嵌入式多傳感器智慧農業系統設計與實現

摘要：我國農業正面臨勞動力短缺、農業用地減少等嚴峻挑戰，傳統農業生產方式因其效率低下，已難以滿足現代社會的需求。為此，文章設計了一種基于嵌入式處理器和多傳感器的智慧農業大棚環境監測與控制系統。該系統能夠實時采集大棚內的溫度、濕度、光照等關鍵環境參數，并通過無線網絡將數據傳輸至上位機。系統支持手動和智能控制兩種模式，可遠程控制照明燈等設備，實現對大棚環境的智能化管理。實驗結果表明，該系統能夠有效提高農業生產效率，降低生產成本，具有良好的應用前景。

關鍵詞：智慧農業；嵌入式系統；多傳感器；環境監測；遠程控制

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）23-0133-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

作為農業大國，中國在農業現代化發展過程中取得了顯著成就，但同時也面臨著勞動力老齡化、農業用地減少等挑戰，傳統農業生產方式難以滿足現代社會需求，亟須向信息化、智能化方向轉型升級。隨著信息技術和通信技術的快速發展，智慧農業逐漸成為農業發展的重要方向。智慧農業通過集成物聯網、大數據、人工智能等先進技術，實現了農業生產的智能化、自動化和精細化。智慧農業系統能夠實時監測農田環境參數，精準控制農業生產過程，提高農業生產效率和質量，減少資源浪費和環境污染。嵌入式處理器具有體積小、功耗低、成本低、性能穩定等優點，非常適合用于智慧農業系統中的數據采集、處理和控制任務。通過嵌入式處理器的應用，可以實現對農田環境的實時監測和智能控制，提高農業生產的精準性和效率。多傳感器系統能夠全面監測農田環境中的各種參數，如土壤濕度、溫度、光照強度、氣象條件等，為農業生產提供全面、準確的數據支持。通過多傳感器系統的應用，可以實現對農田環境的全方位監測和精準控制，提高農業生產的科學性和智能化水平。通過減少農藥和化肥的使用量，可以降低對環境的污染和破壞，提高農產品的品質和安全性[1]。

智慧農業通過集成物聯網、大數據、人工智能等先進技術，實現農業生產的智能化、自動化和精細化，為解決傳統農業面臨的困境提供了有效途徑。近年來，國內外學者對智慧農業進行了廣泛研究，開發了各種類型的智慧農業系統。然而，現有系統大多存在成本高、功耗大、部署困難等問題，難以滿足大規模應用需求。針對上述問題，本文設計了一種基于嵌入式處理器和多傳感器的智慧農業大棚環境監測與控制系統。該系統采用低功耗嵌入式處理器作為核心控制單元，集成多種傳感器，能夠實時采集大棚內的溫度、濕度、光照等關鍵環境參數，并通過無線網絡將數據傳輸至上位機，實現對大棚環境的遠程監測和智能控制。

1 關鍵技術

1.1 數據采集與傳輸

數據采集與傳輸是智慧農業系統的基礎，其主要功能是實時采集大棚內的環境參數，并將其傳輸至云平臺進行處理和分析。本系統采用嵌入式處理器作為數據采集和控制的核心，并通過多種傳感器采集環境數據[2]。

數據采集與處理技術是實現智慧農業系統智能化的關鍵環節，主要內容包括：數據采集協議，制定統一的數據采集協議，確保各傳感器與嵌入式處理器之間的數據通信順暢；對于數據的預處理，主要采用去噪、濾波與校準等方式來進行，主要目標是提升數據信息的可靠性與準確性；數據融合與分析，將多傳感器數據進行融合分析，提取有用信息，為農業生產提供決策支持。

1.1.1 嵌入式處理器

本系統采用中嵌AMKN8616G嵌入式處理器作為主控芯片，該處理器是智慧農業系統的核心控制單元，負責數據的采集、處理以及控制指令的發出[3]。嵌入式處理器作為智慧農業系統的中樞，其關鍵技術涵蓋以下幾個方面：低功耗設計，鑒于智慧農業系統常部署于野外環境，對能耗有嚴格要求，因此嵌入式處理器需采用低功耗設計，以延長系統的工作時間；高性能運算能力，為實現對大量傳感器數據的實時處理與分析，嵌入式處理器需具備高性能的運算能力；穩定性與可靠性，鑒于農業環境的復雜多變性，嵌入式處理器必須能在各種惡劣條件下穩定運行，確保系統整體的可靠性和穩定性。

1.1.2 傳感器

本系統采用天合環境（TH-B4B） 與建大仁科（GZ-SHY-1） 的多傳感器系統，該系統是智慧農業的重要組成部分，用于實時監測農田環境中的各項參數[4]。多傳感器系統的關鍵技術包括：多樣化傳感器類型，涵蓋土壤濕度傳感器、溫度傳感器、光照強度傳感器、氣象傳感器等，以實現對農田環境的全面監測；高精度測量能力，傳感器需具備高精度的測量能力，以確保所采集數據的準確性和可靠性；抗干擾能力，鑒于農業環境中存在多種干擾因素，傳感器需具備強大的抗干擾能力，以保證數據的穩定性和可靠性。

1.2 云平臺設計

智慧農業系統云平臺采用Java Web、物聯網和人工智能等先進技術。智慧農業系統云平臺需要存儲大量的農業生產數據，包括環境參數、作物生長信息、設備狀態等[5]。本智慧農業系統采用MongoDB非關系型數據庫來存儲這些數據。在Java Web開發中，可以使用JDBC、JPA、MyBatis等ORM框架來簡化數據庫操作，提高開發效率。

智慧農業系統云平臺需要與各種物聯網設備進行集成，如傳感器、控制器、執行器等。這些設備通過無線通信技術與云平臺進行連接，實現數據的實時采集和傳輸。在Java Web開發中，可以通過編寫相應的接口和協議來處理物聯網設備的數據交互，實現設備的遠程監控和控制。智慧農業系統云平臺需要對采集到的海量數據進行處理和分析，以提取有價值的信息和規律。這通常需要借助大數據處理技術，如Hadoop、Spark等。在Java Web開發中，可以集成這些大數據技術，通過編寫數據分析算法和模型，為農業生產提供精準的決策支持。

2 系統需求分析

2.1 系統開發可行性分析

在開發信息管理系統時，可行性分析是首要任務。對于本智慧農業系統，分析主要圍繞操作可行性、技術可行性及經濟可行性三個方面展開：

1） 技術可行性分析。對于智慧農業系統，日常溫度、濕度等參數的采集采用當今成熟的各類傳感器，將傳感器組成網絡，通過ZigBee技術進行傳輸，業務監控采用采集的技術體系架構為Java EE，系統實現的業務主要分為數據服務層、表現層及業務邏輯層，Java EE用于實現三層體系架構的技術非常成熟，代碼總體表現邏輯性強，針對業務實現的代碼具備良好的可移植性，可以根據業務的最新需求進行更新與升級，總體系統技術成熟，從技術角度上是可行的。

2） 經濟可行性。隨著經濟的快速發展和群眾生活質量的提升，對綠色蔬菜、綠色農業的需求日益增長。各類農業合作社、農產品公司迫切需要智慧農業系統以確保農業生產的實時監控。結合智慧農業業務的發展趨勢，系統改進與開發具備良好的投入產出比，經濟可行性高。

3） 操作可行性。智慧農業系統的操作對于農業合作社、食品公司等工作人員而言并不陌生，他們已具備相關操作經驗。只需對新開發的業務功能進行簡單培訓，即可上手操作。因此，從操作角度看，系統開發同樣可行。

綜上而言，智慧農業系統在經濟、技術及操作上都是可行性的。

2.2 系統功能分析

在整個智慧農業系統之中，整個需求分析階段中需要結合具體的使用場景進行分析與確定，核心的功能有異常報警、數據應用、數據采集與遠程控制。對于這些功能，主要采用用例圖來闡述系統的功能，具體如圖1所示。

在智慧農業系統之中，各類監控信息來源主要通過采集的方式獲取，包括溫度、濕度、水分、光照等參數信息，為后續農作物的順利生長奠定良好的基礎。

在整個智慧農業系統的設計之中，各個模塊對于業務的處理時間應滿足用戶的操作需求，整個業務模塊的平均處理時間應在3s以內；對于設備的遠程控制與數據統計時間最長不應超過5s，為用戶提供良好的用戶體驗。

3 系統設計與實現

3.1 系統架構設計

隨著技術的快速發展，作為全新的信息獲取與處理方式的物聯網用于農業的研究之中，有效提升了農業生產的效率。在農作物的生長環境之中，進行大量傳感器的部署，主要包括傳感節點與普通節點兩個部分，這些節點通過無線傳感器網絡連接起來。

本系統采用三層架構設計，包括感知層、網絡層和應用層，如圖2所示。

感知層：主要對農作物的生長環境的各類參數信息進行獲取，包括空氣中的濕度與溫度信息、光照信息、光照信息等，這些數據信息主要通過專業的傳感器獲取。傳感器對這些數據信息實時獲取之后進行發送，傳送到ZigBee協調器節點上。

網絡層：各個傳感器獲取數據信息之后，通過網絡層發送到系統的應用中，主要通過無線網絡系統進行傳輸，傳感器分為不同的節點進行部署，節點之間能夠任意監控、互不干擾及任意監控，滿足數據信息傳輸的需要。

應用層：是智慧農業系統的核心功能層，可以對各類傳感器發送的數據信息進行實時監控。應用層能夠對這些參數信息進行分析，根據設置的閾值等數據，進行自動報警與設備聯動控制，完成降溫補光、自動灌溉等操作，提升整個系統的信息化水平。日常各類存儲與管理的數據信息主要通過MySQL數據庫進行存儲與分析。

3.2 系統功能實現

在智慧農業系統中，數據信息的主要獲取途徑是通過各類傳感器進行信息采集。信息采集方式分為自動采集與人工采集兩種。其中，自動采集以其高效性著稱，主要依賴于部署的各種類別傳感器，這些傳感器能夠自動地收集業務數據信息，并即時將采集到的數據入庫，以滿足后續智慧農業監控操作的需求。除自動采集外，數據信息還可通過人工采集方式獲得，這通常由工作人員在現場進行，包括記錄農作物的生長狀態等方面的內容。

在整個智慧農業系統之中，數據信息的采集是整個系統的數據來源，后期的數據應用、自動報警、系統設備的遠程控制都是基于這些數據信息進行操作，因此需要通過物聯網的相關設備完成數據信息格式的設置，具體采集數據信息的相關設備與采集內容如表1所示。

智慧農業系統中，農作物生長狀態管理功能允許用戶通過PC端瀏覽查看各類傳感器信息，并進行遠程控制等操作。當傳感器監測到的水分、濕度、溫度等參數不符合農作物生長需求時，系統將自動觸發遠程報警。

系統日常還需對連入的各類物聯網設備進行監控，一旦發現異常，將即時傳輸報警數據信息。系統接收到報警信息后，將啟動業務邏輯程序進行響應與處理，并調用相應的數據庫連接，以更新對應數據庫表格中的信息。數據庫中存儲的數據信息涵蓋溫度、濕度、光照、PH值、二氧化碳濃度等多個方面。根據用戶的設置，系統能夠繪制出相關的分析曲線，為用戶提供直觀的數據展示。同時，用戶也能通過系統對相關設備進行遠程控制。

4 結束語

本文主要闡述了智慧農業系統的設計實現過程，該系統通過集成多傳感器網絡與嵌入式處理器，實現了對生產設備的遠程控制，顯著提升了農業生產的管理效率。未來，我們將繼續對系統的使用過程進行監測與優化，以期進一步推動農業的可持續發展。

參考文獻：

[1] 鄭建新.鄉村振興戰略背景下智慧農業助推鄉村產業振興的路徑研究[J].智慧農業導刊，2023（1）：20-23.

[2] 陳維娜，楊忠，顧姍姍，等.基于NB-IoT技術的智能農業環境監測系統設計[J].中國農機化學報，2023，44（6）：168-175.

[3] 李芳.計算機技術在智慧農業中的應用研究[J].農業科技與信息，2024（6）： 68-72.

[4] 杜娟娟，魏秋娟，武月蓮，等.基于物聯網的智慧農業數據采集與管理系統設計[J].現代農業裝備，2024，45（3）：50-53.

[5] 曲希源.面向智慧農業的物聯網數據采集與傳輸終端的設計與實現[J].物聯網技術，2023，13（8）：49-50，55.

【通聯編輯：代影】