基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧種植系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

謝玲莉

[摘 要]文章提出的智慧種植系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用最先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智慧種植系統(tǒng)，以ZigBee技術(shù)為核心支撐技術(shù)，主要針對(duì)土壤、灌溉、光照、通風(fēng)、溫度、濕度等進(jìn)行綜合管理。自動(dòng)檢測(cè)影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境變量的實(shí)時(shí)變化。當(dāng)檢測(cè)到環(huán)境變量超過(guò)設(shè)定值時(shí)會(huì)采用報(bào)警方式或者自動(dòng)采取應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行處理，并且可以隨時(shí)隨地檢測(cè)農(nóng)業(yè)狀態(tài)。

[關(guān)鍵詞]智慧種植；ZigBee；物聯(lián)網(wǎng)

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2017.06.063

1 引 言

目前大多數(shù)農(nóng)業(yè)管理都得靠人工完成，例如農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的檢測(cè)與維護(hù)都得依靠人工來(lái)完成，耗費(fèi)大量人力物力，效率低，而且每天重復(fù)性工作比較多。近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國(guó)掀起一股產(chǎn)業(yè)化熱潮，在農(nóng)業(yè)行業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用促使農(nóng)業(yè)進(jìn)入精細(xì)化、現(xiàn)代化階段，智能化栽培系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅能更科學(xué)地進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)種植，而且能提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。并可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品可追溯的生產(chǎn)過(guò)程，為農(nóng)產(chǎn)品提供附加價(jià)值和收入。

本文采用的ZigBee技術(shù)是一種短距離、雙向無(wú)線通信技術(shù)且具有低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度、低成本，物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線數(shù)據(jù)終端可以使用ZigBee模塊，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能為用戶提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧種植系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植技術(shù)生產(chǎn)工具比較落后，規(guī)模較小，受天氣環(huán)境的影響比較大，不能實(shí)時(shí)對(duì)所種植物進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)管。因此，我們采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智慧種植系統(tǒng)，大棚內(nèi)的農(nóng)產(chǎn)品生長(zhǎng)過(guò)程可以通過(guò)現(xiàn)代信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)準(zhǔn)確掌握，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的生育進(jìn)程、生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和趨勢(shì)分析，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)種植生產(chǎn)中存在的問(wèn)題，并根據(jù)出現(xiàn)的相關(guān)問(wèn)題制定相應(yīng)的對(duì)策，指導(dǎo)精細(xì)化種植生產(chǎn)，提高大棚精細(xì)化種植生產(chǎn)能力，促進(jìn)企業(yè)及農(nóng)戶增產(chǎn)增收。

智慧種植系統(tǒng)的組成包括如下幾個(gè)子系統(tǒng)：

（1）環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)環(huán)境（室內(nèi)溫濕度、土壤pH值、CO2濃度、光照強(qiáng)度、日照強(qiáng)度等）信息的采集、傳輸。

（2）設(shè)備控制系統(tǒng)：包括供電系統(tǒng)、光照系統(tǒng)、噴灌系統(tǒng)、熱水冷曖系統(tǒng)、內(nèi)遮陽(yáng)系統(tǒng)、節(jié)能環(huán)保系統(tǒng)等，噴灌系統(tǒng)實(shí)行按需灌溉，即農(nóng)作物需要多少水就灌溉多少水，可支持噴淋、滴灌等多種設(shè)備；減少用電浪費(fèi)，利用太陽(yáng)能，降低照明用電，進(jìn)行節(jié)能減排；光照系統(tǒng)可以控制光照時(shí)間。

（3）視頻監(jiān)控系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)情況的視頻監(jiān)控；提供對(duì)大棚內(nèi)進(jìn)出人員狀態(tài)監(jiān)控；提供對(duì)工作人員工作狀態(tài)監(jiān)督。

（4）應(yīng)用管理平臺(tái)：實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的匯總、展示、比對(duì)控制；提供閾值設(shè)置功能，例如當(dāng)溫濕度超過(guò)設(shè)定值的時(shí)候，自動(dòng)開啟或者關(guān)閉指定設(shè)備；對(duì)完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)做出相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)報(bào)表，并做出趨勢(shì)分析；提供平臺(tái)賬號(hào)與權(quán)限管理功能。

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的智慧種植網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧種植系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 基于ZigBee的智慧種植平臺(tái)架構(gòu)

先進(jìn)的ZigBee無(wú)線模塊通信技術(shù)應(yīng)用于智慧種植平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，通常情況下按層次結(jié)構(gòu)劃分為：物聯(lián)網(wǎng)感知層、物聯(lián)網(wǎng)傳輸層、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)層和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層。

（1）物聯(lián)網(wǎng)感知層主要由ZigBee 傳感器節(jié)點(diǎn)、射頻識(shí)別設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備和其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成，通過(guò)ZigBee節(jié)點(diǎn)、LAN節(jié)點(diǎn)等通信模塊可以將數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲取到的數(shù)據(jù)傳送至物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)，可對(duì)獲取的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)與采集，經(jīng)傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳到相關(guān)農(nóng)業(yè)智能管理系統(tǒng)中；此外，監(jiān)控中心可向下層應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)送控制命令，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)傳送到相關(guān)控制設(shè)備，遙控農(nóng)業(yè)設(shè)施自動(dòng)開啟或者關(guān)閉（如智能澆灌等），實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的改善。

（2）物聯(lián)網(wǎng)傳輸層通過(guò)LAN網(wǎng)絡(luò)，WLAN網(wǎng)絡(luò)，GPRS和4G等的相互融合，現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)信息和上層控制命令能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行傳輸與交互。

（3）物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)層對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理。

（4）物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶之間的接口，主要包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境管理、農(nóng)業(yè)疾病識(shí)別與治理。例如：利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)獲取種植物生長(zhǎng)環(huán)境的溫濕度、光照強(qiáng)度等，并根據(jù)各類信息進(jìn)行自動(dòng)灌溉、施肥、噴藥、調(diào)溫控光等操作，對(duì)異常信息進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的智能化控制與管理。

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的智慧種植網(wǎng)絡(luò)系架構(gòu)圖如圖2所示。

3.2 基于ZigBee的智慧種植功能實(shí)現(xiàn)

（1）通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感器實(shí)時(shí)采集農(nóng)作物生長(zhǎng)現(xiàn)場(chǎng)的的相關(guān)數(shù)據(jù)：土壤含水量、氣象數(shù)據(jù)、溫濕度、及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)獲取農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況等信息，實(shí)時(shí)記錄農(nóng)作物的生長(zhǎng)過(guò)程，對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行遠(yuǎn)程查看，同時(shí)，對(duì)采集的信息進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換和匯總后，經(jīng)過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳到管理中心，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析來(lái)決定處理動(dòng)作；系統(tǒng)按照農(nóng)作物生長(zhǎng)的各項(xiàng)指標(biāo)要求，可完全自動(dòng)化運(yùn)行，遠(yuǎn)程控制生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉、排風(fēng)、降溫除濕等工作。

（2）根據(jù)作物種植所需的生長(zhǎng)環(huán)境條件，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警設(shè)置。當(dāng)傳感器連續(xù)3次采集數(shù)超過(guò)設(shè)定的正常值范圍，系統(tǒng)管理平臺(tái)會(huì)馬上提示環(huán)境異常，將可能出現(xiàn)的異常情況采用短信的方式發(fā)送到綁定的手機(jī)上。一旦有異常情況發(fā)生，系統(tǒng)將根據(jù)種植物的需求提供各種聲光報(bào)警信息和短信報(bào)警信息給管理員，如土壤缺水、高溫預(yù)警、高濕預(yù)警等。當(dāng)環(huán)境指標(biāo)超過(guò)正常范圍值時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)到的參數(shù)，可自動(dòng)開啟有關(guān)設(shè)備，如自動(dòng)灌溉、自動(dòng)降溫、自動(dòng)噴藥等，將各項(xiàng)指標(biāo)控制在作物適宜生長(zhǎng)的范圍內(nèi)。

（3）在大棚安裝數(shù)個(gè)攝像頭，通過(guò)電子屏幕可以播放生產(chǎn)基地所種植物的生產(chǎn)過(guò)程，如種植、加工等。大棚內(nèi)的種植物需要進(jìn)行種植、除草、施肥施藥、收割等，工作人員進(jìn)入大棚進(jìn)行農(nóng)事活動(dòng)時(shí)需刷卡記錄，智慧種植系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)這些農(nóng)事信息，在系統(tǒng)記錄農(nóng)產(chǎn)品從種植時(shí)間、種植基地、農(nóng)事活動(dòng)、采摘質(zhì)檢、包裝運(yùn)輸?shù)热a(chǎn)業(yè)鏈信息，實(shí)現(xiàn)從少到多，從地頭到餐桌的全程可追溯。

4 結(jié) 論

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中改變了目前大多數(shù)農(nóng)業(yè)管理都得靠人工完成的農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)管理方式，同時(shí)也提高所種植物疫情疾病的防控能力，確保農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。智慧農(nóng)業(yè)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品的管理與控制進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)，以信息網(wǎng)絡(luò)為中心的智慧農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式有著重要意義。

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