行信息的交換和通信，致力于實現物物相息的綜合數據采集。農作物生長環境精準化數據采集系統具有控制植物生長環境的能力，針對影響農作物生長的各個環節進行精準化數據采集，溫度、光照、生長需要的微量元素等都處于精準控制狀態。

1 基于物聯網的農作物生長環境精準化數據采集系統硬件設計

1.1 設計傳感器電路模塊

在農作物生長過程中，溫度、濕度及光照度是影響農作物生長環境精準化數據采集的三大要素。因此，基于物聯網的農作物生長環境精準化數據采集系統硬件設計中，傳感器電路模塊設計主要分為溫度采集電路、濕度采集電路和光照度采集電路[2]。

溫度采集電路采用的溫度傳感器型號為TMK421，它是一種精密的電路溫度傳感器。當TMK421阻值PT100上升0.385Ω時，溫度就隨之上升1℃。當農作物生長環境溫度為25℃時，溫度采集電路由單電源供電，農作物生長環境溫度越高，溫度傳感器電阻越大，測量范圍為-250～850℃，可以滿足所有農作物生長環境的應用條件[3]。濕度采集電路設計的是一種柔性透明的高性能濕度傳感器，該傳感器基于MoO3納米片，采用低成本、簡便的溶液方法合成。所制備的濕度傳感器對外部相對濕度表現出出色的靈敏度，農作物生長環境濕度從0%變為100%時，電流變化了5個數量級。此外，濕度采集電路具有快速響應的特點，并且具有很好的機械靈活性，可以高效準確地采集農作物生長環境的濕度數據。光照度采集電路的設計內容是光照傳感器，基于Zigbee3.0無線通信協議，可以精準化檢測農作物生長環境的光照強度并記錄歷史數據。同時，它可以將農作物生長環境光照變化作為自動化條件，為農作物生長環境精準化數據采集提供智能場景聯動。傳感器電路模塊的設計綜合應用溫度傳感器、濕度傳感器和光照度傳感器，能夠對農作物的生長環境數據進行精準采集，特別是采集農作物生長過程中的關鍵數據。

1.2 設計無線射頻模塊

無線射頻模塊的主要內容就是通過無線方式傳輸信息，無線射頻模塊具有采集、傳輸數據量大的特點。本設計選擇ISO14443作為無線射頻模塊，其由農作物生長環境物理特性、射頻功率和信號接口、讀寫器和電子標簽以及傳輸協議四部分共同組成。讀寫器通過其天線向外發送一定頻率的電磁波，當電子標簽進入信號接口的工作范圍后，其內部產生感應電流而被激活，于是將其存儲的信息通過內部天線發送出來。再由讀寫器的天線接收來自電子標簽的載波信號，將其傳送給讀寫器。讀寫器對接收的信號進行解調與解碼處理，并將處理后的數據發送給采集與存儲模塊。

1.3 設計采集與存儲模塊

采集與存儲模塊的主要功能就是實時地對農作物生長環境的三種數據進行精準采集，對數據進行分析處理，以便做出科學的農業管理方案，促使農作物良好生長，提高農作物生產效益。農作物生長環境數據采集存儲模塊如圖1所示。其間以ARM嵌入式處理器設計數據采集存儲模塊，采集上述三種傳感器數據及無線射頻模塊數據并存儲，然后發送至數據預處理模塊。

2 基于物聯網的農作物生長環境精準化數據采集系統軟件設計

在農作物生長環境精準化數據采集過程中，利用采集端確定數據，不需要配置即可完成數據采集。在物聯網技術的應用下，首先設置和確定數據字段，輸入網址后，軟件即可自動識別出頁面上的數據并生成數據確定結果，每一類數據對應一個采集字段，通過右擊字段可以進行相關數據設置，包括修改字段名稱或增減字段，由此完成采集數據任務的添加。

圖1 數據采集存儲模塊硬件結構

2.1 數據預處理

在確定采集端數據的基礎上對數據進行預處理，在基于物聯網的農作物生長環境精準化數據采集系統中，數據的預處理是指將電路信號轉換為可用于之后系統處理的數據采集的數字信號。其間運用卷積神經網絡算法對農作物生長環境數據進行預處理。

[Ani=f（An-1j∈Bn-1An-1j）×knij+bni]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[Ani]為第[i]層的第[n]個特征數據;[f（.）]為激活函數;[Bn-1]為第[n-1]層特征數據的集合;[An-1j]為第[n-1]層第[j]個特征數據;[knij]為[Ani]的第[j]個卷積核;[bni]為第[n]層的第[i]個特征數據的偏值。

將預處理后的數據通過池化層進行處理，計算出濾波器最大值，得到精確的農作物生長環境特征數據。

[Ani=downAn-1i]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[down（.）]為池化函數。

數據預處理是基于物聯網的農作物生長環境精準化數據采集系統軟件設計中的重要環節，數據在預處理過程中的精準化程度及穩定度關系著整個系統數據采集的精準化程度及穩定度。

2.2 數據庫設計

將所有經過數據預處理后的數據直接存儲至數據庫中，便于二次搜索。當確定基于物聯網的農作物生長環境精準化數據采集系統采集過的數據經過正規人員修改時，必須重新采集數據。嚴格按照基于物聯網的農作物生長環境精準化數據采集系統軟件設計的具體模式，將這些數據傳送到主機，經過程序的自動化判斷，在物聯網技術的支持下，對農作物生長環境進行精準化數據采集。這樣能夠獲得精準的管理效果，實現對農作物生長環境數據的精準采集。詳細系統數據精準采集流程如圖2所示。

圖2 數據采集流程

3 對比試驗

3.1 試驗準備

為了確保基于物聯網的農作物生長環境精準化數據采集系統設計的有效性，本研究針對農作物生長環境數據采集的準確度進行試驗。為確保試驗結果的真實性，整個試驗均在統一環境下進行。試驗所用設備型號標準完全統一，將農作物生長環境溫度數據設為25℃，測試農作物生長環境溫度數據采集的準確度。為確保試驗的普遍性，設定試驗總次數為10次，使用兩個系統分別各采集5次農作物生長環境溫度數據。首先采用傳統農作物生長環境數據采集系統對農作物生長環境溫度數據進行采集，再采用本文設計的基于物聯網的農作物生長環境精準化數據采集系統實施同樣操作步驟，設置傳統農作物生長環境數據采集系統為對照組，進行對比試驗。

3.2 試驗結果分析與結論

根據上述設計的試驗，記錄5組試驗數據，將兩個系統下農作物生長環境溫度數據采集準確度進行對比，試驗數據如表1所示。

表1 農作物生長環境溫度數據采集準確度對比

由表1可得，本文設計的基于物聯網的農作物生長環境精準化數據采集系統對農作物生長環境溫度數據采集的準確度更高。通常，采用相同的電路及設備，基于物聯網的農作物生長環境精準化數據采集系統比傳統農作物生長環境數據采集系統更能夠精準采集農作物生長環境數據。由此可見，基于物聯網的農作物生長環境精準化數據采集系統可以促進農作物的精細化培育。

4 結語

目前，現代化的設施農業根據農作物生長發育的規律，對農作物生長環境加以精準化數據采集，實現了農作物種植的精細化培育。試驗表明，本研究設計的系統在數據采集準確率方面有著傳統農作物生長環境數據采集系統無法比擬的優勢。因此，該系統可以為農作物生長環境精準化數據采集提供技術支持。

參考文獻：

[1]鄭玲玲.基于物聯網技術的溫室大棚移動終端監控系統分析[J].科技經濟導刊，2017（16）：1-2.

[2]韓洋.基于大數據技術的農業物聯網應用系統分析[J].計算機產品與流通，2019（8）：118.

[3]張騰飛，崔俊宇，芮平，等.基于ZigBee技術的農作物環境采集系統設計[J].南京工程學院學報（自然科學版），2017（4）：21-25.