基于物聯網技術的智能農業管理系統設計

彭元堃　楊艷　楊瑋　陳士燃

摘要 ? ?為了提高農業管理的科學性和工作效率，本文設計了一種基于物聯網技術的智能農業管理系統，該系統基于阿里云物聯網平臺通過智能傳感器技術采集農業數據和智能管理。系統具有實時采集和監控功能，使用戶能夠及時處理各種環境信息，提高管理效率和生產效率。測試結果表明，本文所設計的智能農業管理系統具有穩定性強、可靠性高、價格低廉等特點，為智能化農業管理系統提供了一種可行的方案。

關鍵詞 ? ?物聯網;智能農業管理系統;傳感器技術

中圖分類號 ? ?S126;TP391.44;TN929.5 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）19-0257-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Design ?of ?Intelligent ?Agricultural ?Management ?System ?Based ?on ?Internet ?of ?Things ?Technology

PENG Yuankun ? ?YANG Yan * ? ?YANG Wei ? ?CHEN Shiran

（School of Electronic and Electrical Engineering， Bengbu University， Bengbu Anhui 233030）

Abstract ? ?In order to improve the scientificity and work efficiency of agricultural management， this paper designed an intelligent agricultural management system based on the Internet of Things technology. Based on the Alibaba Cloud Internet of Things platform， this system could collect agricultural data and manage intelligently through intelligent sensor technology. The system had real-time collection and monitoring functions， enabled users to process various environmental information in time， improved management efficiency and production efficiency. The test results showed that the intelligent agricultural management system designed in this paper had the characteristics of strong stability， high reliability and low price， which provided a feasible scheme for the intelligent agricultural management system.

Keywords ? ?Internet of Things; intelligent agricultural management system; sensor technology

隨著計算機、物聯網技術、嵌入式系統技術的發展，目前，物聯網技術和嵌入式系統技術已得到廣泛應用。將物聯網技術和農業相結合，是提高農業生產效率、加快推進農業信息化的必然選擇，但真正推廣仍然有很大的障礙，就當下的環境來說，主要存在的問題有：現有的生產模式限制了物聯網智能農業的大規模發展，物聯網基礎建設成本過高導致無法普遍推廣;最重要的是，在實際應用中，物聯網技術尚不成熟，使用效果低于預期。不可否認的是，數據信息時代的發展已經在很大程度上改善了傳統農業的不足，農民可以不再憑借經驗判斷作物的生長狀況，而是利用科學技術提高生產力。此外，嵌入式系統技術的發展有效解決了硬件平臺搭建的難題，極大地降低了成本，使智能農業系統更便于控制，同時也讓物聯網技術在智能農業系統中得到更充分、更有效的利用。圖像處理技術與多媒體傳感器的智能使用有效地優化了農業系統，可以更快速、更準確地為耕種環境作出決策。目前，智能農業的發展已經進入新時期，如何更有效地利用高科技手段是目前研究的主要方向之一[1]。

本文所設計的物聯網智能農業管理系統將傳感器采集的數據進行綜合后及時傳送至軟件終端，并保留歷史記錄，每個周期會進行數據分析和環境預測，從而提高了系統的穩定性和可靠性，簡單的架構降低了使用成本和使用技術難度。

1 ? ?系統總體方案

如圖1所示，農業智能管理系統總體結構采用硬件與軟件相結合的方式，其中硬件平臺采用嵌入式系統搭建，主控芯片借助串口發送指令，利用Wi-Fi無線通信技術，遠程控制各種傳感器采集環境數據，如空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度等，在同一局域網下，將數據打包發送到軟件終端，并設置預先報警的規則實時監控與分析，為用戶提供智能決策的方案，及時改善環境數據，以便達到最適合農作物生長的環境[2]。

1.1 ? ?智能農業管理系統主要技術指標

該智能農業管理系統針對不同的環境和應用的對象，包括智能監控、數據采集、遠程控制、預防報警等功能，利用物聯網技術可以有效地與環境建立聯系，達到對農作物生長進行管理和監控的作用[3]。

1.1.1 ? ?智能監控。通過各種傳感器設備實現對土壤濕度、環境溫度、光照強度、環境濕度和CO2濃度的實時監控。

1.1.2 ? ?數據采集。利用硬件平臺的上位機通過串口通信發送指令來控制傳感器采集數據并進行歸一化處理，然后上傳到軟件終端。

1.1.3 ? ?遠程控制。通過物聯網技術實現在同一局域網下所有設備均具有遠程控制的功能，用戶通過軟件終端可以對整個智能農業系統進行調控。

1.1.4 ? ?預防報警。針對不同農作物設置不同環境條件，當傳感器所采集的數據與系統設置的數據值不符時，便會觸發報警功能，方便用戶及時采取措施，使當前環境最適宜農作物生長。

1.2 ? ?物聯網智能農業技術原理

物聯網技術應用在智能農業系統中，其技術原理為：在農業大棚或農作物生長區安裝智能傳感器設備和一體化智能控制系統，通過這些傳感設備，按照約定的協議，可以將農業環境與網絡相連接。基于Wi-Fi技術、RFID技術和傳感網技術的發展，對傳感器采集的信息進行數據分析，智能化地控制農作物生長環境，以達到最適宜農作物生長的條件[4]。

Wi-Fi技術可以將各種傳感設備連接到局域網，實現無線網絡傳輸;RFID技術在整個系統中通過對接收頻率信號進行數據分析處理，然后傳輸到后臺和云端，實現對數據信息的控制;傳感網是物聯網的核心技術，主要用于進行信息交換和傳輸，且具有數據存儲功能[5]。

2 ? ?硬件數據采集與控制系統設計

硬件數據采集與控制系統主要由供電系統、單片機控制系統、傳感器設備組成，如圖2所示。

供電系統：硬件主控系統通過USB串口電路供電，輸出電壓為5V。

單片機控制系統：該模塊采用STM32F104增強型芯片，此芯片具有高性能、低成本、低功耗的特點，可以兼容5V的I/O管腳，最多有112個快速I/O端口，且多達11個定時器，廣泛應用于各種嵌入式系統中，非常適合用于控制傳感器采集數據。在整個硬件系統中，可以接收、執行、發送指令，并按照預設的程序進行數據傳輸。

設備：針對農業系統的環境特點，主要的傳感器采集設備有土壤濕度傳感器、大氣溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照強度傳感器等;此外，還包括報警模塊中的蜂鳴器設備、監控模塊的攝像頭設備。

控制系統的實現基于嵌入式系統的UART串口通信協議，通過配置好無線通信協議即可發送接收數據。利用串口可以實現上位機與下位機的通信，通過編寫程序使上位機發送各種指令控制傳感器和報警模塊進行相應操作;軟件終端主要用于發送控制指令，然后控制系統進行智能化處理，實現環境數據的監控以及設備的開關運行[6]。

3 ? ?軟件終端系統設計

軟件終端利用阿里云物聯網平臺，與主控制器在同一局域網下，從而使傳感器采集的數據能夠傳輸到軟件終端，進行一系列的歸一化處理與綜合分析，為了方便用戶更直觀了解環境數據，軟件終端可以導出圖表方便用戶分析。所用的軟件都基于Windows和An-droid系統進行管理，軟件終端操作流程如圖3所示。整個軟件終端系統通過阿里云物聯網平臺搭建，其所提供的服務和功能詳細且操作便捷，按照上述操作流程，即可快速上手整個智能農業管理系統，一體化的操作節省人力、物力資源。

3.1 ? ?阿里云物聯網平臺

該平臺提供了安全可靠的設備連接通信能力，支持設備采集數據上傳到云端，可以自定義Topic通信，支持多種設備終端開發和開發板接入，此外還提供方便快捷的設備管理功能和非常清晰的管理界面[7]。基于阿里云物聯網平臺的物聯網終端可分為4層架構，其系統架構如圖4所示。① 物聯網平臺：是一個具有管理、控制、部署的多功能一體化平臺，提供Wed可視化界面，方便后臺管理。②邊緣節點：將邊緣設備采集的數據進行處理并上傳到物聯網平臺，同時具有數據轉發和路由功能。③邊緣設備：是由硬件系統控制的傳感器，產生的數據將上傳到邊緣節點，建立硬件控制系統與軟件終端系統的聯系。④應用層：主要有兩方面，一方面是該物聯網平臺自己提供的網頁端服務，利用Web可視化界面查看系統運行的狀況;另一方面是利用平臺提供的接口連接自己的應用，通過手機端實現對系統的控制[8]。

通過登錄阿里云物聯網平臺控制臺，在產品管理界面創建產品，然后定義產品功能，將STM32F104芯片與該平臺進行通信，通過UART串口通信技術檢測所開發設備的功能，最后在設備詳情頁面即可查看實時數據。在該平臺用戶可實現設備的調試與監控，便于將所有硬件設施統一管理，及時排查錯誤。基于Win-dows端的阿里云物聯網服務平臺設備調試界面如圖5所示。在設備調試界面可以很清楚地看到各種邊緣設備的運行情況與在線狀態。結合阿里云提供的其他產品和服務，使用者可以十分便捷地構建一體化智能終端操作平臺，與其他的智能農業管理系統相比，該智能農業管理系統的設計在底層與通訊上花費了更少的精力，實現了更多的功能與服務，減少了開發周期，也節約了大量軟件搭建成本。

3.2 ? ? 環境監控管理系統構建

該系統主要的功能有自動監控、環境參數設置、智能分析、遠程控制設備等4個部分。該系統構建在軟件終端，用戶可以通過網頁、PC端或Android客戶端進行控制[9]。環境監控界面如圖6所示。利用阿里云物聯網平臺提供的服務，可以實現自動監控、環境參數設置、智能分析、遠程控制設備等功能，在網頁端和手機客戶端均可以清晰地查看各種功能的運行效果和數據分析。如在環境監控界面可以看到發布的消息數，可以預設報警規則，全面監測整個系統[10]。

3.3 ? ?測試結果與分析

為了方便測試，以Android客戶端為例顯示測試界面，顯示界面如圖7所示。為了便于對比分析數據的準確性，采用生活中常用的溫度計、濕度計、二氧化碳記錄儀工具測量實際環境數據。

通過對比分析實際測量的數據與傳感器測量并通過軟件處理在終端顯示的數據發現，誤差并不大，其誤差均低于0.5%。對于農作物生長環境來說，這些誤差不足以影響農作物生長，說明這些數據十分具有指導意義，因而作為智能環境監控設備其數據是合理的[11]。

4 ? ?結語

本文所設計的智能農業管理系統在物聯網技術基礎上采用軟件、硬件結合的方式，通過嵌入式系統技術搭建硬件控制平臺，利用物聯網技術實現萬物互聯互通，便于環境監控和智能化管理，用戶不但可以通過Web網頁端、PC端和Android客戶端進行監視，還可以在軟件操作系統上對農業環境進行智能化管理與控制，及時調整當前不適的環境條件，給農作物生長提供最好的保障，不僅減少了農業管理人員的工作量和操作難度，而且在農作物生長環境改善和農作物生產效率提高方面有著廣泛的應用前景[12]。

5 ? ?參考文獻

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[11] 吳蓬勃，張金燕，楊斐.基于物聯網的智能農業溫室大棚監管系統[J].電子制作，2017（15）：7-9.

[12] 王書蓮.農業物聯網技術應用[J].河南農業，2017（28）：58-59.

基金項目 ? 2019年國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201911305401）。

通信作者

收稿日期 ? 2020-06-01