基于Web和物聯網的云智慧農場管理系統設計

摘要：隨著生活節奏的加快以及城鎮化進程的推進，人們逐漸遠離田園生活且對農產品品質的要求在不斷提高。為了滿足人們對綠色健康農產品的需求和體驗親自種植樂趣的愿景，提出一款可以幫助用戶實現遠程“云種植”的云智慧農場管理系統。以Web和物聯網技術為基礎，從硬件層、云服務器層、應用層三個方面展開研究，建設云端農場平臺。通過平臺實現云種植，有效提高用戶在農業種植過程中的參與度，實現生產全過程可視性、可操作性以及灌溉和施肥等農業生產的自動化。

關鍵詞：云種植；云農場；“互聯網+農業”；系統設計

中圖分類號：TP311

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）14-0057-03

0引言

在21世紀的今天，隨著人們生活水平的提高和健康意識的增強，對食品安全和營養價值的關注日益增加。綠色農產品，作為無污染、無公害、安全優質的食品代表，正逐漸成為消費者的首選[1]。盡管市場對綠色農產品的需求不斷增長，但在實際推廣和消費過程中仍面臨諸多挑戰。一些不法商家利用消費者對綠色產品的信任，進行虛假宣傳或以次充好，損害整個行業的信譽。其次，消費者認知有限，很多人對綠色農產品的認識停留在表面，缺乏深入了解其生產過程和環保意義。再者，綠色農產品的生產成本往往高于傳統農產品，再加上中間商層層加價，這直接導致了零售價格的上升，使得部分消費者望而卻步。

在歷史漫漫長河中，農業生產孕育了中華民族的農耕文化，土地成為民族情感的寄托，生活在城市中的人們往往具有強烈的親自動手種植的愿景，想要從中體驗到種植的樂趣，舒緩來自生活的壓力[2]。然而很多人沒有親自參與種植過程的機會。對于想要參與種植的人來說，通過互聯網實現遠程種植具有良好的現實意義與必要性。

基于上述背景，本文設計一款基于Web和物聯網技術的云智慧農場管理系統，通過結合農村大量閑置土地，構建新型“云種植”農場。

1系統設計

基于物聯網和Web的云智慧農場管理系統整體架構如圖1，主要分為硬件層、云服務器層、應用層。硬件層為云服務器層提供了實時、準確的數據支持；云服務器層則為應用層提供了經過處理和分析的有價值信息；應用層則將這些信息轉化為用戶可以直接利用的功能和服務。三個層次相互協同，共同推動農業生產的智能化和高效化。

硬件層功能包括數據采集：通過各種傳感器實時監測農場環境參數，為農業生產提供基礎數據支持。設備控制：根據預設條件或遠程指令自動執行操作，實現用戶的遠程操作。

云服務器層功能包括數據存儲與管理：云服務器層接收來自硬件層的大量數據，并進行存儲和管理。這些數據包括環境參數、設備狀態、生產記錄等，為后續的數據分析和決策提供基礎。數據處理與分析：利用大數據技術和算法對收集到的數據進行處理和分析，挖掘數據背后的規律和趨勢。例如，通過分析土壤濕度和氣象數據，預測作物需水量，從而優化灌溉策略。

應用層功能包括可視化展示：應用層將云服務器層處理后的數據以圖表、地圖等形式直觀地展示給用戶，幫助用戶快速了解農場的運行狀況和生產情況。遠程控制與監控：用戶可以通過應用層遠程監控農場設備的運行狀態，并根據實際情況進行遠程控制和調整。智能管理與決策：應用層還為用戶提供了豐富的智能管理功能，如生產計劃制定、資源調配優化等。用戶可以基于系統提供的數據和建議進行科學決策和管理。智能預警與決策支持：根據數據分析結果，應用層可以為農業生產提供智能預警和決策支持。例如，當檢測到某種病蟲害時，系統可以自動發出預警并推薦相應的防治措施。

2硬件層設計

2.1主控模塊

主控模塊是云智慧農場管理系統中的核心組件之一，其功能主要包括數據采集、數據處理、數據安全保障、決策分析與執行以及實現模塊間通信。該系統采用STM32F103C8T6芯片作為微控制器MCU，STM32F103C8T6是由意法半導體公司推出的一款基于Cortex-M3內核的32位微控制器，Cortex-M3內核憑借高達72MHz的主頻，能夠快速完成環境監測與數據采集、設備控制與自動化管理、安防監控與預警、數據傳輸與通信等任務，屬于ST公司微控制器中的STM32系列。STM32F103C8T6芯片在與各類傳感器連接時，芯片可以通過設置定時喚醒采集數據，其余時間處于休眠狀態，從而大大降低傳感器的功耗。并且可以支持實時操作系統，實現多任務并行處理，提高系統的響應速度和處理能力。在云智慧農場中，多個任務可以同時運行，如環境監測、設備控制、數據傳輸等，能夠確保每個任務都能得到及時處理，不會因為某個任務的阻塞而影響整個系統的性能。綜合考慮本系統特點以及STM32F103C8T6芯片的特點，該芯片可以較為完美地契合云智慧農場管理系統的設計要求。

2.2感知模塊

感知模塊主要負責對農業生產環境中的各種參數進行實時感知、監測和采集。通過部署各種高精度硬件設施，借助如攝像頭、GPS、DHT11溫濕度傳感器、光敏電阻傳感器、土壤濕度傳感器、紅外二氧化碳傳感器等智能終端數據采集設備，不間斷地感知和測量環境中的物理量。可檢測到農場二氧化碳含量、溫度、光照強度、濕度、氧氣含量等有價值的信息，實現對環境參數的實時監測[3]，具備精準的感知功能，并將這些信息轉換為可以被微控制器處理和分析的數字信號。

2.3智能操作模塊

智能操作模塊是農產品種植過程中的智能操作設備，主要包括灌溉設備、通風設備、遮光設備、升降溫設備。智能操作模塊主要由基礎模塊和可編程控制器PLC組成，該模塊接收來自應用層的命令，通過對命令進一步的識別和分析，控制相應設備完成所對應的操作，從而實現用戶或管理員的遠程操作。

3云服務器層

該研究在阿里云搭建MQTT服務器作為云智慧農場管理系統云服務器端[4]。云服務層是整個平臺的核心，用于提供中間件服務、云資源和云應用等云平臺基礎設施。云服務層通過大數據分析技術對來自硬件層的數據進行深入挖掘，提取出有價值的種植信息和趨勢，最終將經一系列處理后的數據送往應用層，為用戶做出種植決策提供科學依據。

3.1MQTT協議

云智慧農場管理系統通過MQTT協議實現不同層次間的高效率通信。主要優點在于，MQTT通信協議一款輕量、簡單、開放、易于實現且低開銷、低帶寬占用的即時通信協議，在物聯網、移動應用以及小型設備等方面都有較廣泛的應用。

MQTT在云智慧農場中的具體應用主要包括：實現農業數據的實時采集和傳輸：如土壤濕度、溫度、光照、風速等數據，這些數據是農場管理和決策的重要依據。實現農業設備的遠程監控和控制：如灌溉系統、施肥系統、病蟲害防治系統等，可以通過遠程移動端設備監控農場并及時反饋。實現農業數據的智能分析和決策：對采集到的數據進行分析和處理，為農場的精準化、智能化管理提供科學依據。

3.2云數據庫設計

云智慧農場管理系統采用MySQL數據庫，該款數據庫具有出色的性能和穩定性，同時能夠處理大規模數據和高并發訪問，具有靈活性、高可靠性、易管理、跨平臺、簡單易用等諸多優秀的特性和優勢[5]，為用戶和開發者提供了強大的數據庫功能。為了有效地支持管理系統的各項功能，云智慧農場管理系統數據庫主要包括用戶信息表、土地信息表、管理員信息表等數據表。以土地信息表為例，其設計方案如表1所示。

4應用層設計

4.1系統功能設計

云智慧農場管理系統主要分為系統基礎功能和系統業務功能兩類：基礎功能是實現業務功和保障系統穩定的基礎，包括用戶管理、數據存儲與管理、界面設計與交互等；業務功能是在基礎功能上為用戶提供的一系列服務，保障系統的實用性，主要包括土地租賃與認養、農事活動管理、農產品銷售等。

云智慧農場管理系統為用戶提供注冊登錄功能，并對用戶信息保存管理，用戶可以對個人信息進行查看和修改。通過農場傳感器和傳輸設備，對農場環境（包括氣溫、濕度、土壤化肥量以及現場實況等）實時監測，同時也對農場設備的工作狀態、保養周期等進行檢測。根據多年種植數據收集到的資料，在界面展示不同農作物在不同季節、不同氣候、不同土壤濕度、不同光照強度等條件下的生長趨勢，從而為用戶做出智能操作控制提供決策支持。在農場環境數據超出正常范圍或者農場設備出現故障以及其他問題產生時，客戶端還會發送預警通知給用戶，以防造成不可避免的損失。同時具備配送功能，用戶只需要在系統中填寫配送地址，由系統管理人員負責農產品的采集，最終由配送員將成熟的農產品送至用戶手中。

4.2系統界面設計

云智慧農場客戶端是整個智慧農場系統的基礎，根據系統功能分析，該研究設計了簡單易懂的Web界面[6]，其主要整體框架如圖2。用戶經由啟動頁登錄后，進入首頁界面，首頁主要包括系統公告，以及為用戶展示空閑土地，用戶可在首頁點擊心儀土地，查看土地相關詳細信息以及租用該土地。主菜單位于系統界面最上方，除首頁外主要包括設備管理頁面、農場管理頁面以及用戶信息界面。設備管理界面主要為用戶展示設備使用情況，農場管理頁面主要包括農場實時環境的各項指標、相應的參考指標、農場實況以及實現智能操作功能的接口等，最后在用戶信息界面，用戶可以很方便地實現對信息的查看和更改。

5項目意義

通過云智慧農場管理系統結合農村大量閑置土地，構建出的新型“云種植”農場，具有很好的現實意義，具體如下：

1）“云種植”農場可以充分利用農村大量閑置的土地，減少土地浪費，為周邊農村提供大量工作崗位，增加農民收入，帶動農村發展以及一定程度上推動農業現代化。

2）在“云種植”農場布置有高精度監控設備，用戶隨時可以在云智慧農場管理系統上實時監測農場環境，能夠實現綠色農產品生產過程的透明化、可視化，打消消費者對綠色農產品真實性的顧慮，推動綠色農產品產業發展。

3）通過實現生產到收獲再到配送一體化，減少中間商參與，用戶可以以較低的成本購買到綠色產品，并且可以減少農產品滯銷現象、帶動農村發展，實現消費者和生產者的“雙贏”。

4）用戶不僅可以在線上通過云智慧農場管理平臺，實現對農場的監測以及設備的控制，還可以來到農場感受農耕生活，推動農村旅游業發展，幫助生活在城市，卻心懷“田園夢”的人們享受種植的樂趣。

6結束語

云智慧農場管理系統基于Web和物聯網技術，旨在滿足當今城鎮居民對綠色產品和“種植樂”的需求，進一步達到助農、惠農、興商、惠及城鄉的目的。云智慧農場管理系統以“互聯網+農業”的模式詮釋了一種新型的農業發展方向，通過建設云端農場平臺，提高用戶在農產品種植過程的參與度，增添農業趣味性，滿足人們對綠色產品的需求，實現從生產到配送的全程數字化以及農業生產的自動化，一定程度上推動農業現代化建設。在未來可以逐漸與電商平臺、農業科研機構、鄉村旅游等產業深度融合，提高農產品的銷售效率和附加值，促進農業科技的創新和推廣。

參考文獻：

[1]徐文成.有機食品消費行為研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2017.

[2]何生娟.基于用戶體驗的家庭種植產品研究與應用[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2018.

[3]周援植.基于無線傳感器網絡技術的智慧農業系統設計與實現[D].成都：電子科技大學，2022.

[4]王錦濤.基于MQTT的物聯網設備接入及云上監控系統研究[D].西安：西安工業大學，2021.

[5]胡敏.Web系統下提高MySQL數據庫安全性的研究與實現[D].北京：北京郵電大學，2015.

[6]吳昌政.基于前后端分離技術的web開發框架設計[D].南京：南京郵電大學，2020.

【通聯編輯：梁書】