基于物聯網的智能農業系統研究與實現

摘 要：隨著物聯網的廣泛應用，各行各業將得到快速發展。物聯網在農業中實現智能化系統，可以降低成本，是傳統農業向現代農業發展的轉型過程。文中根據成都農業科技職業學院溫室大棚基地中智能農業系統的實際研究、應用總結與分析，更清晰地展示了物聯網的重要作用。

關鍵詞：物聯網；智能農業；溫室大棚；

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2014）06-0066-03

0引言

近年來，國外大量價廉質優的農副產品源源不斷地流入我國，極大地威脅著我國的農產品市場。針對我國本身的土地資源優勢，如何利用優勢發展農村經濟，如何提高國內農產品的數量和質量，如何優化農業生產力，如何調整農村經濟結構，提高農民人均收入提高國際競爭力，是一個既迫切又前沿的科研課題。

目前，我國傳統農業的技術手段相對落后，大規模的種植基地和規范化的種植管理還很少，大多依靠個人或小集體以及簡單半機械化工具進行生產，主要存在的問題如下：

（1）傳統農業中投入的現代化設備及自動化工具較少；農業科技含量、裝備水平相對滯后；

（2）傳統農業科技含量有限，大多還處于個人或小集體生產；

（3）農業生產過程中所造成的污染和資源浪費較嚴重；

（4）農民收入低、農產品數量和質量無法保障。

如何加速農業科技創新，推動科技成果快速轉化為生產力，提高農業生產及農村經濟發展對科技的需求，成為農業發展的方向。因此，關于智能農業技術的研究，顯得非常必要與重要。

1相關技術

1.1智能農業

智能農業，指的是將人工智能技術應用于農業生產過程的一項前沿技術。智能農業系統是將實時采集到的影響農業生產的自然參數和農業專家總結出的理想參數通過計算機技術進行對比和分析，然后自動指導并控制農業生產過程在合理的范圍以內，以保證最佳產能比的一個綜合體系。智能農業主要包括通信技術、監測技術、控制技術、存儲技術等。

1.2物聯網

物聯網指的是將所有現實物體通過傳感網絡等信息載體進行信息交換和通信。將物聯網技術應用到農業中是在傳統農業的基礎上構建的集傳感器、計算、通信、控制、監測等為一體的綜合系統。通過獲取農業生產過程的各種自然參數，進行智能控制從而提高安全可靠性、提高生產力水平，達到“智慧”的狀態。

2總體方案

本系統方案是在成都農業科技職業學院已有的農業大棚基礎上進行智能化檢測、控制和管理。該方案主要分為三大子系統：物聯網連接與監測、物聯網智能控制、云服務器；

物聯網連接與監測：在農業大棚實驗基地部署和安裝農作物生長環境所需參數的傳感器，用以監測環境中的溫度、濕度、光照、CO2濃度、土壤酸堿度及養分等物理量參數，從而保證農作物有一個適合的、優良的生長環境。目前我們用到的傳感器包括：空氣溫度、濕度傳感器；土壤溫度、濕度傳感器；光照傳感器；CO2濃度傳感器；pH值傳感器；土壤微量元素檢測儀。各種傳感器檢測到的參數信息經過ZigBee網關，再通過3G網絡傳送到服務器。服務器將接收到的數據進行存儲和相應的處理，用戶即可通過電腦或手機等智能設備訪問服務器進行查詢，同時，還可以對設備參數進行修改和設置，對數據采集周期進行修改和設置，為后期農作物生長提供必要的數據支持。為了實現農作物24小時無人監控，我們還在大棚實驗基地安裝攝像頭，對整個大棚進行24小時監控，監控視頻和圖片都將一并傳送到服務器，為用戶提供回看、實時看功能，確保資料完整性。

物聯網智能控制：針對農作物生長所需的環境因素，通過各種電機啟動大棚實驗基地的PVC噴水管、營養液滴頭、遮陽簾、卷簾等設備，調節控制大棚實驗基地內環境溫度、濕度、土壤養分、CO2濃度等因素。

云服務器：本系統方案采用J2EE服務器資源池和數據庫資源池搭建，采用應用程序和數據分離原則搭建SAAS平臺。所以，當有新的大棚實驗基地加入時，只需使用應用程序模板和數據庫模板即可創建大棚實驗基地應用程序和數據庫實例，大大延伸其系統效擴展性，有效降低成本。

3物聯網智能農業大棚系統

3.1系統總體設計

本系統的主要功能如圖1所示，系統大致包括傳感器數據查詢、視頻與圖片查看、數據報表統計、遠程設備參數設置、設備遠程控制、專家知識庫、后臺管理等模塊。

圖 1溫室大棚系統功能圖

3.2數據庫設計

數據是整個溫室大棚管理系統的基礎，各種傳感器采集的數據、視頻攝像數據、照片圖像數據，經過采集、處理、標準化、傳輸后，裝載到系統平臺的數據庫和文件系統中。根據我校溫室大棚實際情況分析出平臺系統應包含空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照度、二氧化碳濃度值、氮磷鉀營養值、酸堿度pH值等基本數據，視頻圖像、照片圖像等視頻圖像數據；設備及設備類型、編號、參數、運行情況等維護數據；設備控制命令、電機控制命令等控制數據；專家知識庫等專業知識數據；系統用戶、角色等系統基礎數據。

3.3數據庫表詳細設計

數據存儲系統邏輯劃分如下：

基礎業務信息數據庫：空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照度等與農作物成長密切相關的業務數據；

視頻圖像數據系統：采用文件系統存儲各種視頻、照片數據，有利于提高系統整體運行效率；

運行維護信息數據庫：設備基本信息——參數、類型、編號等，設備控制命令等數據；

專家知識庫：各種農作物成長條件知識案例等；

系統基礎信息數據庫：系統用戶、角色、模塊、登陸、日志等系統運行數據。

根據邏輯劃分，數據庫中大致包含20個表：dev_info（設備類型表）表示溫室大棚中各種傳感器、攝像頭、設備等類型及單位；dev_state（設備狀態表）表示dev_info中設備狀態是否正常及記錄時間；electromotor_rule（農產品環境參數設置）表存儲所種植農產品所必須的環境參數控制規則；notify_log（公告日志）存儲系統發布的公告等日志；notify_person（發布公告人員聯系信息）表示發布公告或通知中人員基本信息，用于環境參數無法調整到正常值時發送通知（后期手機平臺開發使用）；notify_rule_person（告警條件）表示農產品環境參數告警通知；picture_list（照片信息）表示溫室大棚實時畫面；sensor_dev（傳感器數據）表示傳感器采集到的實時環境參數；system_department（部門信息）表示使用系統的部門；system_dictionary_data（人員信息類別值）表示描述使用系統人員基本信息類別值；system_dicrionary_type（人員信息類別）表示描述使用系統人員信息類型；system_module（系統控制類型）表示本系統可控制的類型；system_role（角色權限）系統角色功能管理；system_role_module（角色模塊）系統角色模塊管理；system_user（用戶）系統用戶基本信息；system_user_department（用戶部門）用戶所在部門；system_user_operation（用戶操作記錄）記錄用戶基本操作信息；system_user_role（用戶角色）用戶所屬角色；video_history（歷史影像）備份歷史影像記錄。

3.4系統總體結構設計

整個系統采用Java2平臺開發，采用三層架構模式：展示層、業務層、持久層。展示層使用struts2、業務層使用spring、持久層使用ibatis。

傳感器值查詢采用直接查詢數據庫方式；視頻圖片查看采用封裝文件系統服務方式；接入模塊使用Java NIO進行開發，服務器與3G網關的通信都通過此模塊進行；數據入庫模塊對Ibatis和Java File IO進行封裝。

本系統的架構設計流程如圖2所示。

展示層是表示本系統以WEB網頁形式呈現，可提供給使用者友好的人機交互界面，同時也提供一定的安全性，確保角色對應用戶的權限。

業務層：用于訪問數據層，并根據展示層頁面需要進行一定的邏輯運算，封裝成接口反饋給展示層，以便調用。例如，本系統中需要對大棚環境基礎參數進行設置，展示層提供參數組合文字條件，本層編寫合理的組合運算規則，調用數據層，修改多個表的值。

持久層：持續獲取大棚實時信息，包括各類傳感器獲取到的環境參數、各類攝像頭捕獲到了實時圖像等信息。本層還負責將各種信息存入對應數據庫的表中，以供的訪問。所有對數據的增、刪、改、查均通過此層完成。本系統設計圖片文件的存儲權限，也是通過本層實現。本層所有數據均是通過3G網關傳輸然后存儲的，為了統一管理，特在此層根據接入模塊對數據進行封裝，具體實現如下：

獲取溫室大棚所有設備配置信息封裝接口：receiveAllDevices（）

發送設備命令封裝接口：sendCommand（device，command）

設置設備參數封裝接口：setParameter（device，command）

獲取傳感器設備值封裝接口：receiveData（device）

獲取圖片封裝接口：receivePicture（）

獲取現場視頻流：receiveVideoStream（）

獲取歷史視頻（通過ftp方式）：getVideo（startTime，endTime）

保存傳感器值到數據庫：saveData（device，data）

保存圖片到文件系統：savePicture（picture）

保存歷史視頻到文件系統：saveVideo（video）

圖 2系統架構設計流程圖

3.5系統實現

系統運行后的部分效果如圖3和圖4所示。

在圖3的首頁中，上邊為Log、視頻播放器、Android客戶端；左側為系統功能目錄，右側為大棚環境參數值、現場圖像、傳感器趨勢圖、設備狀態表； 圖4是大棚現場傳感器傳回的實時監控數據，數據中包含傳感器名稱、傳感器編號、傳感器地址、最新傳感器數據等現場信息。

圖 3物聯網智能農業大棚系統首頁

圖 4自然環境實時監控數據

4結語

本文簡單地總結了基于物聯網智能農業系統（溫室大棚控制系統）的設計思路及具體實現，目前，本系統正在我校溫室大棚中進行番茄種植的試運行，從現有的效果看，在PC機上能實現對大棚的自動化控制和檢測。后續我們將進行多種農作物的實驗，并豐富智能農業系統中的基礎數據，下一步，我們希望創建真正意義上的專家系統，集統計、分析、檢測混合型農作物數據為一體，為農業專家提供更豐富、方便、快捷的服務支持。

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