基于物聯(lián)網(wǎng)的智能大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文/徐文起 李小紅 呂向風(fēng)

目前，溫室大棚已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的種植蔬菜和非時(shí)令作物，集觀光旅游、休閑度假為一體，因此大棚面積較大，環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理則需要大量人力、物力，為了解決以上問題提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能大棚的設(shè)計(jì)。該大棚能實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚內(nèi)土壤溫濕度以及空氣溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、土壤PH值監(jiān)測(cè)以及卷簾機(jī)和風(fēng)機(jī)以及燈光的控制等，通過(guò)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)檢測(cè)大棚環(huán)境以及作物的生長(zhǎng)環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，通過(guò)智能控制來(lái)實(shí)現(xiàn)集約化管理。

1 系統(tǒng)功能需求分析

通過(guò)到武清某蔬菜、花卉種植大棚和漢沽某草莓大棚等實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)家庭型的大棚面積較小但是數(shù)量較多，智能監(jiān)控基本沒有；通過(guò)對(duì)用于觀光和科普型企業(yè)大棚走訪，發(fā)現(xiàn)該類型大棚一般具有監(jiān)測(cè)空氣溫濕度、含氧量、PM值監(jiān)測(cè)功能。因此根據(jù)實(shí)際調(diào)研情況和大棚管理者提出的要求，得出系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)如下功能。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集功能：系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚空氣環(huán)境和土壤環(huán)境的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和上傳到云平臺(tái)；遠(yuǎn)程智能控制功能：用戶需要根據(jù)實(shí)際情況遠(yuǎn)程控制卷簾機(jī)的收放、燈光控制以及風(fēng)機(jī)的開閉；相關(guān)數(shù)據(jù)查看功能：用戶需要通過(guò)手機(jī)就能夠查看相關(guān)數(shù)據(jù)；硬件設(shè)備要求：設(shè)備初始化以及管理、更換簡(jiǎn)單、易用，設(shè)備要防塵、防水等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析，需要對(duì)智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先對(duì)系統(tǒng)總體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，因此根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)將智能大棚系統(tǒng)分為三層：感知層、傳輸層和應(yīng)用層。其中系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

其中感知層需要進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)采用了較高性價(jià)比、設(shè)備較強(qiáng)穩(wěn)定性和抗干擾能力等原則，進(jìn)行農(nóng)業(yè)盒子的設(shè)計(jì)；該盒子設(shè)計(jì)為通用型，能搭載傳感器只需要購(gòu)買芯片即可。設(shè)計(jì)的主板統(tǒng)一接口、統(tǒng)一的程序，可以搭載不同傳感器芯片，無(wú)需二次編程和設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了即插即用。同時(shí)在主板外自主設(shè)計(jì)了防塵、防水不銹鋼盒子。

表1：自主研發(fā)盒子出廠設(shè)置表

圖1：智能大棚系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2：智能大棚APP監(jiān)控界面

傳輸層主要能實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)上傳功能，主要針對(duì)大棚用戶需求以及實(shí)際情況設(shè)計(jì)為Wi-Fi、GPRS傳輸技術(shù)，可以選擇通信方式。對(duì)于普通家庭用戶采用GPRS，因?yàn)閮r(jià)格低廉，也比較適合沒有連接Wi-Fi的農(nóng)村；而對(duì)于企業(yè)而言，則可以選擇已有的Wi-Fi傳輸方式。

應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)，主要是由后臺(tái)管理系統(tǒng)和手機(jī)APP組成，通過(guò)后臺(tái)管理系統(tǒng)可以完成對(duì)獲取的大棚環(huán)境數(shù)據(jù)的查看，存儲(chǔ)等操作。管理員對(duì)后臺(tái)終端系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)和日常管理；移動(dòng)終端用戶可以通過(guò)APP完成對(duì)大棚中環(huán)境數(shù)據(jù)的查看和對(duì)大棚中部署的硬件設(shè)備的控制。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在硬件實(shí)現(xiàn)上，傳感器芯片采購(gòu)其他廠商，連接主板和傳感器芯片的電路板則是自主研發(fā)。該電路板（農(nóng)業(yè)盒子）作用于傳感器與主板之間，主要使用RS485有線數(shù)據(jù)通信，其他部分采用無(wú)線數(shù)據(jù)通信，最后將傳感器與電路板進(jìn)行封裝，由于前期已經(jīng)對(duì)傳感器等與電路板的連接進(jìn)行了設(shè)置，所以在后期出現(xiàn)傳感器更換時(shí)也可以直接進(jìn)行更換，無(wú)需再進(jìn)行調(diào)試或設(shè)置。硬件實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)盒子，同時(shí)還有自動(dòng)灌溉模塊、土壤濕度檢測(cè)、PH值傳感器以及AT89C51單片機(jī)等設(shè)備。

自主研發(fā)盒子搭載傳感器之后，首先需要進(jìn)行出廠設(shè)置（該設(shè)定不對(duì)客戶開放）如表1所示。

軟件實(shí)現(xiàn)包括手機(jī)APP和系統(tǒng)后臺(tái)。本系統(tǒng)采用SQL Server為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù),以ASP.NET進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)開發(fā)軟件設(shè)計(jì)，使用Android Studio進(jìn)行手機(jī)APP開發(fā)。

系統(tǒng)后臺(tái)管理系統(tǒng)為管理員提供日志信息的存儲(chǔ)與分析等服務(wù)，后臺(tái)管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和查詢的功能，可以將感知層中采集到的空氣溫濕度、土壤基質(zhì)溫濕度和二氧化碳濃度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便用戶可以通過(guò)手機(jī)APP端從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取并查看歷史數(shù)據(jù)記錄。后臺(tái)把感知層采集來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸層傳輸后進(jìn)行分析，根據(jù)預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)范圍，在實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)不在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)時(shí)，進(jìn)行自動(dòng)控制硬件設(shè)備的開啟和關(guān)閉，比如控制卷簾機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。卷簾或放簾一定程度，觸發(fā)設(shè)定好的行程開關(guān)，電機(jī)停止運(yùn)行。

手機(jī)APP端實(shí)現(xiàn)了用戶對(duì)大棚環(huán)境數(shù)據(jù)的查看和硬件設(shè)備的調(diào)控；實(shí)現(xiàn)了大棚的空氣溫濕度、光照，土壤的溫濕PH值等信息的監(jiān)看；同時(shí)還會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)照明、通風(fēng)口以及卷簾機(jī)、風(fēng)機(jī)、澆水等控制。手機(jī)APP如圖2所示。

4 運(yùn)行

目前主要推廣對(duì)象也是節(jié)能智慧大棚的試點(diǎn)—大棚較多的武清區(qū)的河西務(wù)鎮(zhèn)。同時(shí)，也將設(shè)計(jì)的盒子修改傳感器（只要溫濕度傳感器），應(yīng)用于塘沽糧庫(kù)，該糧庫(kù)一共60個(gè)糧倉(cāng)，每個(gè)糧倉(cāng)都需要對(duì)溫濕度檢測(cè)，原來(lái)使用傳統(tǒng)的人為測(cè)量并多次不同地點(diǎn)采樣進(jìn)行測(cè)量，這樣工作效率勢(shì)必會(huì)低。因此在糧庫(kù)中使用智能農(nóng)業(yè)盒子，每個(gè)糧庫(kù)安裝10個(gè)溫濕度傳感器，其中9個(gè)放置在內(nèi)部，1個(gè)放糧倉(cāng)外。需要通過(guò)判斷糧庫(kù)外的溫濕度和庫(kù)內(nèi)溫濕度對(duì)比開控制是否開關(guān)風(fēng)扇，首先濕度權(quán)值重，如果室外濕度高于糧庫(kù)內(nèi)，即使庫(kù)內(nèi)溫度再高也不能開通風(fēng)。另外一個(gè)應(yīng)用主要應(yīng)用于塘沽鹽場(chǎng)，應(yīng)用效果較好。