基于 “互聯網+”的農業大棚系統設計研究

王家旭,彭 霖

(湖北工業職業技術學院,湖北 十堰 442000)

0 引言

“互聯網+”智能農業生產可降低自然環境條件的干擾,實時進行農作物生長環境參數監測,并通過對相關機構進行控制,調節農業生產環境條件[1-3]。為此,設計了農業大棚監測控制系統,可在滿足環境參數精準采集的條件下,對相關性能指標進行交互控制,實現了農業生產過程的自動化控制[4-5]。工作時,采用現場控制和遠程互聯網控制兩種方式對系統進行操控,可有效提高監測控制系統的使用范圍[6]。

1 農業大棚監測控制系統總體設計

農業智能監測系統包含主控制系統和采集節點兩部分,如圖1所示。數據采集模塊利用不同的傳感器,將大棚環境參數進行采集,并通過網絡傳輸模塊發送至主控制系統,實現主控制系統與采集節點之間的數據傳輸[7-8]。網絡通信模塊將系統中監測到的環境參數發送至互聯網云端,可利用移動終端或管理計算機進行數據查看[9]。

大棚監測控制系統網絡是系統內數據傳輸的通道,包含感知層、傳輸層及應用層:感知層主要指大棚環境內的參數測量節點,采用傳感器對作物生長環境參數進行采集;傳輸層以局域網傳輸的方式進行系統節點與主控制系統之間的信息數據傳輸[10-11];應用層對采集的數據進行分析處理,利用設定好的閾值進行分析判斷,并生成相關控制指令[12]。圖2所示為大棚智能監測控制系統網絡結構圖。

圖1 農業大棚智能監測控制系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of agricultural greenhouse intelligent monitoring and control system

圖2 智能監測控制系統網絡結構圖Fig.2 Network structure of intelligent monitoring and control system

2 監測控制系統硬件設計

大棚監測控制系統主要包含MCU控制器、傳感器模塊、網絡傳輸模塊、通信模塊、按鍵操作模塊、電源模塊及管理機制算法,如圖3所示。其用于對系統節點采集到的數據進行分析處理,并通過“互聯網+”發送至云端服務器,控制大棚內的相關執行機構進行動作,調整環境參數[13]。主控制系統MCU控制器負責整個系統數據分析處理、傳輸及生成相關控制指令,控制大棚內相關執行機構進行動作。網絡傳輸模塊用于系統內的數據傳輸與交互,按鍵功能模塊可用于人工進行相關指令的輸入。

大棚監測控制系統節點是對環境參數進行采集的關鍵,主要進行環境參數的采集和數據傳輸。系統中,節點主要包含傳感器模塊、MCU控制器、數據傳輸模塊及電源模塊等[14],如圖4所示。傳感器模塊主要對大棚內的溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照強度及二氧化碳濃度等環境參數進行采集。MCU控制器用于控制相關傳感器進行環境參數數據采集,并將數據發送至主控制系統。數據傳輸模塊利用傳輸網絡實現節點與系統之間的數據交互[15]。

3 監測控制系統軟件設計

在進行農業大棚監測系統程序設計時,采用KELL4.0對系統程序進行設計和編譯,將程序燒錄至單片機系統中的FLASH中,主要包括大棚監測主控制系統和采集節點兩個模塊的程序設計。

主控制系統主要用于對節點數據的分析處理,將分析處理后的節點數據進行顯示,并利用數據通信模塊將處理后的數據發送至互聯網服務器;最后,利用設定好的管理算法對農業大棚內的執行機構進行驅動,實現農業大棚內環境參數的調整[16]。主控制系統軟件運行開始時,MCU控制器進行初始化,設定的自動化指令同時對芯片進行初始化,并創建無線通信網絡;當有通信節點接入時,主控制系統開始接收節點數據,并對該數據進行分析和處理,并在對分析后的數據進行顯示輸出的同時,將處理后的數據結果上傳至網絡服務器[17]。圖5所示為農業大棚監控系統主程序軟件設計流程圖。

圖4 監測控制系統節點結構圖Fig.4 Node structure diagram of monitoring and control system

圖5 大棚監測控制系統主程序設計流程圖Fig.5 Main program design flow chart of greenhouse monitoring and control system

各數據采集節點利用傳感器對環境內參數進行采集,并將環境參數數據發送至主控制系統,利用自動化控制指令進行控制器和芯片的初始化,并自動加入主控制系統網絡;網絡加入成功后,啟動傳感器模塊進行數據采集,并在加入的通信網絡內進行輸出傳輸。

4 系統測試分析

進行農業大棚監測控制系統測試時,測試地點為草莓種植大棚,放置主控制系統一套和4個數據采集節點,對環境內相關參數進行實時采集。大棚內草莓最佳生長環境為土壤濕度70%,空氣濕度41%RH,環境溫度25℃,光照強度25 000Lx,二氧化碳濃度950×10-6。當大棚內環境參數超出最佳生長環境條件時,MCU系統自動啟動參數管理機制,各驅動結構開始對大棚內的環境參數進行調節。表1所示為系統測試數據。

表1 大棚監測控制系統試驗測試數據Table 1 Test data of greenhouse monitoring and control system

5 結論

基于“互聯網+”技術建立農業大棚監測控制系統,對大棚內的作物生長環境參數進行監測,并利用系統管理算法實時對作物生長環境進行調節。與傳統農業種植模式相比,所建立的監測控制系統操作簡單,具有較大的實用性,系統運行過程中具有較大的靈活性,能夠有效改善作物生產環境參數,降低農業大棚管理過程中的人力成本。