基于Arduino的智能農業遠程監測與異常預警系統研究

董宇軒 ， 崔嘯鳴

（內蒙古工業大學電力學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

1 介紹

Arduino是近年來流行的開源硬件平臺。它可以接收和發送數字或模擬信號來控制外部設備。它還支持多種傳感器擴展板，操作簡單，功能多樣。可用于智能農業的遠程監控和系統設計。這種設計有利于解決農業生產中智能化、信息化程度低的問題，對發展智慧農業具有重要意義[1]。本項目旨在研究一種基于Arduino的智能農業遠程監測與異常預警系統，能夠實時采集和分析農業溫室內部環境，并通過網絡與手機通信，使用手機APP實現對農業大棚內部環境的檢測和異常情況的實時預警，解決農業生產智能化、信息化程度低的問題。

2 系統設計

2.1 總體設計

系統以LabVIEW為基礎編寫的軟件作為上位機，負責識別和顯示Arduino Uno微處理器發送出來的溫濕度、光照強度和土壤濕度。Arduino Uno微處理器作為下位機，通過網絡化模塊W5100接收上位機的指令，負責接收和判斷命令，收集和傳送接收的溫度、空氣濕度、光照強度、土壤濕度等數據，并通過網絡化模塊W5100上傳到LabVIEW顯示軟件[2]。光照強度、溫度、土壤濕度、風速等物理量均由各種傳感器檢測，并將檢測到的模擬量轉換成相應的數字量。異常監控畫面由攝像頭監控感知上傳。

2.2 硬件配置

1）光學精密光敏發射機。光學精密光敏變送器，輸出值測量單位為勒克斯，設備采用壁掛式防水外殼，壁掛式安裝，防護等級高。485通訊，標準Modbus RTU通訊協議，可設置通訊地址和波特率，最遠通訊距離為2000 m，產品電源為10 V～30 V寬電壓電源，主要應用于農業大棚、花卉栽培大棚、電子設備生產線等需要照度監控的場合。該設備用于檢測溫室內的光照強度，多點安裝在溫室的適當位置。

2）溫濕度傳感器。XW-TH-B/O溫濕度傳感器用于測量和顯示環境溫濕度。產品采用高性能進口元器件，抗電磁干擾設計。XW-TH-B/O是為機架環境設計的。產品采用RS485通訊，雙RJ45端口設計，大大簡化了系統布線，可與各種監控系統集成，實現遠程控制。該設備用于檢測溫室內的溫度和濕度。

3）攝像機監控。攝像機監控和紅外監控，白天開啟普通攝像機監控，檢測是否有降雨、冰雹等自然災害和可見災害，還可以監控人畜等破壞性生物是否進入溫室；晚上開啟紅外攝像機監控，使用紅外攝像機由攝像機的功能特性產生的一種類型，其工作原理是通過紅外光燈發射紅外光照亮物體，然后紅外光將漫反射，最后返回攝像機，由監控攝像機接收，并形成視頻圖像。在溫室的四個角落和入口處有五個裝置。

4）風速計。測量空氣流量的儀器。它有很多種類型。氣象臺站中最常用的風杯風速儀是由三個拋物線錐和空杯相互成120°固定在支架上的感應部分。空杯子的凹面都朝一個方向。整個傳感部分安裝在垂直旋轉軸上。在風的作用下，風杯以與風速成比例的速度繞軸旋轉。該設備安裝在溫室入口處，用于及時檢測溫室內的風速。

5）Arduino平臺。接收上述傳感器和監測結果，分析其與設定值之間的差距，顯示指標為：正常/異常；自然災害：是/否；人為干擾：是/否。遙控終端分為移動應用終端和計算機客戶端兩種，方便人們隨時監控溫室內的情況。在界面上，根據Arduino發送的值，提供溫馨提示和待檢查區域。

2.3 軟件設計

1）Arduino下位機程序設計。Arduino下位機負責溫室環境的數據采集和傳輸，接收Kingsview的指令，控制相關執行機構的開閉。數據采集部分通過程序讀取測得的空氣溫度、濕度、光照強度和土壤濕度。由于測得的光照強度和土壤濕度都是模擬電壓值，需要通過轉換程序將模擬電壓值轉換成百分比形式，然后與空氣溫度和濕度進行比較后一起輸出到串口。同時，需要對Kingsview發送到串口的字符進行讀取和判斷，使相應的中繼工作[3]。

2）基于組態王的上位機組態界面設計。在Kingsview中定義外部設備，選擇相應的COM端口，按照設備配置向導的提示確定制造商、設備名稱和通信方式。在數據字典中定義變量主要涉及I/O字符串、內存字符串、內存整數和內存實數。創建和設計屏幕，連接動畫中的相關控件和變量，并建立人機交互界面。

3 系統功能實現

3.1 系統登錄

為了確保系統的安全指數，需要賬號密碼才能進入次系統。系統后臺管理員是admin。一般用戶想登錄系統，需要在系統管理員所在處進行登錄，確認自身權限，輸入自己的賬戶。賬號和密碼與系統自身數據庫匹配。有以下兩種情況：賬戶本身存在，但密碼顯示不正確；賬戶本身不存在。如果用戶賬戶顯示正確，但密碼輸入不正確，則會提示用戶自身密碼錯誤。如果賬戶不存在，則會出現賬戶“不存在”對話框。登錄界面分為四個模塊：核驗模塊、識別匹配模塊、錯誤報告顯示模塊和權限控制模塊。用戶登錄時，需要匹配所有四個模塊才能成功登錄。

3.2 決策支持

決策支持包括風扇決策、滴管決策和燈光補充決策。決策子系統的主要功能是提供支持。如果溫度較高，風扇將被打開；如果溫度達到設定的范圍，風扇將會自動關閉；滴管將會在早上8點準時開啟，在12點準時關閉；當光的強度沒有達到一定的水平時，生物效應燈便會打開，當光照充足時，它將會自主關閉，決策支持的功能就是這樣完成的。其中滴管決策的開啟條件，若超過12分鐘，則不會再打開。為了能夠更智能準確地運行，在程序設計[4]過程中增加了一個核驗功能。主要目的是開通決策服務，當時間檢查開始運行時，系統將自動獲取網絡時間，并自動判斷滴管決策的開啟和關閉時間。為了使系統能夠正常運行，需要在每次倒計時后進行新的判斷。

3.3 數據收集

成功進入系統后，需要建立長期連接。采集子系統每1分鐘將此數據采集發送到指定端口。數據傳輸后，服務器自身需要對傳輸的數據進行分析，獲取系統指令參數，并進行識別與驗證。數據儲存在系統數據庫中。通過連接的管理，搜索到手機終端，然后將識別分析的數據傳輸到手機終端。當手機接收到最終數據時，它自身便會向服務器所在系統發送請求，并通過自己的顯示圖形功能模塊顯示圖形。對于用戶自身來說，通過分析系統數據，然后調用相關的系統函數，最后使用插件使其在瀏覽器網頁上顯示圖表。

3.4 遠程控制

手動遙控和智能遙控是本系統的主要監控方式。在手動遙控中，需要徹底理解遙控箱的原理。在掌握了原理之后，進行遠程控制就變得非常簡單了。遙控箱內只需安裝一個GPRS/3G轉換模塊便能把信號進行轉換，然后控制電源的開關，控制電能。控制箱總共有8個接口端。當用戶按動對應的按鈕時，系統同時會發出對應的命令[5]。當模塊識別到命令時，判斷是否需要自身控制。其過程是：使用終端的設備向服務器發送指令，服務器識別指令并搜尋對應編號，掃描模塊狀態確定是否自身處在控制模式，控制模塊對指令進行分析，然后激活對應的數據，命令服務器執行指令；設備已經打開或已經關閉。

4 系統實驗

將本系統放在20 m×40 m的溫室大棚里面進行全方位測試。在整個實驗測試過程中，中國移動的SIM卡被插入GSM模塊。首先，通過碳纖維電熱絲模擬加熱裝置、水泵模擬澆水裝置、電機模擬通風系統、卷簾模擬溫室被子等，檢測溫室內的控制功能的智能化，即紅外感應HC-SR501模塊，以及溫度、濕度和光線傳感器是否能夠正常識別外界環境。當收到不同的數據值時，Arduino終端便會控制相應的照明、加熱、散熱、噴水和通風繼電器的開關。然后根據GSM短消息控制協議格式編輯短信，并發送給GSM模塊進行核對，以便確定GSM模塊是否可以收到短消息。當短消息的內容與微控制器的內部設置指令匹配時，將發出控制命令。系統測試結果如表1所示。

表1 系統測試結果

5 結論

通過本項目的開發，可以采集溫室內環境的土壤pH值、空氣二氧化碳濃度、水汽、光照強度、溫濕度等。多樣化的數據采集和分析可以直觀地顯示溫室的環境，農民可以根據作物所需的環境進行操作。利用遠程傳輸技術突破地域限制，打破傳統的農業監測模式，讓農民足不出戶就能對溫室環境進行監測和調節。當農業大棚因自然原因（如大風、暴雨等）或其他原因（人為故意破壞、動物進入等）出現異常情況時，及時收集異常數據可以讓農戶更快地實施預防和保護，減少經濟損失。