一種基于物聯網技術的智能農場大棚系統的開發

2022-01-19 11:48:30陳瑞志

物聯網技術 2022年1期

陳瑞志

（湛江科技學院，廣東湛江 524094）

0 引言

很多農村建起了溫室塑料大棚，給果蔬的生長創造更適宜可控的環境條件；但是沒有從根本上改變農民的耕種方式，仍然主要依靠人力檢測作物的生長環境和狀況，并實施耕種，這會消耗大量的人力、物力，增加成本；同時，還會因為勞動強度大、檢測精度低等缺陷帶來差錯。在現有的智能大棚系統中，采用各種各樣高精度傳感器和ZigBee技術在大棚環境中組網，利用各種傳感器采集大棚環境數據，并科學合理地調節大棚內包括溫濕度、二氧化碳、氧氣、雨露、光照、氣壓、土壤PH值、重要鹽離子等環境參數指標，及時反饋給農戶，為確保大棚內農作物更加優質、高效地產出提供良好條件。因此，智能農場大棚系統的搭建和持續穩定的運行，勢必會在農產品生產、資源合理利用、推動和改善大棚農戶的生產經營狀況中發揮重要作用。

目前，智能溫室大棚得到了很大程度的研究與應用。已有的大棚系統設計研究中通過不同的物聯網技術實現對智能溫室大棚的監測和控制，主要以單片機或開發板為獲取數據終端。其中文獻[1]介紹了一種以DSP芯片為核心的系統，通過采集大棚中的溫度、濕度、光照度等數據，進行控制調整，以滿足大棚內農作物生長的實際需要。文獻[8]中介紹了一種以MSP430單片機為核心的智能大棚系統，并闡述了系統的硬件、軟件設計過程。也有一些研究在利用傳感器和ZigBee組網的基礎上，開發手機APP監測系統，方便用戶隨時隨地監測。另外，文獻[9]介紹了一種基于Android手機的智能農業物聯網監測系統。文獻[10]介紹了一種基于移動互聯網和Web服務的智能農業系統，文中描述了對該系統中的Android客戶端和Web Service 服務端的設計與開發。總之，關于智慧大棚系統的設計與研究，主要通過單片機獲取數據進行監控管理；或基于無線網絡技術和Android手機及Web服務端的設計與開發來實現。但是，缺乏一個從農產品生產到銷售的整個產業鏈上包括科學智能監控種植、產品上市銷售及運輸服務、農作物種植交流等功能的一體化系統。本設計提出一種基于物聯網技術的智能農場大棚系統，試圖解決傳統大棚系統實時性不強、檢測集成度不高、不能隨時隨地遠程監控等問題，實現從科學智能監控種植、產品上市銷售及運輸服務到農事交流一體化。

1 系統分析

（1）滿足農戶需求，基于物聯網技術、ZigBee無線網絡技術等改造傳統大棚的生產方式，使大棚生產管理更加科學有效率、安全可靠；同時，節省大量的人力、物力。

（2）傳感器的傳感數據通過ZigBee無線網絡，實現數據上傳到云服務器中心，實現生產化的智能管理和控制。云服務器中心雙向管理智能APP端和遙控傳感器端的數據，做到數據的安全獲取、傳輸、存儲與備份。

（3）云服務數據處理和智能云端APP控制，能遠距離控制生產，便捷農戶隨時隨地進行生產監控，及時避免蟲害、環境污染等因素對蔬菜作物生長的不利影響。

（4）智能APP運用Python爬蟲集中收集和推廣農業生產資料，給用戶推薦高質量、高品質的生產技術及資料。

2 系統設計

2.1 總體方案

系統貫穿整個物聯網感知層、網絡層和應用層。其中：感知層負責數據收集監測和終端的控制，網絡層負責數據的傳輸與接收，應用層負責Web服務器和手機端APP開發及應用。本文的智能大棚系統不僅要提高整個系統的自動化程度，同時也要提高整個大棚生產和銷售的區域鏈融合能力。

感知層以CC2530為核心，通過ZigBee、WiFi等模塊對傳感器模塊采集的數據進行處理。各個傳感器采集不同的環境數據，例如：大棚內的溫度、濕度，空氣中一氧化碳、二氧化碳、氧氣等的含量，土壤的含水量、酸堿度等。通過本地或遠程控制棚內的燈、風機、遮陽板、澆灌設備等的開關，從而及時調整棚內的果蔬生長環境。

網絡層通過信息接收盒和WiFi等無線通信技術接入Internet，并與云服務器通信，把環境數據上傳至服務器。

第一，語言文字工作與政策制定對于社會發展的重要價值與緊迫性。這是認識問題，認識清楚了，發展才能少走彎路。認識的高度決定重視的力度。

應用層則分為兩部分：一是在手機控制端開發基于Android 的APP程序；二是部署在云服務器上的Web程序，包括通過爬取互聯網果蔬生產過程中的種子、肥料、市場價格等相關大數據以及個性化地向用戶智能推薦相關信息等功能。根據棚內果蔬生長實況，分析和估計各個棚區果蔬產量，并提供地域銷售及運輸的建議和策略等。

2.2 硬件設計

硬件主要涉及開發板、繼電器、溫濕度傳感器、光強度傳感器、二氧化碳傳感器、雨露檢測傳感器、土壤濕度檢測傳感器、ZigBee模塊、路由器、加濕機、電動機、風機、顯示儀等。以下介紹幾個主要部件：

（1）CC2530開發板：利用CC2530芯片的較強數據處理能力和高效運行速度且功耗低的特點，將其作為物聯網信息處理的核心。

（2）繼電器：利用繼電器實現隔離電子線路和電氣電路，以保護電子電路和人身安全；同時，利用低壓的電子電路控制信號控制高壓電氣電路的執行元件，如電動機、電磁鐵、電燈、風扇等。

（3）ZigBee模塊：智能大棚系統最關鍵的是大棚環境數據的采集是否準確以及數據能否被及時處理，這主要取決于傳感器網絡、傳感器的性能和芯片處理數據的性能。

（4）傳感器：智能大棚系統需要用到溫濕度傳感器、煙霧傳感器、光強度傳感器等。不同種類的傳感器連接到CC2530的不同I/O接口上。傳感器節點負責采集數據和電壓值，并將采集到的數值傳遞給采集節點或開發板，采集節點把收集的信息通過串口發送給PC端：數據接收端的模塊將與電腦端遠程通信連接，并將信號進行轉換，最后將數據傳輸至電腦端的監控端。

2.3 軟件設計與實現

本系統分為Web服務器和手機APP。手機APP主要是為了讓大棚的生產管理者能夠遠程監控大棚的生產環境。Web服務器主要提供農產品的市場時訊、農場生產要素動態信息、大棚的生產和預測數據，為大棚生產者的決策提供參考。

手機APP：采用了Android SDK+Java+MySQL等進行開發，頁面設計使得整個大棚的溫度、濕度等農作物生長環境的數據可以實時被監測并以圖形化顯示。在Android APP上能自動或者手動地遠程控制大棚內的加濕機、電動機、通風機等，調整溫濕度、光照強度等指標。

Web服務器：后臺采用PHP+MySQL、前端采用HTML+JavaScript+jQuery等對界面進行設計；相關數據既可以手動輸入，也可以通過Python爬蟲對外網數據進行采集和篩選；交互方式主要采用Ajax；數據傳輸格式為JSON格式。服務器端主模塊界面采用九宮圖設計，如圖1所示。

圖1 主模塊界面

2.3.1 首頁設計

本系統的首頁采用九宮圖的設計，主要放置農場員工、生產原料、實時庫存、預計產出、環境數據、市場價格、用藥信息、終端控制、農事交流等功能模塊。在底部，設置了“首頁”“參數”“新聞”“我的”等快捷功能鍵，如圖1所示，其中“首頁”鍵便于返回本頁。

2.3.2 環境數據模塊

環境數據模塊需要通過相應傳感器采集環境數據指標，并傳輸至物聯網服務器。當環境數據異常時，不僅可以自動處理，也能通過PC或APP手機控制端遠程監控大棚。如：氣體異常時，通過開發板內置程序判斷條件、自動打開送風機等設備；光照過低時，打開光照燈等操作。環境數據模塊還應記錄各項環境指標的歷史數據，便于管理員查看。棚區溫濕度和環境歷史數據的手機訪問頁面分別如圖2、圖3所示。

圖2 棚區溫濕度界面

圖3 環境歷史數據訪問界面

2.3.3 農場基本信息管理

農場基本信息包括員工、實時庫存、用藥信息、預計產出等。農場員工模塊：對員工信息進行增、刪、改、查等操作；生產原料模塊：為相關行業用戶提供交易信息和平臺；實時庫存模塊：生產者可以對果蔬庫存信息進行實時監控和搜索，如圖4所示；用藥信息模塊：幫助用戶記錄整個溫室大棚的用藥信息，并具有提醒功能，如圖5所示；預計產出模塊：用戶通過輸入常見的種植信息，然后服務器通過相應的計算對產量和產出時間進行估計，為農戶提供科學的預計方法，以便農戶為銷售做好準備，如圖6所示。