智慧農業物聯網控制系統設計與研究

諶 頏，戴華珍，龔文靜，陳偉忠

（廣州科技貿易職業學院 廣東 廣州 511442）

0 引言

現階段人們對生活追求的不斷提升，對于食物品質的要求不斷增加，近些年來智慧農業的發展帶動了農業結構改革。當前我國農業發展的根本問題在于各種生產要素協調性差，產業鏈銜接不當，導致農業缺乏循環性，必然導致農業生產較為粗放，影響智慧農業的建設水平。農業科技的發展，特別是物聯網技術在農業領域中的應用，推進了現代化農業發展的步伐，為新時期農業發展帶來了嶄新的方向。隨著遠程監控系統、無線傳感器監測等技術日漸趨向成熟，并且逐步的應用到農業生產中，以精細化監控及管理的方式對農業生產活動進行管理，不僅有效地提升了農業管理效率，還在一定程度上增加了農業的附加值，推進了農業良性循環[1]。因此，基于物聯網技術來進行智慧農業物聯網控制系統的設計，不僅實現對農作物生產過程、產品流通的信息化、智能化管控，還能夠全面提升現代化農業的管理效率，推進智慧農業可持續發展。

1 智慧農業物聯網概念

1.1 智慧農業概念

智慧農業屬于近些年來興起的一個概念，當前國內外對其尚沒有形成統一的定義，通常情況下，智慧農業是指高效利用各種農業資源來降低生產成本及能耗、減少對生態環境破壞，實現農業生產效益最優的一種農業生產模式。智慧農業是以農業全產業、全過程智能化為主要特點，以全面感知、可靠傳輸、智能處理等物聯網技術作為技術支撐，以自動化生產、最優控制、智能化管理、系統化物流、電子交易等為主要的生產方式，以此來實現高產、高效、低耗、優質、生態、安全的一種現代化農業發展模式。可以說，智慧農業在充分發揮信息技術優勢的基礎上來優化改進農業生產系統，從而實現農業資源的高效利用，獲得更高的農業效益。

1.2 物聯網概念

2005 年，國際電信聯盟對物聯網做了如下定義：以二維碼識讀、射頻識別裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備按照所約定的協議來將物品與物聯網進行銜接，通過信息交換與通信的方式來實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤及監管的一種網絡。從物聯網體系結構分析來看，其由3 個部分構成，即感知層、網絡層、應用層，其中感知層是對用來識別物體、采集信息的，網絡層則是用來傳遞信息的，應用層類似于人的社會分工[2]。隨著物聯網技術的發展，已經在多個領域中得到應用，如智慧農業、智慧公交等領域。

2 智慧農業物聯網技術分析

2.1 射頻識別技術

射頻識別（RFID）即無線電頻率識別的簡稱，其屬于一種非接觸式的自動識別技術，利用射頻信號來自動識別目標對象，從而獲取相關的數據，并與其他軟硬件信息系統協同來實施更高層的目標對象管理。目前，射頻識別技術與互聯網技術、通信技術等技術結合之后，可以實現對全球范圍內的物品信息的跟蹤與共享。現階段，該種技術在食品行業中得到了普遍的應用，主要用于食品的追蹤與溯源。在智慧農業發展中，運用此種技術，不僅可以對農產品供應鏈數據交流進行監控，保證產品源頭的清晰，還可以實現對農產品質量的監控及溯源。尤其是此種技術與傳感器技術的融合，能夠對農產品生產、加工及儲運的環境狀態信息進行實時的監控，并利用無線通信技術將這些信息傳遞出來，便可以實現對農產品質量的監控。

2.2 磁卡識別技術

磁卡識別是人們在日常生活中常用到的一種識別技術。磁卡是通過磁條對信息進行記錄，該種技術在應用時利用了物理學、磁力學知識。從磁卡識別技術分析來看，其具有諸多優勢，如數據可以讀寫、應用便捷、成本低廉等，這也是該種技術應用廣泛的重要原因。但是，此項技術在實際應用期間也存在著一定的缺陷，由于數據存儲的時間長短會受到磁性粒子的耐受性的影響，這就會在一定程度上影響磁卡的使用期限和信息容量，需要依賴外界的數據。另外，磁卡存儲數據的安全性比較低，一旦磁卡被磁性物質影響，那么就可能會導致數據丟失。在智慧農業中應用此種技術，需要其他相關的技術來提供輔助，這樣才能夠在一定程度上保證磁卡存儲數據的安全性。

2.3 傳感器技術

在智慧農業發展期間，傳感技術作為整個系統的核心所在，在農業生產方面有著廣泛的應用。如空氣濕度、溫度等環境指標參數的測定，種植業中的光、溫、水、肥等參數的測定，水產養殖業中的濁度、氨氮、溶解氧等參數的測定。通過傳感器技術的應用可以為農業生產環境的調控提供科學的依據，提升農業生產管理的效率。

2.4 條碼技術

從條形碼的應用來看，其是以一組粗細不同并按照一定規則來排列距離的平行線條圖形，該種技術的工作原理是：由光源發出的光線經過光學系統照射到條碼符號上面，而反射回來的光則會經過光學系統，并在光電轉換器上成像，以此來產生電信號，經過電路放大后形成模擬電壓，這樣會與照射到條碼符號上被反射回來的光成正比，經過濾波之后便可以形成與模擬信號相對應的方波信號，經過譯碼器解釋后，計算機就可以直接接收其數字信號[3]。

2.5 遙感技術

目前，在智慧農業建設中，遙感技術屬于常用的一種技術，其利用傳感器這個載體，實現對地球表層各個類型物質電磁波的波譜信息進行收集，隨后對這些信息進行分析及處理。現階段，在智慧農業物聯網系統設計的過程中，應用遙感技術，可以發揮其價值來收集農業相應信息，實現對農作物生長區域的監控，借助光譜信息實現空間的定性與定位分析，獲取大量的田間時空變化信息。

2.6 信息感知技術

目前，智慧農業物聯網系統設計的過程中，必然離不開信息感知技術的支撐。現階段，智慧農業物聯網系統所運用的信息感知技術多為無線傳感網絡。該種技術在應用期間，選用無線通信，主要是通過布置在農作物種植區域的大量傳感器來構成信息傳輸網絡，以此為基礎來負責感知、采集、處理網絡覆蓋區域被感知對象的信息。Wi-Fi則具有可靠性、速度快等優勢特征，若是處于開放性的環境之內，其通信距離可以達到300 m 以上，若是處于相對封閉的環境之內，那么通信的距離可以達到100 m，這就為農業管理的信息獲取采集提供了技術支撐。

3 智慧農業物聯網控制系統的設計

3.1 智慧農業物聯網控制系統體系架構

基于物聯網的智慧農業控制系統，主要涉及3 個層次，即感知層、網絡層、應用層，見圖1。（1）智慧農業感知層。在控制系統中，感知層可以對被監測區域內部各種農業生產信息的采集，然后以智能控制的方式來接收信息和執行命令。在整個數據采集的過程中，需要各種各樣的傳感設備作為支撐，這樣所獲取的農業信息也是各種各樣的，通過數據的實時采集，可以實現對農業種植環境的土壤濕度、空氣濕度及溫度、光照、自動灌溉等指標實施感知，從而實現自動化的調控。（2）智慧農業網絡層。網絡層即傳輸層，該環節作為智慧農業的神經中樞，在整個系統之中發揮著重要的作用。網絡層在整個系統中發揮的作用是對各種數據信息進行整理與匯總，從而將這些信息發布到智慧信息平臺，這樣就可以再為農業的生產工作提供依據。現階段網絡層運用到的物聯網技術主要有通信技術、計算機網絡技術、數據處理技術等。（3）智慧農業應用層。在整個控制系統中，應用層會對所傳輸的信息進行分析與處理，通過發掘其中的信息數據，以此來為農業生產的決策提供科學的依據，推進農業生產的智慧化、智能化發展。

3.2 智慧農業物聯網控制系統硬件設計

從智慧農業物聯網控制系統體系設計的角度分析來看，對于硬件設計上，采用的MCU 為AT89C51。由于AT89C51 屬于一種8 位的MCU，具有功耗低的優勢，且可編程Flash 存儲器達到8 kB 大小，在智慧農業發展方面有著廣闊的應用前景。目前，智慧農業物聯網控制系統中的數據采集涉及多個傳感設備，如溫度傳感器、光傳感器、溫濕度傳感器、土壤成分分辨傳感器，還涉及各種類型的控制器件，如通風光照、溫濕度、數據處理控制器等。在智慧農業物聯網控制體統中，需要采用土壤溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、空氣溫濕度傳感器等傳感設備來獲取相應的參數，對農業種植環境中影響農作物生長的各種因素進行準確監測，以此來保證農作物的高效高產，這也是現代化農業種植效益優化的關鍵舉措。從數據傳輸模塊分析來看，此模塊能夠將無線收集器所收集到的各種環境平臺，同時服務器所發送的命令也會被傳輸到控制器之中，這樣就可以在無線網絡的支撐下，實現對溫室各個控制節點來發出控制指令，實現對溫室電氣設備的遠程操控，以此來為農作物的生長創造最佳生長條件[4]。

3.3 智慧農業物聯網控制系統軟件設計

在智慧農業物聯網控制系統軟件設計的過程中，整個系統軟件設計上會進行功能分類，主要涉及應用層、管理層、基礎層、數據層，然后因為模塊化復雜的系統功能邏輯性，所以現階段各個功能點與模塊中的數據存在著交互調用的關系。目前，智慧農業物聯網控制系統設計上，采用的系統是基于B/S 模式的系統平臺，而在物聯網技術發展的基礎上，C/S 結構已經難以滿足全球網絡互聯、系統升級、數據共享的新挑戰，所以當前必須對其進行優化改進。現階段所運用的B/S(瀏覽器/服務器)模式，其是在C/S 結構的基礎上改進而來的，目前該模式在運用的時候，借助訪問功能來對智能農業檢測系統網頁進行訪問，以此來對用戶遠程登錄、查詢等方面的監測，還可以借助采集環境參數與主機的指令實現套接字通信，滿足農業信息遠程訪問的需求，還可以在一定程度上降低系統開發及維護的難度，有效地節約了生產成本。因為在整個系統之中，通信模塊則是關鍵的部分，其直接關系到整個系統運行的可靠性，所以客戶端能夠將所收集到的各種環境因素數據分組，隨后發送到相應的服務器之中，此時服務器能夠依據協議來分析數據，并將已經分析完的數據存儲到相應的數據庫中。

4 智慧農業物聯網控制系統的功能和價值

4.1 智慧農業物聯網控制系統的功能

目前，智慧農業物聯網控制系統的功能主要有自動監測、人工監測、視頻監控、自動控制、預警提示、用戶管理、資料查詢等。（1）自動監測功能。智慧農業物聯網控制系統能夠依據農業種植區域、種類等因素，依托傳感器來對農作物種植環境中的溫度、濕度、二氧化碳濃度等參數進行自動化的檢測，并且自動生成變化曲線圖。（2）人工監測功能。在農業種植區域，可以利用傳感器來實時采集數據。（3）視頻監控功能。此項功能可以實現多通道同屏展示，可以對遙控攝像機的角度、變焦、變倍、光圈等參數進行設置。（4）自動控制功能。此控制系統的自動控制功能，能夠自動遙控通風機、閥門、天窗等設施設備的工作情況。（5）預警提示功能。此控制系統中在傳感器設置方面，設置了每個傳感器參數報警間隔閾值，這樣控制系統就可以對農業種植區域的溫度、濕度等環境參數進行系統性監控，若是偏離正常范圍就會自動報警。（6）用戶管理功能。在用戶管理功能方面，對于控制系統能夠查看所有系統登錄賬號與登錄記錄，并添加不同權限的用戶。（7）資料查詢功能。控制系統具備資料查詢功能，可以對歷史資料進行查詢、對比分析、備份，也可以對報警資料進行查詢，對設備狀況進行查詢[5]。

4.2 智慧農業物聯網控制系統的價值

4.2.1 有助于實現對農業生產環境的智能化管理

目前，在智慧農業種植系統中，通過安裝智慧農業物聯網控制系統，既可以實現對農作物生長環境的各種參數進行實時的監控和監測，還可以為農戶提供全面的農作物生長環境參數，這樣農戶可以以此作為依據，對農作物的生長環境進行相應的調節，保證農作物處于最佳生長環境之中。站在農業生產環境管理的角度來看，利用無線傳感暖氣節點便能夠獲取植物信息，以此來為溫室的精準調控提供科學的依據，從而實現對農業生產環境的智能化管理。

4.2.2 有助于實現對農產品質量安全的有效監管

在農業生產中，運用物聯網技術構建智慧農業物聯網控制系統，既可以利用電子標識、條形碼、網絡平臺技術等對農產品的生產、儲運、交易等信息來進行實時的監控，以此來保證農業生產信息的透明化，這就可以在最大限度上保證對農產品質量的有效監管。

5 結語

本文基于物聯網技術對智慧農業物聯網控制系統進行設計，在整個設計過程中選用了各種類型的農業傳感器來對農業種植環境的各種參數進行采集，并以無線網絡傳輸的方式將這些數據傳輸到室內監控系統，生成環境監控數據。在今后農業的發展中，需要重視物聯網技術的應用，構建符合本地區農業發展的智慧農業物聯網控制系統，實現對農作物生產過程、產品流通的信息化、智能化管控，全面提升現代化農業的管理效率。