基于物聯網的智能農業大棚監測系統研究

黨 鵬

(甘肅財貿職業學院，甘肅 蘭州 730000)

1 系統架構設計

本研究的監測系統包含感知控制層、網絡層、平臺數據管中心以及應用層。感知控制層包括傳感器以及其他控制設備，其中傳感器主要用于采集環境數據并將數據傳導至網絡層，控制設備科根據應用層指令對環境變量進行控制，并形成一定的報表數據并傳輸至平臺層，最終通過接口顯示給用戶。

1.1 感知控制層

利用多種傳感器模塊，對農業大棚的溫濕度、碳酐濃度、土壤含水量等環境變量進行監測。多種傳感器模塊包含光照度傳感器、溫濕度傳感器、泥土含水量傳感器、 CO2檢測模塊、NH3檢測模塊。控制模塊主要對大棚的光照、溫度和土壤濕度進行控制，設備包括可控透風設備、光照調節設備、照明設備和灌溉設備等。傳感器控制器MCU單元采用STM32F103系列芯片，組網與數據傳輸采用ZigBee協議。

1.2 網絡層

感知控制層各模塊之間的組網與數據傳輸采用ZigBee協議完成，ZigBee協議是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議，有著低花費、低能量、高容錯性和自組織性等特點[1]。網絡層還要完成數據的匯聚和上傳工作，該項功能主要通過網關設備實現，網關設備MCU單元采用STM32F4系列芯片，同時內置cc2530系列芯片，可以將ZigBee協議包轉換為TCP/IP協議包，從而起到數據轉換的作用，然后通過以太網接口或WIFI進行數據傳輸，將數據傳輸到平臺層進行分析。網絡層同時具有數據指令下發的功能，平臺層或應用層的控制指令可以通過TCP/IP協議下發至網絡層，再由網關設備解析為ZigBee協議數據，再次下發至控制模塊。

1.3 平臺層

本系統平臺層起到的作用主要有Web服務和數據處理兩個功能。Web 服務器通過Tomcat 部署，使傳感器采集的數據與數據中心交互，進行一系列數據處理后，通過頁面反饋給用戶進行監測。監測系統的安全采用授權方 式保障，后臺提供 Restful 接口，返回的 JSON 格式數據供第三方調用。系統內的終端設備通過UDP、TCP 與Web服務器建立連接，可以上報數據以及接收控制命令[2]。

服務器主要有數據采集、數據庫管理、環境數據分析、規則聯動等功能。服務器軟件使用Java語言編寫。服務器可接收端口進行監聽，一旦接收到感知層的連接請求，服務器將啟動線程對感知模塊上報的環境數據進行接收。提取數據后，將其存入數據庫，同時進行數據處理，以數據報表的形式發送到應用層。同時還可根據農業大棚生產流程的設計規則，下發對應的控制指令，以自動的改善環境。

在實時顯示各監測區域數據的同時，需要形成對環境的長期監測，則需要對一段時間的數據進行分析研究，并形成報表，所以還需設計實時數據庫以及歷史數據庫。數據庫采用傳統MySQL關系型數據庫，以提升報表查看機能，給用戶更好的使用體驗。

1.4 應用層

本監測系統采用Web 頁面和安卓APP應用2種方式展示環境監控結果。 Web頁面使用HTML5、jQuery等主流頁面技術開發，通過Ajax技術調用服務端接口，得到環境數據，并將數據解析后通過圖表等形式展示[2]。APP應用的開發基于安卓技術架構，將平臺層處理后的數據進行展示，方便用戶獲得實時監測環境數據和對生產環境進行控制。

2 系統實現

感知層通過環境溫濕度傳感器獲取當前大棚環境中的溫度、濕度、二氧化碳和光照數據，通過土壤監測傳感器獲取土壤中的含水量信息。控制單元通過可控繼電器控制風扇、照明、溫度補光燈和遮光簾的開關。

網絡層通過網關設備實現感知層組網和各模塊數據的傳輸，同時肩負感知層數據上報的工作，因為感知層數據是通過ZigBee協議傳輸，而平臺層與網絡層之間通過TCP/IP協議進行數據交互，因此網關還有一個重要功能就是不同協議之間的數據轉換。本系統采用的網關同時具有ESP8266模塊和CC2530模塊，并通過ModBus協議將ZigBee數據包轉換為TCP/IP數據包，從而將數據傳入網絡層。該數據包轉換過程同樣適用于下行數據。

平臺層具有傳感器數據以及管理應用功能，通過 TCP/IP 協議收集數并進行處理，服務器在接收到環境數據后，首先將數據存儲至數據數據庫中，然后系統再根據數據計算每一時刻監測區域的環境數據，并以報表的形式顯示給用戶，還可發送至應用層。在平臺層還需要設置自動控制規則，按照用戶要求，針對相應環境變量完成自動控制。

應用層用戶可以利用Web 頁面和安卓APP應用查看監測數據，完成設備控制。當然，這都取決于平臺層的數據處理結果，數據傳輸依靠TCP/IP協議完成。

3 結語

發展智能農業是目前提高農業生產力的關鍵，物聯網技術與現代農業技術的結合，促進了智能農業產業的迅猛發展，尤其是物聯網產業規劃已上升至國家策略的高度，更加明確了現代農業的發展方向。雖然智能農業監測系統在技術層面有突破，但讓其真正符合現代智慧農業發展的要求還有一定的差距[3]。

本研究從我國大力發展現代農業，支持農業產業轉型的背景出發，針對國內溫室大棚監控系統的現狀和用戶對智能化生產的需求，將物聯網技術、嵌入式技術、Android 技術和智能控制系統等相融合，設計了一種基于物聯網的智能農業大棚系統[4]，對大棚內影響農業生產的環境變量的監測和自動控制技術進行研究，本文設計的系統具有一定的穩定性，同時還有成本低、容易搭建和可移植性強等特點，適合在一定區域內進行推廣。