智慧農業溫室管控系統研究*

朱婧瑋

（蘭州現代職業學院，甘肅 蘭州 730300）

2021 年全國兩會提出制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要，明確提出堅持農業農村優先發展，全面推進鄉村振興戰略，走中國特色社會主義鄉村振興道路，立足農業資源多樣性和氣候適宜優勢，培育特色優勢產業，探索開展種植新模式，把產業培育、企業發展同群眾就業、鄉村振興、民族團結更好地統籌起來，相互促進、相得益彰[1]。甘肅省在中央企業助力甘肅鄉村振興和高質量發展座談會中指出，甘肅歷史文化悠久厚重，地形地貌豐富多樣，戰略通道價值突出，資源優勢相對明顯，紅色基因薪火相傳，正在成為各方投資的熱土和筑夢興業的沃土[2]。基于此，筆者設計研發了一種適合甘肅經濟發展、氣候特點和地域特色的智慧農業溫室管控系統，并在當地推廣應用，得到了當地政府和農戶的肯定。

1 智慧農業溫室管控系統

溫室大棚種植方式是當今我國農業模擬生物生長的一種有效措施，能夠很好地克服不同地理環境對農作物生長的限制，減輕自然條件對農作物種植的影響。經市場調研，甘肅河西地區由于地域環境因素，近年來開始使用溫室種植。目前，溫室管理大多采用人工管理，普遍存在耗時費力、風險不可預估、設施易損壞等情況，因此迫切需要提高溫室種植的智能化精準管理水平，實現科學種植。

1.1 系統功能

該系統以農業溫室大棚為研究對象，將物聯網、互聯網技術應用其中，依托各種傳感器和無線通信技術，實現數據采集、存儲、傳遞和分布式精準控制與可視化管理。系統可采集棚內環境及棚外天氣數據，將溫室的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度及土壤溫濕度等氣候要素測試數據和攝像頭監控畫面實時傳遞到農戶手機端和Web 端。農戶可隨時查看大棚實時環境數據和歷史環境數據，對大棚現場通風、卷簾、噴淋等設備進行一鍵遠程控制。系統的極端天氣預警功能，可使農戶提前預知天氣變化，及時調整大棚設備，減少惡劣天氣造成的農業經濟損失。系統配置了農業作物種植技術資源庫及專家庫，農戶可在手機上查詢作物種植、病蟲害防治等學習資料，專家在線指導農戶科學種植。系統集成了棚區員工考勤功能，為棚區工作人員管理提供便利。

1.2 市場分析及目標客戶

經調查，伴隨著西部地區大開發的浪潮，結合農業農村部下達的農業結構調整的政策，溫室大棚已成為西部地區尤其是河西地區鄉村振興開發的首選項目。河西地區是甘肅省重要農業區之一，提供的商品糧占全省的70%。但是，河西地區農業生態環境存在干熱風危害、干旱危害、風沙危害、低溫、霜凍、冰雹等問題。因此，亟需能夠對溫室內的環境要素控制和預警提醒的溫室智能監控設備。根據2021 年甘肅省河西地區部分市州人民政府工作報告，2020 年武威市農業增加值達到164.59 億元，穩居全省第1 位，農村居民人均可支配收入達到13 471 元、凈增4 370 元，年均增長8.2%，全市農業增加值占全省的比重超過13%；金昌市城鎮和農村居民人均可支配收入分別達到43 189 元、16 976元；張掖市城鎮和農村居民人均可支配收入分別達到28 976 元和16 020 元。這意味著甘肅省河西地區農民收入逐年提高，購買能力不斷增強，完全有能力購買溫室智能監控設備。近年來，許多大型企業也開始在農業智能領域發展，在同等市場相較而言，雖然性能全，但是價格高，適合大規模大田種植，而對于甘肅河西地區的普通農戶和在當地小規模的合作社并不適合[3]。本系統針對甘肅河西地區的特殊農業生產環境，以當地農戶和農村合作社為主要目標客戶進行推廣，當地農戶對這種新型的生產模式和智能化設備正在試用和接受。

2 智慧農業溫室管控系統總體設計

2.1 硬件設計

智慧農業溫室管控系統選用STM32F103ZET6 芯片作為系統主控芯片，交流220 V 供電。硬件電路主要包括傳感器電路、主控電路、顯示電路、通信電路、現場執行機構等。空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器采集溫室大棚內環境數據后送入主控芯片，進行數據處理和計算，溫室現場的液晶顯示屏可顯示上述參數，溫室內的大棚卷簾、通風裝置、噴淋、補光燈等需要根據現場適時開啟工作。所有現場采集的數據、攝像頭信號、考勤機數據都可上傳至用戶手機端和Web 端。下位機與上位機通過GPRS 通信方式，使用MQTT 協議與服務器通信[4-8]。系統硬件結構圖如圖1所示。

圖1 系統硬件結構圖

2.2 軟件設計

系統軟件部分按照功能模塊進行設計，C 語言編程，Keil5.0 開發環境，主要負責對現場采集的數據進行運算、處理，并將所有數據通過有線網絡和GPRS通信方式，使用MQTT協議與服務器通信。

2.3 上位機開發

1）開發環境。智慧農業溫室管控系統在“Springboot+vue”環境下開發設計，使用SQL Server 2012 數據庫。主要完成對溫室內設備的遠程控制、數據顯示、數據存儲、預警提示、歷史數據調用查看、現場監控視頻查看、考勤管理等，上位機可支持手機端和Web 端操作。

2）技術架構。溫室精準控制系統運用物聯網技術，通過互聯網實現溫室設備遠程控制，采集、存儲溫室環境參數數據，向農戶實時傳送溫室環境數據。數據顯示、遠程控制、實時畫面、天氣預警、考勤管理等功能為農戶提供便捷的溫室管控操作，為作物科學種植提供有效方案。

3）手機端。手機App 支持安卓手機操作系統，用戶通過掃描二維碼進行App 下載，運行軟件進入主界面，如圖2 所示。在設備列表點擊進入設備的詳情，設備詳情界面包含了大棚環境信息實時數據，此時可以對設備的卷簾、通風進行遠程控制。同時通過配置按鈕可以對設備的溫室名稱、設備自動控制、預警界限等進行配置，還可以查詢歷史的設備操作記錄，查看設備真實的運行情況。溫室安裝并接入海康網絡攝像頭，可以看到溫室內外的監控畫面，為用戶遠程操作卷簾和通風提供更加可靠的保障，同時可以利用室內的攝像頭看到溫室作物的生長情況，做到足不出戶智能化管理。

圖2 手機端主界面

4）Web 端。系統開發了Web 端溫室管理平臺，登錄界面如圖3 所示。該平臺可以對多個大棚同時進行管理，也可以查詢溫室內的實時數據、歷史數據和操作記錄等功能。平臺中也可以以曲線的方式查看數據。大數據展示模塊定時每隔10 min 刷新一次數據，可以直觀地在一個頁面中看到溫室環境數據、棚內外的實時監控情況等。

圖3 Web端界面

3 智慧農業溫室管控系統功能特點

1）系統以STM32 嵌入式芯片為核心設計終端節點和硬件電路，通過軟件程序實現對溫室環境的分布式精準控制，引入互聯網、無線通信技術傳輸數據，通過上位機對溫室環境進行智能遠程監控，克服現有農業溫室系統短距離控制的缺陷。

2）數據庫管理服務以SQL Server 2012 為載體，存儲溫室環境和圖像數據。在數據庫中創建多個表，保證數據庫運行流暢，對查詢效率進行優化處理，在采集數據表Data 中建立索引，并定期將數據以二進制封存，減少數據庫壓力，提高查詢速度。

3）監控系統的界面設計體現交互性、友好性和靈活性，便于管理人員操作。系統主界面可查詢溫室終端節點采集的所有數據和圖像。環境調控設備按鈕，可手動開啟或關閉當前溫室的外部設備。用戶管理功能需要用戶注冊才能使用，管理人員可為用戶設置一定的權限，從而防止數據被盜竊、篡改等安全問題。節點管理功能能夠單獨查看某一個節點的實時數據和歷史數據。

4）系統具有溫室環境數據超限預警功能和氣象預警功能。當溫室環境參數超過預設值時，系統將在手機App 和Web 端以彈窗的方式發出預警提示，同時對卷簾機、通風設備、加熱設備等進行自動控制，幫助農戶及時發現溫室環境變化，科學精準管理溫室環境。當天氣突發異常時，系統通過嵌入的氣象預報功能，及時向農戶發出氣象預警提示，幫助農戶及時發現異常，對溫室進行保護性操作管理。

5）系統嵌入了針對不同農作物生長特點的大棚環境精準管理方案和農業專家咨詢，幫助農戶對不同作物的種植選用最科學、合理的生長環境管控，有效防止病蟲害發生，提高作物產量和品質。

4 智慧農業溫室管控系統優勢

4.1 農業與物聯網結合，構建農業物聯網

把田間地頭的農業生產與物聯網技術結合，構建物聯網+智慧設施現代農業科技新格局。通過數字傳感器、無線網絡、自動控制實現對卷簾機、通風、補光、噴淋灌溉等設備的自動化遠程控制。設施農業信息化綜合管理平臺由設施農業信息管理和決策系統、設施農業信息大數據中心、設施農業管理中心等組成，對農業提質增效起到重要的支撐作用[8]。

4.2 智慧設施農業溫室，提升農業經濟效益

在武威羊下壩鎮農村合作社使用智慧溫室管控設備，用戶通過Web 端及手機App 控制卷放簾，每天平均節約卷放簾時間1.8 h，增加光照時間2 h，提高育苗產量9%。自動調控溫室溫濕度，提高出苗率8%。病蟲害發生明顯減少，節約用藥量65%，一個100 m2標準溫室節省人力2.5 個，年平均節約費用0.6萬元，經濟效益顯著。自動化噴淋灌溉技術根據不同作物特點，科學供給水、肥，提高肥料利用率，減少肥料用量50%，減少用水量40%，節水省肥，降低棚內的濕度，減少病害發生，增加作物產量、改善作物品質。農戶可遠距離實時查看溫室內情況，調控現場設備，應對突發惡劣天氣，減少人力成本，降低生產風險，提高管理水平[9]。

4.3 建立農業知識庫，發揮高校智力支持作用

系統平臺上嵌入農業科學種植知識庫，突破當地農戶種植、育苗的盲區和技術瓶頸，幫助種植大戶培訓新員工。知識庫資料有高校專家、農科院顧問的課程視頻，也可通過在線留言、解答疑問的形式進行一對一咨詢，做到農業專業精準指導，訊息實時更新，農戶可在第一時間了解相關農業生產知識，規避農業生產中的風險和錯誤，真正實現高校為鄉村振興提供智力服務[10]。

4.4 服務增值，技術助力

系統可提供針對不同蔬菜種植育苗需要的精準種植管理方案，從蔬菜育苗到環境管理，精準把控，降低生產風險，提升作物品質。App和Web端一鍵式操作，充分考慮了低文化水平人員操作的需要。員工打卡信息通過網絡實時上傳，方便進行員工考勤管理。系統擴展性好，可與溫室大棚現有設備連接，無需更換原有設備。

5 結語

本系統將嵌入式系統、物聯網、互聯網技術應用在農業生產設備中，構建了一個智慧農業溫室管控系統，助力農業現代化生產。該系統在甘肅河西等地區推廣應用，幫助農戶科學種植、精準控制、節約成本，得到了當地政府和農戶的肯定。