王艷麗，黨國剛

(1．渭南師范學院計算機學院，陜西 渭南 714000；2．渭南市林業局，陜西 渭南 714000)

0 引言

近年來，我國農業農村經濟保持著良好發展勢頭，農村改革步伐的加快、農村生態居住環境有了很大的改善，農民生活水平穩步提高，為我國成功應對各種困難和風險，保持經濟社會穩中求進提供了有力支撐，增添了底氣。同時，在新常態背景下，我國農業發展面臨嚴峻挑戰，必須要加快轉變農業發展方式，加快推進農業現代化建設[1]。水利化、機械化、信息化是現代農業及農業現代化的3個重要標志。目前，信息化發展已成為我國農業現代化建設的一個短板。縱觀全球的農業發展情況，可以說沒有農業信息化就沒有農業的現代化[2]。農業規模化經營、可持續發展、實施糧食安全戰略等都迫切需要大力發展農業物聯網、移動互聯網、云計算等新一代現代信息技術。

農業物聯網是以信息感知設備、通訊網絡和智能信息處理技術應用為核心，以實現農業科學化管理，達到合理使用農業資源、改善生態環境、降低生產成本、提高農產品產量和品質的目的。目前，亟需通過發展農業物聯網技術來提高農業生產效益、節約資源。農業物聯網技術涵蓋傳感器、網絡與通訊、輔助決策以及自動控制等新技術，它能夠通過對農業生長環境、動植物生長過程、設施園藝可控環境等進行實時監測，從而獲取動植物生長發育狀態、水肥使用狀況、病蟲害發生及防治情況及相應生態環境的實時信息[3-4]。這些監測數據通過專家系統進行反饋處理與分析決策，實現對生產的指導作用。以科技惠農，以科技扶農，在此需求的推動下，本文設計智慧農業大棚控制系統，通過感知大棚環境溫度、濕度和光照強度等環境參數，對數據進行有效分析，從而做出正確的判斷，將結果發送給遠程客戶端，客戶端可以控制大棚設備，使其能合理有效地工作，為大棚內植物的生長提供最適宜的環境。

1 系統設計

針對現有溫室大棚進行深度調研與分析，設計智慧農業控制系統，通過物聯網系統對農業大棚中的植物生長關鍵參數進行在線監控，系統結構圖如圖1所示[5]。

該系統采用三層結構模型，包括物聯網感知層，網絡層和應用層。物聯網感知層通過數據采集傳感器采集溫濕度，光照強度，煙霧等，通過設備控制器模塊實現環境參量的修正。網絡層包括ZigBee無線傳輸模塊和GPRS遠程傳輸模塊。應用層包括PC客戶端，APP客戶端和服務器。物聯網感知層采集數據，將采集的數據通過網絡層傳輸到應用層，應用層計算分析得到控制指令再通過網絡層發送給感知層從而控制電磁閥、燈等。

圖1 系統結構

2 硬件設計

2.1 傳感器節點

傳感器節點負責數據的采集，主要用的傳感器包括空氣溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器和光照傳感器等，其中，溫濕度傳感器選用DHT11，由電阻式濕傳感器和一個連接到高性能8位微控制器的NTC溫度傳感器組成。

土壤濕度傳感器用于測量土壤相對含水量，利用電磁脈沖原理，根據電磁波在不同介質中傳播的頻率來測量土壤的介電常數，從而得到土壤中的相對含水量，其組成包括溫度檢測電路和聲控報警電路等部分。

光照傳感器是通過光敏元件將光信號轉換為電信號的傳感器，光敏元件可以感測光的亮與暗變化，并輸出敏感波長接近可見光波頭的弱電信號，包括紅外線、波長和紫外波長[6]。光強度信號采集使用光敏電阻作為信號采集裝置。隨著照度增加，其電阻降低，利用電路電壓采集光強度。

2.2 控制模塊

2.2.1 液晶顯示和按鍵

液晶顯示主要顯示系統關鍵參數以及系統設置信息[7]，提供人機交互界面，選用OLED作為控制端機顯示器，液晶顯示器與控制器采用SPI通信，其硬件連接如圖2所示。

圖2 液晶顯示硬件連接

采用中斷方式判斷按鍵是否被按下，按鍵分為3種狀態，即按下、松開和沒有按下。通過定義臨時緩存區，記錄鍵值，若測有按鍵按下，則啟動按鍵計數器；重新定義按鍵模式，若按鍵已經釋放，則關閉按鍵計數器，清除記錄鍵值，更新狀態并等待按鍵按下狀態。

2.2.2 CC2530接口電路

CC2530通過串行通信口進行通信，SPI通信模式，VSART通過3線接口或4線接口與外部系統通信，接口包含引腳MOSI、MISO、SCK和SS-N。當VXCSR、MODE設置為0時，選中SPI模式，在SPI模式中，VSART可以通過寫UxCSR.SLANE位來配置SPI為主模式或者從模式，硬件連接如圖3所示。

圖3 CC2530接口電路硬件連接

3 軟件設計

3.1 數據采集傳感器軟件設計

數據采集主要完成大棚環境內參數的獲取，為科學調控大棚內環境提供有力保障，具體實現流程如圖4所示。首先進行初始化，初始化完成后傳感器采集環境參數，之后完成對控制設備的調節，促使控制設備的電磁閥等開關執行命令[8]。

圖4 數據采集程序流程

3.2 控制系統軟件設計

控制系統軟件設計思想采用文獻[8]的理念，控制系統感知層完成數據采集和數據處理，如圖5所示。主控點初始化后接收網絡層發送的數據，處理后再通過GPRS發送給服務中心，如圖6所示。

圖5 控制系統感知層數據采集

圖6 控制程序流程

4 系統測試

4.1 Android與Web客戶端測試

農業智慧控制系統實驗在農業大棚內進行，分別選取2個溫室進行測試，標記為1號溫室和2號溫室，現場測試環境如圖7所示。首先檢測系統需要數字展示和監控，通過手機客戶端或者Web客戶端等互聯網數據終端獲取預警和監控信息，并且通過終端控制大棚的設備工作，基于Android studio開發平臺，采用Java編程語言，手機客戶端登錄，用戶首先進行注冊，輸入用戶名和密碼方可進行后期相關操作。

當用戶登錄后，客戶端主界面可以查看各個大棚的實時環境參數，其中包括1號溫室和2號溫室實時監測的空氣溫度、濕度以及土壤溫度等數值，如圖8所示。

圖7 現場測試環境

圖8 客戶端首頁

4.2 控制系統測試

農業智慧控制系統建立之后，首先完成傳感層與協調器之間的通信測試，協調器接收采集到的數據，顯示屏幕正常顯示字符串，通信成功。然后在大棚內進行無線網絡傳輸測試，在有效范圍70 m左右系統運行穩定。設置空氣溫度和濕度數據閾值，當監測數據超出閾值，控制系統打開空氣加濕設備或關閉加濕設備。同時，設置土壤濕度閾值，當土壤濕度超出閾值，控制系統打開或關閉水泵。采集的數據經串口通過3G/GPRS模塊轉換傳送到移動通信網絡，實現手機客戶端數據信息顯示，Web互聯網遠程終端進行遠程實時觀察，監控并記載歷史數據，還可以修改相關的參數，Web控制管理界面如圖9所示[9]。

圖9 Web控制管理界面

以1號溫室為例，當采集點溫度為20～30 ℃時，系統控制裝置不運轉；當采集點溫度低于20 ℃或高于30 ℃時，系統報警開啟，提示用戶啟動控制系統，通過系統供熱或通風進行調節。通過運行智慧控制系統，測試所得數據如表1和表2所示。

表1 溫度運行測試數據

表2 濕度運行測試數據

測試數據可以在手機端查看，對實時數據統計，用戶可以宏觀上掌握大棚環境的溫濕度。同時，如果想了解歷史數據并對其分析，系統可以通過歷史數據分析來幫助用戶預測本年度不同時期的不同參數的數值。

5 結束語

本系統將物聯網融入現代農業，采用了嵌入式技術、計算機技術、無線通信技術，實現了一套智慧大棚控制系統。該系統傳感層負責數據采集與遠程控制，網絡層負責網絡傳輸，應用層負責分析數據并將結果發送給感知層來完成控制操作。同時，系統測試顯示，系統操作界面簡潔明了，實現了環境參數實時數據顯示，數據閾值范圍的設定，控制設備的開啟與關閉，還可以讀取歷史數據，為評判近期環境提供參考，具有較高的實用性。