基于物聯網的智慧農業大棚系統架構設計

張海蘭，雷桂平

（廣東科技學院計算機系 廣東 東莞 52083）

基于物聯網的智慧農業大棚系統架構設計

張海蘭，雷桂平

（廣東科技學院計算機系 廣東 東莞 52083）

智慧農業是物聯網技術在農業生產領域的應用而誕生的一種現代農業生產模式。本文基于物聯網技術設計出惠及農業生產的智慧農業大棚系統，著重介紹系統框架各子系統的功能設計以及該系統的應用價值。

智慧農業；物聯網；系統架構設計

1 引言

民以食為天，農業的生產有著重要的作用，如何提高農產品的產出，各國也在這方面投入很多的精力。發達國家如荷蘭大力發展集約化的農業溫室大棚產業，大棚內溫濕度、光照、肥料等實現了計算機調控，從種植品種的選擇、栽培管理到成果采收形成了一套標準化的技術體系[1]。而我國農業仍以傳統種植方式為主，主要采用手動操作方式，人力投入比較大，受自然環境條件影響較多，缺乏科學管理手段，現代化程度低下，導致農業產出附加值低。隨著農業現代化技術的日趨成熟，智慧農業已經成為打破傳統農業弊端的一種新型農業模式。因此，智慧農業大棚系統的設計具有重要的現實意義。

2 系統設計

現階段，智慧農業還存在以下幾個方面的問題：溫室測控系統的通信仍然采用有線方式；缺少基于農業專家知識的管理系統；數據采集主要集中在植物生長外在環境，無法反饋植物生長的真實狀態；沒有基于溫室群的控制。這樣降低了生產管理的效率，不便于管理、維護、升級及數據共享。本文針對以上問題，提出了基于物聯網技術監控植物生長，并通過數據采集建立植物生長模型的智慧農業大棚系統。該系統主要針對華南地區的一兩種植物開展研究，將棚內監測、農情數據采集與搭建植物模型相結合，并通過云服務技術，使其各個環節形成一個監測及控制的良性數據閉環，實現農業生產與信息數據相結合，能夠很好的順應農業與物聯網行業發展需求，具有潛在的巨大經濟效益和廣闊的市場前景。

3 系統架構

該系統由基于物聯網的農業大棚監控子系統[2]、植物圖像識別子系統、云服務子系統及植物生長模型子系統組成。通過使用無線傳感器網絡獲取精確的作物環境和作物信息，結合植物生長模型的數據整合及預測功能，實現科學化精準管理，智慧化分析與處理，高效地將植物模型科研成果轉化為實際生產力。

3.1 農業大棚監控子系統

物聯網智慧農業的大棚監控子系統由農業大棚、傳感器（如土壤溫濕度傳感器、大氣溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器[2]、光照強度傳感器、土壤酸堿度傳感器等）、執行器（如灌溉系統、排風系統、卷簾控制系統等）、Zigbee端節點、Zigbee嵌入式網關和攝像頭組成[3]。

3.2 云服務子系統

云服務是基于互聯網的數據處理分析服務。之前的技術無法在有限時間完成海量數據的分析與處理，而最新的大數據技術的發展正是能解決這種困境的最新方案。大數據技術適用于處理傳感器與攝像頭采集到的大量的植物生長數據，通過大棚監控系統采集到的植物數據信息上傳到云服務，整合數據信息根據圖像識別與處理技術可以在軟件中形成某植物的植株模型[4]。

3.3 植物圖像識別子系統

植物圖像識別子系統，是替代傳統人工識別的技術手段，能自動實時精準識別出植物的生長狀態，減少人力投入，避免人為因素的失誤，方便存儲及數據利用。本文利用棚內監控系統中的攝像頭實時記錄植物的生長狀態，并結合紅外線傳感器獲得植物生長過程中植株體內的熱量分布數據，可以通過分析數據判斷植物生長的一些情況，如植株莖、葉、花等生長時在外界溫濕度光照肥料等因素影響下體內的活躍程度。

3.4 植物生長模型子系統

植物生長模型子系統是以植物的生長過程為研究的對象，利用統計和數學作為抽象的工具，構造一個相對簡單但是能夠如實反映客觀世界中真實的植物生長形態過的數學描述模型。傳感器監測和圖像識別技術采集到的植物生長數據，經由云服務平臺處理，可以搭建出植物生長的模型，從而可以獲得每一時刻植物的生長狀態。該模型的建立，有助于根據植株本身的情況及時調整棚內的供氧供陽通風灌溉給肥等子系統，為植物生長提供最佳環境。

4 智慧農業大棚系統功能及未來發展

智慧農業大棚系統通過采集農業傳感器數據及植物不同生長狀態的圖像識別結果，利用網絡結合大數據平臺高效分析，利用植物生長模型及云服務，使用物聯網智慧農業大棚系統更加精確的控制植物生長對環境的各項指標要求，及時調整并滿足大棚內相應植物生長所需求的溫室環境，從而達到高幅增產和提高農業智慧化水平的目的。

隨著物聯網技術的成熟與應用普及，智慧農業將進一步從單一的大棚溫室室內控制轉變為田野農業生產控制，實現土地資源的高集成度生產管理，又確保農業的產品高產出。近年的自然災害，已經嚴重降低了我國的糧食儲備量，高投入低產出也使得農民愈加放棄農業種植轉入到外出打工，這種現狀既不利于國家的安穩也加大城市就業壓力，因此緩解三農問題，讓農業生產為國民謀福利，信息化的農業大生產將在國家未來發展中占有舉足輕重的地位。基于物聯網的大棚系統只是傳統農業發展的第一步，但隨著物聯網技術尤其是無線網絡技術的發展，圖像處理技術的提升，云服務的應用，提高從事農業生產者的技術水平，促進農業經濟發展，促使傳統農業生產向智慧農業轉變，智慧農業模式將有著巨大的應用空間，產業前景非常光明。

[1]杜駿喜.設施農業環境智能化監控系統設計[D].沈陽農業大學，2004.

[2]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，2013(12):35-35.

[3]龐娜，程德福.基于ZigBee無線傳感器網絡的溫室監測系統設計[J].吉林大學學報(信息科學版)，2010，28(1):55-60.

[4]孫忠祥.基于設備云平臺的智能農業溫室大棚遠程監控系統的實現[D].哈爾濱理工大學，2017.

TN929.5;TP391.44 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）02-0063-02

廣東科技學院自然科學類項目（項目編號GKY-2016KYZD-8）

張海蘭（1989-），女，河南駐馬店人，碩士研究生，研究方向：信號與信息處理，物聯網，嵌入式。

雷桂平（1982-），男，廣東科技學院講師，研究方向：軟件開發。