智能農業大棚中物聯網技術的應用分析

摘要：農業體系的健康蓬勃發展是社會穩定的基本前提，隨著現代化信息技術以及智能化軟硬件技術的發展，物聯網技術和現代信息通信技術為農業的現代化發展提供了高效率和高產出的基本，對此本文針對農業大棚的物聯網技術進行綜合分析，從基于物聯網技術的溫室大棚監控系統架構入手，探討了硬件配置和軟件配置的相關設計，完善了智能農業大棚的智能化功能的進程，本文的設計內容為橫向的智慧農業智能化設計提供參考。

關鍵詞：智慧農業;大棚;物聯網技術

1監控系統架構

農業大棚中的監控系統采用的是物聯網技術當中的感知應用層、數據傳輸層以及傳感器感知層的基礎架構。感知系統主要是通過對大棚室內安裝的傳感器硬件采集的室內溫濕度狀況以及各類環境參數進行實時的數據獲取和追蹤，最終通過無線傳感器技術將生長環境內的信息進行綜合上傳和傳輸。其數據內容涵蓋溫室大棚內的土地含水量情況以及室外太陽輻射參數等基礎性參數。同時結合著紅外熱感攝像頭對農作物的生長情況進行實時的監控，實時的獲取農作物本身的參數信息，最終統一鏈接到傳輸層當中，上傳至云平臺。感知層主要是對傳輸層內獲取到的參數進行實時的分析，根據系統內預設定的參數進行實時的對比，進而聯動控制結構，實現完整的系統控制進程[1]，實現綜合灌溉、施肥以及空氣質量調節等操作。

傳輸層的基本作用是對數據內容進行實時的傳輸，通過感知層內獲取到的信息進行加工處理分析后并存儲，最終將控制指令送回到感知層當中[2]，實現遠程的實時監控，為溫室大棚內的農作物生長提供良好的適宜條件，為應用層的基礎架構提供準確的數據服務。

應用層能夠實時的對遠程使用終端進行實時的控制，通過傳輸層的數據條件來綜合控制農作物的生長[3]，同時還可以結合著現場條件使用各類遠程終端進行遠程監控，在局域網內即可完成終端控制，無時間和地域的限制。同時還可以結合著現場的使用條件數據進行數據的綜合分析，通過數據挖掘算法和統計學基礎知識對數據進行綜合處理，判斷農作物的生長狀態和情況，分析并預測未來產量以及對應的病蟲害發生的可能性，盡可能的為農作物的高產提供必要的保障。系統總體框架如圖1所示。

2系統硬件設計

硬件設計主要是基于溫室農業的基本實際需求進行開展的，使用的設備主要有三類，一是用來監測現場空氣環境和土壤環境的溫濕度傳感器，二是對于空氣調節以及燈光和排風扇等機械設備的控制裝置，三是對于系統終端遠程操控的手機端、電腦端等終端設備。這些硬件共同耦合，組成了系統架構的基礎。

2.1傳感器模塊

在物聯網體系當中，獲取實時的環境參數是控制裝置和控制設備的基礎，這個過程中各個基礎傳感器是核心[4]，農作物的生產需要有良好的空氣溫度和土壤溫度等基礎環境，本文設計的傳感器模塊能夠實時對環境參數進行監控，時間步長為1s。

2.2燈光控制模塊

為了促進農作更好地進行生產，除了有必備的溫濕度空氣環境之外，光照情況也是直接影響農作物生產效率的決定性因素，除了要有基本的自然光照射之外，本文的物聯網設計架構還補充了相應的人工補光裝置，電路體系中設計的燈光電路有白色LED燈光源和彩色LED燈光源兩種。通過物聯網體系的終端發出不同的波形，最后通過驅動電路來進行綜合驅動，進而滿足不同實際需求的亮度，實時的對大棚內的光照環境進行調控。

2.3終端自動化設備

為了促進溫室大棚內的溫濕度情況能夠盡可能的滿足農作物的實際生長需求，本文設計的硬件裝置在大棚內安裝了相應的加熱裝置，涵蓋風幕加熱設備以及滴管裝置和對應的通風裝置等，在局域網當中通過網絡控制實現機械設備的自動化作業，通過上位機來實時的對各類機械設備的電信號進行綜合控制，由控制終端接受命令并最終傳遞給繼電器，最終由繼電器信號進行綜合執行。

2.4終端控制電路

物聯網體系當中的核心是終端控制電路，大棚內各個傳感器型號實時的進行信息數據采集，在大棚內實現無線局域網的全覆蓋，模塊設備采用主流的無線WIFI模塊作為數據傳輸的基本工具，不僅具備無線通信的功能同時還可以作為無線局域網的通信終端，實現聯網的核心功能。在設計架構中，傳感器采集到的的實時信息能夠通過無線網絡實時的傳輸到控制終端當中，最終將數據信息經過上傳后傳送到OneNET平臺。

3溫室大棚系統軟件設計

物聯網體系架構背景下，智慧型的農業大棚與傳統的農業大棚形式相比，其優勢就在于能夠實時的監測大棚內農作物的生產進程，并營造適宜、健康的生產環境[5]，根據監測到的數據能夠實時的采取解決的措施，實現這個過程既需要參照著需求安裝好硬件設備，同時還有要將設備的通信模塊以及各類數據參數實時的鏈接到物聯網的設備云平臺當中，實現數據參數的穩定存儲和發送，采用OneNET平臺，既能夠高速的接入傳感器進而實時的收集數據，同時還能及時的將數據進行公開。

3.1通信主程序設計

物聯網平臺的大棚監控系統中的傳感器和設備使用終端需要建立在智能設備的通信功能基礎上，結合著應用層的數據標準進行綜合開發，并結合著WiFi無線網絡實現數據的穩定傳輸，用戶也可以結合著終端APP進行實時的參數控制，系統的輸入輸出端口、內外部時鐘等模塊的初始化將會在主程序正式啟動之后開始進行自檢，實現設備功能的自查。如果存在異常情況，程序會自動發出警報，并通過無線局域網將警報信息傳送至遠程終端。

3.2通信協議

物聯網端的信息客戶服務端建立信息通訊的方式與互聯網建立信息模式的方法相同，全部都綜合考慮了TCP協議的綜合要求，本文設計的物聯網段信息通訊信息將傳感器和智能終端設備進行連接，與傳統的互聯網客戶服務端通信過程較為類似，但是傳感器采集的環境數據采用HTTP協議再次將數據打包上傳至云平臺當中。

3.3系統監控界面設計

采用云平臺的形式進行交互，不僅具有強大的云計算能力，實現數據的實時存儲和轉發，同時還能夠有針對性的建立云端軟件監控界面的功能，在終端設備與云平臺端銜接完成后，采集的數據將會按照特定的網絡傳輸協議上傳到云端當中，進而生成特定信息數據流，信息數據會在顯示監控界面的設計面板上進行數據展示，進而開發者能夠參照著設計的喜好在設計區界面上進行相應的設計和編輯，同時設計區的UI設計更加趨向于人性化的操作，豐富的logo和簡潔的操作應用流程能夠更加適用于農民的日常行為習慣，功能區的分布主要為各種類型的圖表、圖片以及地圖等按鈕設計，在云平臺當中只要設置好相應的控制組件以及數據流進行關聯即可完成信息和數據的操作。同時信息憑條還涵蓋嵌入式功能，能夠實時的將UI設計內容嵌入到開發者的軟件當中，使得平臺的設計進程更加靈活和便捷，實現了無縫的遠程操控。

3.4云服務子系統

云服務系統主要是以互聯網技術進行數據上傳和統計分析的服務功能，實現批量化的云計算以及數據上傳和下載業務，近年來隨著大數據相關業務的發展，云計算的資源被不斷的擴充，逐漸成為數據計算和存儲的主要載體，同時云計算不占用本地資源庫，能夠最大限度的降低對于物理資源的占用，大數據內容涵蓋對大棚內建筑物理環境的監測與分析，同時還能夠對圖像采集資源進行數字分析，結合著攝像機的圖像資源對生長數據進行耦合，由溫室監測系統收集的植物數據進行批量上傳，并最終結合著攝像機的圖像識別系統以及處理技術在云平臺中綜合數據信息。

3.5植物圖像識別子系統

結合著攝像機的實時圖像采集系統能夠實現完整的圖像識別進程，植物圖像識別子系統是取代傳統手動識別的有效替代手段，根據植物生長的幾何參數以及顏色狀態參數能夠實時的準確識別植物的生長過程，結合著歷史數據和歷史資料進行綜合分析，進而最大限度的減少人工介入，穩定專業的計算機數據庫最大限度的避免人工失誤，便于數據的存儲和數據利用。同時大棚內的監控系統攝像機實時的記錄植物的生長進程，結合著紅外熱成像技術獲取植物成長過程中熱量的分布情況，通過數據挖掘算法來綜合判斷植物生長的特定條件和參數。

3.6植物生長模型子系統

植物生長模型子系統本身是結合著生物學的基礎理念和基礎知識，配套數據采集信息系統作為硬件完善，匹配以統計學知識和數學知識作為數據支撐和結論定性的抽象概念方法。既能夠相對簡單的結合著已有硬件設備，同時還能夠客觀的展現植物生長過程的數學描述模型，實現了準確的物理信息描述。這個過程主要依賴的就是傳感器監測裝置以及紅外攝像頭的識別技術，通過數據上傳到云服務器當中進行綜合分析，進而建立農作物的生長模型，依據著植物生長規律的數學模型及時對棚內的室內環境參數進行調控，保證其處于最優的生長狀態環境，及時的進行供氧、通風以及滴水灌溉，為農作物的生長提供最優的環境基礎。

3.7智能決策功能

結合著農業區內實際的前段信息數據，同時配套以完善的數據挖掘算法和云計算平臺進行數據的分析和歸檔，系統內結合著云計算等科學技術體系建立了不同的計算子系統，子系統內能夠結合著農作物的種植經驗以及種植技術制定相關的智能決策功能。實現農作物種植過程的分析和預測，有效的提醒管理者依據實際的農作物生長狀況和趨勢在適當的時間節點上進行采摘或者除害，通過這樣機器決策-人工干預的模式既保證了農作物的科學種植，同時也做好了數據和硬件設備科學應用的價值，管理人員也在第一時間獲取到數據情況后及時的采取決策措施，確保農作物的健康成長。

智慧農業大棚收集到的傳感器數據和植物不同時間節點的生長狀態數據結合著大數據平臺進行綜合分析，有利于建立植物的生長模型，實現科學化的種植。結合著物聯網技術的軟硬件裝置能夠準確的把控制植物的生長進程，提供農作物生產所需要營造的人工氣候環境，實現高強度的生產，提升了農業智慧化水平。隨著物聯網技術以及硬件技術的不斷發展，智慧農業所輻射的范圍和領域也將會得到不斷的擴充，逐漸會從單一的溫室大棚控制技術轉向農業生產控制進程，進而實現土地資源的高度一體化集成式管理，網絡信息化技術和大數據技術將會進一步推動農業生產面向智慧農業的形式轉變，因此物聯網技術將擁有著巨大的引用空間，場景應用前景非常廣闊。

4結語

基于物聯網的農業溫室大棚設計體系涵蓋了中心網關和功能控制的基本功能，同時還實現了采集數據的智能化處理，實時的對數據進行深度挖掘，物聯網技術作為智慧農業發展的關鍵技術，能夠精準的監測農業大數據，在農業溫室大棚的應用進程中促進了農產品的高質量發展，未來結合著5G技術繼續提升農業生產質量，實現智慧農業的快速發展。

參考文獻

[1]孫景蓮.精準控制智慧設施農業大棚增產增收技術推廣與服務項目情況匯報[J].農業開發與裝備，2019（10）：79+115.

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[3]康馨月.基于NB-IOT的農業環境監控系統設計研究[J].農村經濟與科技，2021，32（01）：54-55.

[4]周漢達，李曉良，陳生慶，李樂欣，熊一帆，余培森，陳宇輝.基于云平臺的智能農業大棚系統[J].物聯網技術，2020，10（04）：62-64.

[5]趙佰平.基于物聯網技術的智慧農業大棚設計與應用[J].農業與技術，2021，41（13）：69-71.

【作者簡介】姓名： 張軍;出生年月： ?1975年12月;性別： 男;民族： 漢;籍貫：河北省;職務/職稱：講師;學歷：碩士;研究方向： 智能控制與物聯網應用;單位信息（單位全名）：呼倫貝爾學院計算機學院;所在省市 ： 內蒙古自治區呼倫貝爾市海拉爾區;郵編 ： 021008