一種基于物聯網智能栽種系統設計

陳楚君 翁濤 詹霖凡 楊烘銘 邱振濤 王克強

摘 要：本文設計的智能栽種系統包括環境數據采集、種植環境調整、數據可視化和實時監控等功能，依托物聯網可以實現從溫室環境數據采集到種植環境調整等的遠程監控，本文從方案入手闡述這套溫室智能栽種系統的各個功能設計。

關鍵詞：溫室; 物聯網;方案設計

1. 研究背景

全新的智慧溫室大棚種植模式可以幫助人們實時掌握蔬菜的生長情況，檢測蔬菜的種植環境，另外還可以通過專業的輔助系統，幫助蔬菜實現澆水、施肥、噴灑農藥等相關工序[1]。但是，市面上的智能栽種系統，由于造價高昂、使用困難、維護成本高等問題，對于個體農戶或小體量農商來說仍有相當大的普及困難。因此，針對基于物聯網的智能栽種系統的研究對推動農業智能化普及有非常重要的意義。

2. 研究目標

本文研究的小型智能栽種系統，主要實現環境數據采集、物聯網平臺交互、數據可視化、實時視頻等功能技術的方案設計。

3. 技術方案設計

3.1 主控方案設計

主控采用樹莓派4B，搭配Raspbian系統，具有豐富的網絡及硬件接口，同時支持HEVC視屏的4K60P硬件解碼，基本滿足物聯網和視頻推流的同時進行。

3.2 傳感器方案設計

傳感器的選擇優先從精度和硬件接口出發：光照強度傳感器采用BH1750FVI，芯片具有識別范圍寬、分辨率高的特性，光照強度識別最大值可以達到65535/LUX、分辨率為1/LUX。溫濕度傳感器采用GXHT30典型精度可達濕度±3%RH、溫度±0.3℃、分辨率為0.01，溫漂小于0.03℃/年、0.25%RH/年，符合設計所需的穩定、精度高的要求。土壤濕度傳感器采用FC-28傳感器模塊，具有成本低，閾值可調，輸出信號可選等特性。

3.3 物聯網平臺方案

在BAT三大物聯網平臺中，阿里云物聯網平臺具有傳輸方便、開發簡單，可進行時序透析、可視化分析、SQL開發等特性。在阿里云物聯網平臺中使用MQTT協議接入時，數據需要通過Alink協議進行封裝，Alink協議是阿里云平臺針對物聯網開發領域設計的JSON報文數據交換規范，用于設備端和物聯網平臺的雙向通信，在阿里云平臺上，數據的傳輸需要通過標準的Alink JSON格式的數據進行[2]。阿里云平臺的IOT交互頁面設計，采用在平臺網頁上進行圖形化開發的方式，平臺本身提供了許多相關可視化的組件，比如儀表盤，滑條，曲線圖等常用組件[3]。可以使用對應組件，配置室內環境預支，控制補光燈、水泵等實現種植環境的自動調整。

3.4 實時視頻方案

主流實時視頻實現采用推流技術，本設計中采用Nginx搭建RTMP服務搭配GStreamer配置流媒體管道實現的。

Nginx是可以配置反向代理服務，且可以使用對應RTMP工具配置RTMP服務連接遠程服務器。而GStreamer實質是一個數據流處理框架，他提供了包括API和處理機制等，采用GStreamer的主要原因在于其對于流媒體數據采用硬解碼方式，可以降低對CPU資源的消耗。其次，其包含lunch等豐富工具也便于降低開發難度，減少開發成本。

使用GStreamer配置流媒體管道，以攝像頭輸入作為rmtp src即管道輸入接口，遠程服務器/直播平臺作為rtmp sink即管道輸出接口，即實現實時視頻推流。

4 結論

植物需要的種植環境應當處于一個恒定的最優數值下，本設計雖然可以實現基于閾值的種植環境調整，但對與恒定環境的研究還是需要加深。后期可以根據對應植物的環境研究，加入經典PID控制子系統，實現溫室內恒定環境的自動控制。

參考文獻

[1]王宣智.基于物聯網技術的智慧溫室大棚蔬菜種植技術應用探析[J].農業工程技術，2021，41（36）：55-56.

[2]王輕， 吳連威， 何龍祥，等. 基于阿里云物聯網平臺的醫療數據管理系統設計與實現[J]. 軟件， 2021， 42（12）：5.

[3]程德昊、何元清、蔡春昊. 基于阿里云物聯網平臺的數據可視化[J]. 電腦知識與技術：學術版， 2020， 16（22）：3.