基于物聯網的智慧農業方案設計與實現

摘" 要：隨著人類對食品安全和生態環境的要求越來越高，農業生產也在不斷轉型升級，從傳統農業向現代農業轉變。然而，傳統農業生產模式受到氣候、土壤和水資源等自然因素的限制，很難適應現代社會的需求。同時，農業生產過程中還存在很多人工操作，成本高、效率低、品質難以保證等問題。為解決這些問題，智慧農業應運而生。該文主要分析基于物聯網的智慧農業方案設計與實現路徑，以期提升智慧農業發展水平，更好地滿足農業現代化建設需求。

關鍵詞：物聯網；智慧農業；方案設計；食品安全；網關

中圖分類號：S126" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2023）11-0009-04

Abstract： With the increasing demands of human beings for food safety and ecological environment， agricultural production is also constantly transforming and upgrading， transitioning from traditional agriculture to modern agriculture. However， traditional agricultural production models are limited by natural factors such as climate， soil， and water resources， making it difficult to adapt to the needs of modern society. At the same time， there are still many manual operations in the agricultural production process， such as high costs， low efficiency， and difficulty in ensuring quality. In order to solve these problems， smart agriculture has emerged. This article mainly analyzes the design and implementation path of smart agriculture solutions based on the Internet of Things， in order to improve the development level of smart agriculture and better meet the needs of agricultural modernization construction.

Keywords： Internet of Things; smart agriculture; scheme design; food safety; gateway

隨著物聯網技術的不斷發展，智慧農業也越來越受到關注。基于物聯網的智慧農業通過能夠實現對農業生產的智慧化管理，從而大大提升農業發展水平。因此，必須設計出一套行之有效的智慧農業系統，以實現對農業發展過程的智能化控制，從而達到理想的智慧建設目標，為農業現代化發展提供更多有利條件。本文將對基于物聯網的智慧農業進行分析。

1 基于物聯網的智慧農業分析

智慧農業是一種利用物聯網技術、云計算技術、大數據技術等現代信息技術手段，對農業生產進行全面、智能化管理的生產模式。其核心在于通過數據采集、數據處理和數據分析等技術手段，實現對農作物、土壤、氣候等各種農業生產因素的精準監測和預測，從而提高農業生產的效率和質量。基于物聯網的智慧農業將傳感器技術、云計算技術和數據挖掘技術相結合，為農業生產提供了一種全新的解決方案。

2 基于物聯網的智慧農業方案設計與實現

2.1 具體智能化環境改造軟件開發方案設計

本章節的主要任務是農業研究所種植基地中控網關應用軟件和移動端（安卓）應用軟件系統方案設計。網關和移動端軟件的功能需求見本文“2.2農業研究所種植基地中控網關軟件功能需求”和“2.3智能農業研究所種植基地移動端應用軟件功能需求”。

2.1.1" 完成數據庫庫結構設計

根據本文中的“農業研究所種植基地中控網關軟件功能需求”和“農業研究所種植基地移動端應用軟件功能需求”所描述智能化設備控制應用軟件運行的實際需要，使用關系數據庫技術設計農業研究所種植基地智能化改造控制軟件的數據庫，并使用Microsoft Visio 軟件以E-R模型完成數據庫設計，按照3NF范式的要求規范實體對象的關系（圖1）。

2.1.2" 完成軟件原型界面設計

根據本文中的“農業研究所種植基地中控網關軟件功能需求”所描述智能化設備網關控制應用軟件運行的實際需求，使用計算機上的 Axure 軟件完成指定控制軟件功能模塊的原型設計，設計內容要求符合“農業研究所種植基地中控網關軟件功能需求”中所描述的具體控制功能。

2.1.3" 完成典型軟件功能實現相關類的設計

使用工作站內計算機配置的Microsoft Visio 軟件，以UML語言作為設計工具，基于面向對象思想，開展“農業研究所種植基地智能化控制軟件”指定功能實現代碼的設計，本次的設計任務是根據本文“2.3.2實現‘主界面’功能”的功能描述要求，設計此功能實現所需要的類及類的功能與數據成員。在設計中，使用例圖、類圖、序列圖及部署圖等形成完整的面向對象設計圖紙。

2.2" 農業研究所種植基地中控網關軟件功能需求

基于農業研究種植基地的硬件部署方案，將為網關設備開發控制應用軟件而完成QT項目的創建、設計和編碼工作，主要包括用戶界面的設計制作、數據采集、顯示功能的實現，使用網關實現對智能樣板房設備的控制和應用配置，并能順利完成網關移植操作。本次解決方案中至少需要實現的功能如下（圖2）。

2.2.1" 實現“用戶登錄”功能

制作登錄界面，當網關重啟后自動打開登錄界面，并至少滿足如下要求：①可以在文本框中輸入、修改賬號、密碼、服務器IP數據；②實現“登錄”按鈕的功能；③在登錄時，如果用戶名、密碼、驗證碼出錯，均需彈出相應的消息框；④系統默認用戶名為“Admin”，默認密碼為“aaaaaa”；⑤輸入密碼時，密碼顯示為“*”。

2.2.2" 實現“新增用戶”功能

設計“新增用戶”功能，在用戶成功登錄后可通過菜單進入該功能，并實現下列功能：①使用文本框輸入用戶名、密碼和確認密碼；②當兩次密碼不一致時須報錯；③注冊用戶的用戶信息需實現永久保存。

2.2.3" 實現“用戶管理”功能

設計“用戶管理”功能，當使用管理員（默認用戶）登錄后，通過按鈕進入該功能，并實現以下功能：①輸入需要更改密碼的用戶名；②單擊初始化將密碼還原為“aaaaaa”；③更改密碼后的用戶信息需實現永久保存。

2.2.4" 實現“傳感器數據實時數據采集、存儲”功能

①在一個界面上集中顯示本解決方案中所有傳感器設備上實時采集到的數據（溫度、濕度、照度、氣壓、燃氣、PM2.5、CO2、煙霧、人體紅外顯示有人和無人），并按國際標準單位加以顯示，須實現各傳感器數據實時數據的永久保存，以便可隨時調閱歷史數據。②在該界面上，單擊各傳感器顯示控件，可彈出歷史數據顯示窗口，以二維折線圖顯示歷史數據（當數據變化時，圖形才發生變化，沒有變化的則不進行顯示，至少5個變化）。

2.2.5" 實現“設備控制”功能

1）自行設計設備控制界面，需在界面上顯示控制類設備，包括射燈、排風扇、窗簾、報警燈、紅外控制設備（電視、DVD、空調）、RFID設備門禁等。

2）設備控制需實現手動控制和自動控制功能。手動控制的要求如下：①射燈控制要求。點擊控制按鈕，發送控制命令（開、關），控制成功以后根據返回數據，對按鈕圖片進行切換（若返回狀態為開則顯示開，返回狀態為關則顯示為關）；若控制失敗（即無返回數據）則按鈕不做改變，并彈出消息框通知用戶。②風扇控制要求。點擊控制按鈕，發送控制命令（開、關），控制成功以后根據返回數據，對按鈕圖片進行切換（若返回狀態為開則顯示開，返回狀態為關則顯示為關）；若控制失敗（即無返回數據）則按鈕不做改變。③報警燈控制要求。點擊控制按鈕，發送控制命令（開、關），控制成功以后根據返回數據，對按鈕圖片進行切換（若返回狀態為開則顯示開，返回狀態為關則顯示為關）；若控制失敗（即無返回數據）則按鈕不做改變。④窗簾控制要求。點擊控制按鈕，發送控制命令（開、關、停），控制成功以后根據返回數據，對按鈕圖片進行切換（若返回狀態為開則顯示為開，返回狀態為關則顯示為關，返回狀態為停則顯示為停）；若控制失敗（即無返回數據）則按鈕不做改變。無論是否控制成功，發送控制命令（開、關、停）500 ms以后，關閉窗簾控制繼電器（即將繼電器設置為全關）。⑤紅外設備（電視、空調、DVD）控制要求。點擊控制按鈕，發送控制命令。⑥RFID設備門禁控制要求。點擊控制按鈕，發送控制命令（開）。

2.2.6" 實現“設備閾值”設置功能

自主設計“設備閾值”設置功能界面，在該界面上自動顯示各傳感設備觸發自動控制行為的閾值，修改后可永久保存，修改后的閾值可以在重啟后生效，也可以在單擊“應用”按鈕后即時生效。

2.3" 智能農業研究所種植基地移動端應用軟件功能需求

此部分將使用安卓軟件開發工具完成智能農業研究所種植基地管理移動端應用軟件開發方案的設計工作，具體功能需求如下。

2.3.1" 實現“用戶登錄”功能

在重啟安卓移動端設備進入系統時，首先進入“登錄界面”。賬號默認為“Adminadmin”（不可變），初始密碼為“Passpass”。判斷所填寫的任何一處不能為空，否則無法進入并對應彈出“用戶名和密碼不能為空”“確認密碼不能為空”。選中“自動登錄”選項的情況下，賬戶密碼需要記住。

2.3.2" 實現“主界面”功能

“主界面”須包含3個功能模塊，即：傳感器數據采集模塊，設備控制模塊，閾值設置模塊的應用界面或操作鏈接，各模塊功能要求如下。

1）數據采集模塊：將采集到的溫度、濕度、CO2、光照、煙霧、氣壓、PM2.5 參數值實時顯示在界面上。

2）設備控制模塊：設備控制能實現手動控制和自動控制功能。手動控制的要求如下：①通過單擊界面中射燈1按鈕，發送控制命令（開、關），控制成功以后根據返回數據，對按鈕圖片進行切換（若返回狀態為開則顯示開，返回狀態為關則顯示為關）；若控制失敗（即無返回數據）則按鈕不做改變。②通過單擊界面中報警燈按鈕，發送控制命令（開、關），控制成功以后根據返回數據，對按鈕圖片進行切換（若返回狀態為開則顯示開，返回狀態為關則顯示為關）；若控制失敗（即無返回數據）則按鈕不做改變，并彈出消息框顯示有關提示信息。③通過單擊界面中門禁按鈕發送控制命令（開、關），對按鈕圖片進行切換。④通過單擊界面中風扇按鈕發送控制命令（開、關），控制成功以后根據返回數據，對按鈕圖片進行切換（若返回狀態為開則顯示開，返回狀態為關則顯示為關）；若控制失敗（即無返回數據）則按鈕不做改變。⑤通過單擊界面中射燈2按鈕，發送控制命令（開、關），控制成功以后根據返回數據，對按鈕圖片進行切換（若返回狀態為開則顯示為開，返回狀態為關則顯示為關）；若控制失敗（即無返回數據）則按鈕不做改變。⑥通過單擊界面中電視機按鈕發送控制命令（開、關）。⑦通過單擊界面中DVD按鈕發送控制命令（開、關）。⑧通過單擊界面中空調按鈕發送控制命令（開、關）。⑨通過單擊界面窗簾按鈕，發送控制命令（開、關、停）。

2.4" 環境智能化改造個性化軟件基礎框架編碼開發

2.4.1" 創建應用軟件開發項目工程

分別使用工作站內計算機上配置的QT Creator和Android studio創建網關控制程序和移動端APP開發工程項目，并完成下面的編碼開發任務。

2.4.2" 完成系統登錄功能開發

將根據本文“2.2.1 實現‘用戶登錄’功能”和“2.3.1 實現‘用戶登錄’功能”的要求，完成用戶登錄功能的編碼實現任務。同時，還將提交各運行功能的源代碼文件，須確保源代碼文件可明確說明本文件代碼的主體功能。

2.4.3" 完成系統“About”對話框開發

將完成網關控制程序和安卓 APP 的“About”對話框，以便用戶在打開該對話框時可了解軟件的基本信息。

3" 結束語

本文針對基于物聯網的智慧農業進行了分析和探討。物聯網技術的發展為農業生產提供了新的技術手段，通過傳感器技術、云計算技術和數據挖掘技術等現代信息技術手段，實現對農業生產進行全面、智能化管理，提高了農業生產效率和質量。在未來，基于物聯網的智慧農業將在更多領域得到應用，并不斷創新和完善。期待著在智慧農業領域中的更多發展和成果，為農業生產提供更好的服務和支持。

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