基于物聯網的農業大棚信息感知系統設計

趙建強

摘 要：為提高農業生產的智能化水平，通過對農業物聯網的研究，基于物聯網透徹感知、可靠傳輸和智能處理作用的特點，研發設計了農業大棚信息感知系統。整個系統由傳感器、現場控制節點、GPRS無線網絡和智能監測管理系統組成。詳細描述了系統數據采集模塊的軟件功能、服務器通信協議、數據處理流程和Web智能監控系統功能。該系統在農業園區的部署運行表明，系統性能穩定可靠，易于使用，擴展維護方便，具有較高的推廣應用價值。

關鍵詞：物聯網;傳感器;GPRS;Web

中圖分類號：TP18 ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-1302（2015）09-00-02

0 ?引 ?言

隨著物聯網技術的快速發展和不斷成熟，物聯網技術為現代農業發展帶來了新的發展模式和支撐技術。物聯網具有全面感知，可靠傳送和智能處理三大特征。物聯網技術可利用其“感知，傳輸和控制”為農業提供智能信息技術。

在物聯網技術的支撐和推動下，出現了智能農業和精準農業的概念。精準農業通過農業地理信息系統（GIS）、農業專家系統（ES）、遙感監測系統（RS）和全球定位系統（GPS）等自動化控制系統的應用，精確調整土壤的施肥、濕度、用藥等，最大限度的降低農業資源消耗，提高產量，降低環境污染，節約成本，達到環境、資源、經濟協調可持續發展。

農業大棚是精準農業中的核心要素，要實現農業生產的精準和智能，必須解決大棚中環境監測和控制的問題，傳統依靠人力監測和控制的方法存在費時費力，低效以及人對環境影響等問題。本文基于物聯網技術設計構建了農業大棚信息感知系統，并通過在大棚內部署各類無線傳感器和網絡傳輸設備，實時采集大棚內的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照、二氧化碳濃度等數據，再上報到網關節點，通過無線網絡傳輸到遠程管理端，使管理者可以利用手機或遠程計算機實時監測農作物現場的環境狀態信息，并且可以根據監測數據遠程開啟或關閉指定的調節設備（如遮陽簾、澆灌系統、風機、加熱器等），調節大棚中農作物的生長條件，實現遠程智能化管理。

1 ?信息感知系統的功能架構

農業大棚信息感知系統總體分為三層網絡結構。圖1所示為農業大棚信息感知系統的架構圖。圖中最底層是最末端，也是無線傳感器節點，數據傳輸層采用CDMA/GPRS無線網絡，最上層的管理控制基于互聯網絡。末端的傳感器節點基于ZigBee無線通信協議組網。ZigBee是一種短距離無線通信協議，具有功耗低，自組織網，部署靈活和低成本的特點，非常適用于農業數據信息的采集。數據傳輸層由各網關節點（匯聚節點）和CDMA/GPRS無線網絡組成，負責傳感器節點采集信息的收集、存儲和傳輸，同時負責上層指令的收發，遠程參數設置等功能。最上層的管理控制端構建在互聯網上，由數據服務器、Web管理控制應用服務和各個客戶端組成，服務器負責實時接收來自各網關節點的信息，完成數據的解析和存儲。Web管理控制應用服務實現各傳感器節點數據的分析、匯總、查詢、統計和圖表展示以及遠程指令的下達。這樣，授權用戶無論在何時何地，只要登錄系統就可以實時查看各大棚的情況，并可以通過Web的方式控制大棚中的滴灌、卷簾門、溫度、遮陽簾等設備，實時調整大棚中作物的生長環境。

圖1 ?農業大棚信息感知系統架構

2 ?系統設計

2.1 ?終端數據采集設計

終端數據采集就是利用部署在農業大棚中的各類傳感器，周期性地采集土壤的溫濕度、大氣溫濕度、光照強度和二氧化碳濃度等數據，并將采集的數據通過ZigBee協議或串行接口傳輸到現場控制節點（網關節點），現場控制節點（網關節點）對數據處理后通過GPRS/CDMA等無線網絡將數據上傳到服務器。

土壤溫濕度感知通過土壤溫濕度傳感器完成。本系統選用YSHT5-5型土壤溫濕度傳感器，濕度測量范圍為0～100%RH，精度為±1.8%RH，溫度測量范圍為-40～+123.8 ℃，精度為±0.3 ℃，功耗為80 μW。該傳感器適用于多種類型的栽培基質。空氣溫濕度傳感器選用簡單耐用的HMP60溫濕度傳感器，溫度精度±0.6 ℃，濕度精度±3%RH，工作環境溫度為-40～60 ℃。二氧化碳濃度傳感器選擇BMG-CO2-NDIR防護型二氧化碳傳感器，檢測分辨率為±10 ppm，測量精度為±5%，工作環境溫度為0～50 ℃，工作環境濕度為0～100%RH，工作電壓為24 VDC，該傳感器具有較高的靈敏度，受溫度變化的影響較小。

2.2 ?服務器通信協議和軟件設計

服務器（上位機）主要完成數據的接收、存儲和處理的功能。使用C# Winsock完成網關節點傳輸的數據的解析、處理、存儲和分析。利用C#開發Win Service異步數據處理服務進程程序，數據庫采用SQL Server2008。服務進程安裝在服務器上并設置為開機啟動，服務進程持續監聽特定端口。數據通信協議如圖2和表1所示。

數據處理流程是服務器持續監聽設定的通信端口。如果網關節點有數據上報，則接收并解析上報數據，如果上報數據格式錯誤則丟棄，否則解析數據，并將解析后的數據按照數據類別存儲到對應的數據表中。服務進程同時會周期性的從命令數據表中查詢下達到網關節點的命令，如果查詢到有新的命令，則按照通信協議，構造下發命令的數據包，發送給網關節點，并等待命令執行的返回結果。

圖2 ?數據包組成圖

（1）網關節點上報數據示例CN=1210;MN=20050708S00001;SN=00007;CP=&&DataTime=20081028110346;01-Rtd=20.910;02-Rtd=46.907;03-Rtd=536.000;04-Rtd=931.000&&

（2）感知節點上報數據示例CN=1212;MN=20050708S00001;SN=00007;CP=&&DataTime=20081028110138;State=3.734&&

（3）大棚控制命令示例QN=20080114093600000;CN=3096;MN=20050708S00001;SN=00002;CP=&&IO0=1;IO1=0&&

表1 ?數據段結構

名稱 類型 長度 描述

請求編號QN 字符 20 精確到毫秒的時間戳：QN=YYYYMMDDHHMMSSZZZ，用來唯一標識一個命令請求，用于請求命令或通知命令

命令編號CN 字符 4 命令編號見6.5中命令列表

網關節點

唯一標識MN 字符 14 網關把該編號固化到非易失存儲器中，用作網關自身的身份識別。編碼規則：前7位是設備制造商組織機構代碼的后7位，后7位是設備制造商自行確定的此類設備的唯一編碼

感知節點

唯一標識SN 字符 5 感知節點把該編號固化到非易失存儲器中，用作感知節點自身的身份識別。編碼規則：暫無。

總包號PNUM 字符 4 PNUM指示本次通訊總共包含的包數

包號PNO 字符 4 PNO指示當前數據包的包號

數據CP 字符 0≤n≤960 CP=&&數據區&&

2.3 ?Web監測和控制端設計

Web信息監測和控制模塊實現的主要功能是將采集的現場數據以形象、直觀的圖表方式展示給管理者，并提供對大棚設備的遠程控制功能。該模塊采用B/S架構設計， 基于Asp.net開發，可實現系統用戶授權管理、系統信息配置、大棚設備控制、傳感器數據匯總查詢、傳感器數據實時展示等功能。圖3所示為Web展示的控制端系統界面。

圖3 ?Web展示控制端系統界面

管理人員經授權登錄此系統后，可以查看各個大棚的實時和歷史環境數據，比如大棚實時的土壤溫濕度、土壤溫濕度的歷史匯總數據等。還可以根據當前大棚內環境的實際情況，向大棚風扇、滴灌、補光、加溫和卷簾等設備發送控制指令，調節大棚內的溫濕度、光照、通風等，實現大棚環境的精準控制。

大棚的管理控制命令主要包括風機控制、遮陽簾控制、室內溫濕度控制、灌溉控制四個方面。風機控制的主要作用是調節大棚內的溫濕度和二氧化碳濃度。當大棚內濕度過高時，通過開啟風機實現大棚空氣快速流動，從而降低濕氣。在大棚溫度、二氧化碳濃度過高時，通過通風也能降低溫度和二氧化碳濃度。遮陽簾的主要作用是控制大棚內空氣溫度和光照強度。在大棚內溫度過高、光照強度太高時放下遮陽簾，在夜間通過拉上遮陽簾可以保持大棚內溫度。室內燈光控制可在光照強度不高的陰天或者夜間通過開啟補光燈來增加大棚內的光照強度，促進作物的光合作用、降低二氧化碳濃度等。室內溫濕度控制，包括加溫和降溫操作。降溫一般采用遮光、濕簾、通風等操作解決。加溫的方式采用熱水加溫和熱氣加溫，利用管道在大棚內循環散發熱量等。增加濕度則可以通過噴霧或地面灑水等進行，降濕主要采用通風、使用干燥劑等方式。灌溉控制，灌溉控制的主要作用是在監測到土壤濕度不夠時，通過開啟灌溉設備對農作物進行澆水。

3 ?結 ?語

本文提出的這種基于物聯網的農業大棚信息感知系統，可對大棚內農作物生長環境進行實時跟蹤和控制，避免了人工實地檢測耗時耗力，獲取數據有限，并容易出錯等問題。管理人員可以隨時隨地通過Web端實時查看大棚環境情況并能根據當前大棚環境數據，遠程控制大棚作業設備，調節大棚中的空氣溫濕度、光照強度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度等，真正實現農業生產的精準化、自動化、智能化。系統開發成功后部署到農業園區的實際應用效果表明，系統運行穩定可靠、維護方便，易于擴展，具有較高的推廣應用價值。

參考文獻

[1] 段益群，劉國彥.基于物聯網的智慧農業大棚系統設計[J].軟件工程師，2013（12）：33，37.

[2]常超，鮮曉東，胡穎.基于WSN的精準農業遠程環境檢測系統設計[J].傳感技術學報，2011，24（6）：799-833.

[3]張軍國，賴小龍，楊睿茜，等.物聯網技術在精準農業環境監測系統中的應用研究[J].湖南農業科學， 2011（15）：173-176.

[4]柳平增，孟祥偉，田盼，等. 基于物聯網的精準農業信息感知系統設計[J].計算機工程與科學， 2012（3）： 137-141.

[5]聶洪淼，焦運濤，趙明宇. 物聯網技術在精準農業領域應用的研究與設計[J].自動化技術與應用， 2012， 31（10）：89-91.