物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃鑫 德宏師范高等專科學(xué)校 信息學(xué)院

關(guān)鍵字：物聯(lián)網(wǎng) 農(nóng)業(yè) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前言

改革開放造就了云南省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展30 多年的騰飛，工業(yè)及服務(wù)業(yè)發(fā)展迅猛，取得了巨大的成就。但傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)還是存在著周期長(zhǎng)、抗風(fēng)險(xiǎn)能力低的特點(diǎn)，這也決定了人口從農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)移到其他產(chǎn)業(yè)、從農(nóng)村流向城市是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)。農(nóng)村人口流入城市，一方面導(dǎo)致農(nóng)業(yè)人口減少，不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全；另一方面也為土地集約化生產(chǎn)以及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程奠定了基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正在加快向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，而農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)未來發(fā)展的趨勢(shì)。2016 年黨的《“十三五”全國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化發(fā)展規(guī)劃》、《國(guó)家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》等政策綱領(lǐng)性文件明確指出“信息化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的制高點(diǎn)”, 加快農(nóng)業(yè)、農(nóng)村信息化的發(fā)展, 培育和建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)等新興產(chǎn)業(yè)。

云南省地勢(shì)呈現(xiàn)西北高、東南低，自北向南呈階梯狀逐級(jí)下降，屬山地高原地形，山地面積占全省總面積的88.64%[2]。存在著海拔高、緯度低、多季風(fēng)、多山原、平地少, 水源分布不均的特點(diǎn)，農(nóng)業(yè)科技水平比較低。因此，如何通過現(xiàn)代科技生產(chǎn)出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品，同時(shí)解放勞動(dòng)生產(chǎn)力就成為我省迫切需要解決的問題。“農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”也被成為智慧農(nóng)業(yè)，它是傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)交叉融合，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的遠(yuǎn)程診斷、自動(dòng)控制、災(zāi)變預(yù)警等智能管理。基于這一需求,本文結(jié)合傳感器、Zigbee、大數(shù)據(jù)云平臺(tái)、設(shè)計(jì)了一種“智能”“便捷”的農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)。通過對(duì)各種傳感器獲取的溫濕度、光照度、p H 值、CO2 含量、土壤養(yǎng)分等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并進(jìn)行相應(yīng)的控制，確保作物生長(zhǎng)的最佳生成環(huán)境。遠(yuǎn)程控制可以為技術(shù)人員通過各類傳感器來獲取農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)精確控制合理生長(zhǎng)因素提供科學(xué)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了減少人力成本、實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收、提高產(chǎn)品品質(zhì)等目標(biāo)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合了傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、動(dòng)植物養(yǎng)殖技術(shù)等多種技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)動(dòng)植物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)控,將傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取到的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，由云服務(wù)器上運(yùn)行的農(nóng)業(yè)決策系統(tǒng)根據(jù)建立的動(dòng)植物生長(zhǎng)環(huán)境模型自動(dòng)控制農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)動(dòng)植物生長(zhǎng)的全程自動(dòng)化科學(xué)調(diào)控。物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，順應(yīng)了農(nóng)業(yè)人口轉(zhuǎn)移至城市的趨勢(shì)，提高了農(nóng)業(yè)精細(xì)化管理水平和生產(chǎn)效率，保障了我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全和農(nóng)業(yè)產(chǎn)品安全。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)由三層架構(gòu)組成，分別為：感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。

1.1 感知層技術(shù)

傳感器技術(shù)是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ),是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)終端。傳感器主要收集影響動(dòng)植物生長(zhǎng)的環(huán)境因素信息,包括光照、溫濕度、水含量、土壤肥料以及用于監(jiān)測(cè)危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的動(dòng)物的紅外測(cè)溫傳感器。同時(shí)還包括各類其他環(huán)境數(shù)據(jù),如NH3或SO2、煙火、大氣壓力、酸堿度等參數(shù)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)

環(huán)境信息傳輸是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的中間層技術(shù)。無線網(wǎng)絡(luò)是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中最常用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布在整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域。在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)中,常用的技術(shù)主要有WLAN、藍(lán)牙、GPRS/3G/4G、NB-IoT、ZigBee 等技術(shù)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中不可忽視的因素有成本、可靠性及能耗，綜合考慮各種因素，本文選擇Zig Bee 技術(shù)。

1.3 應(yīng)用層技術(shù)

由傳感器獲取到的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸?shù)皆品?wù)器上運(yùn)行農(nóng)業(yè)決策系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，為農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)決策系統(tǒng)根據(jù)大數(shù)據(jù)分析得出動(dòng)植物在不同時(shí)期生長(zhǎng)的關(guān)鍵要素，通過指令集對(duì)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行控制，調(diào)整動(dòng)植物的生長(zhǎng)環(huán)境。同時(shí)，為了便于物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的管理人員快速的進(jìn)行操作，使用了移動(dòng)設(shè)備的開發(fā)技術(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 感知層硬件設(shè)計(jì)

利用光敏/熱敏傳感器、土壤溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、二氧化碳濃度傳感器、空氣溫濕度傳感器獲取相應(yīng)參數(shù), 準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)影響作物生長(zhǎng)的環(huán)境因素, 促進(jìn)作物高效高產(chǎn)，這是提高農(nóng)業(yè)整體效益的關(guān)鍵。考慮到農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以后不易維護(hù)，而傳感器的數(shù)量較多，因此傳感器的可靠性是必須考慮的因素，所以傳感器選用了工業(yè)級(jí)傳感器。同時(shí)，雖然用于收集農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器工作頻率不高，能量消耗不大，本文并未考慮采用太陽(yáng)能充電的方式為傳感器電路的電池模塊進(jìn)行供電。光敏電路如圖1 所示。

圖1 光敏電路

2.2 網(wǎng)絡(luò)層硬件設(shè)計(jì)如下

Zig Bee 是一種短距離低速傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，底層是采用IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體訪問層與物理層。Zigbee 的傳輸距離為十米左右，使用頻段為免費(fèi)的2.4GHz 與900MHz 頻段，傳輸速率為20kbps 至250kbps。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，Zig Bee技術(shù)的低功耗、低速率是最適合作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)，這將成為未來Zigbee 技術(shù)主要的發(fā)展方向。此外，Zigbee 具備低功耗、低成本、低速率、近距離、短延時(shí)、高容量、高安全、無需執(zhí)照頻段的特點(diǎn)。由ZigBee 構(gòu)成的自組網(wǎng)中有三種狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，分別是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器是自組網(wǎng)中的網(wǎng)關(guān)，一般是由網(wǎng)絡(luò)中第一個(gè)啟動(dòng)的Zigbee 節(jié)點(diǎn)扮演這個(gè)角色，該節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)初始化網(wǎng)絡(luò)，其他節(jié)點(diǎn)在搜索到其信號(hào)范圍內(nèi)存在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)加入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)。路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將距離比較遠(yuǎn)的終端節(jié)點(diǎn)連接入網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送自身數(shù)據(jù)，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)。Zigbee 電路如圖2所示。

圖2 zigbee 電路圖

2.3 應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)包括節(jié)點(diǎn)的控制程序、網(wǎng)關(guān)控制程序、Web 端控制程序、移動(dòng)端控制程序。

(1）節(jié)點(diǎn)的控制程序

節(jié)點(diǎn)的控制程序主要是由C 語(yǔ)言開發(fā)的單片機(jī)程序，控制單片機(jī)從指定端口獲取傳感器數(shù)據(jù)，將接受到的環(huán)境數(shù)據(jù)交由Zig Bee模塊傳輸出去。這部分程序的開發(fā)工具是matlab、Visio、中望cad、PROTEUS、LabVIEW 等。

(2）Web 端程序

Web 端程序主要作為數(shù)據(jù)中心，對(duì)節(jié)點(diǎn)傳送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行農(nóng)業(yè)科學(xué)分析，對(duì)作物成長(zhǎng)模型進(jìn)行建模，可以對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)按照建模算法進(jìn)行大數(shù)據(jù)挖掘，由得到的結(jié)果反饋于農(nóng)業(yè)成產(chǎn)過程，對(duì)作物生長(zhǎng)進(jìn)行精細(xì)化管理。

(3）網(wǎng)關(guān)控制程序

網(wǎng)關(guān)控制程序主要是由Java 語(yǔ)言開發(fā)的Android 程序，主要運(yùn)行在棚內(nèi)、棚外的網(wǎng)關(guān)設(shè)備上，這些設(shè)備可以手機(jī)節(jié)點(diǎn)傳送來的環(huán)境數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示，也可以通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備控制棚內(nèi)、棚外的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)置完成溫濕度控制、光照控制、噴水肥、通風(fēng)等操作。

棚內(nèi)網(wǎng)關(guān)控制程序如圖3 所示，界面顯示四個(gè)按鈕，分別是溫度、濕度、二氧化碳和土壤水分。點(diǎn)擊按鈕會(huì)彈出提示框顯示最新保存在本地的記錄，此記錄將會(huì)作為某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。每個(gè)按鈕下面將會(huì)實(shí)時(shí)顯示從傳感器采集到的數(shù)據(jù)（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示區(qū)位置）。而右邊是安全閥值的設(shè)定。當(dāng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)超出設(shè)定的安全范圍時(shí)，傳感器顯示的數(shù)值顏色將變?yōu)榧t色，并觸發(fā)警報(bào)和控制相應(yīng)的外部設(shè)備，達(dá)到自動(dòng)控制的效果。

圖3 棚內(nèi)網(wǎng)關(guān)控制程序

棚外網(wǎng)關(guān)控制程序如圖4 所示，界面顯示六個(gè)按鈕，分別是溫度、濕度、風(fēng)速、大氣壓力、雨雪天氣和光照。點(diǎn)擊按鈕會(huì)彈出提示框顯示最新保存在本地的記錄，此記錄將會(huì)作為某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。每個(gè)按鈕下面將會(huì)實(shí)時(shí)顯示從傳感器采集到的數(shù)據(jù)。

圖4 棚外網(wǎng)關(guān)控制程序

（4）移動(dòng)端控制程序

移動(dòng)端控制程序呈現(xiàn)在界面上的是遮陽(yáng)簾、植物生長(zhǎng)燈、換氣風(fēng)扇、加熱器、自動(dòng)澆灌5 種設(shè)備控制如圖5 所示。

圖5 移動(dòng)端遠(yuǎn)程控制界面

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)首先分析了系統(tǒng)的總體框架，然后分析了物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的部分軟件和硬件設(shè)計(jì)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì), 時(shí)刻觀察溫度、濕度、光照、風(fēng)速、CO2、大氣壓力、土壤養(yǎng)分等參數(shù)變化，及時(shí)調(diào)整控制設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)遮陽(yáng)簾、植物生長(zhǎng)燈、換氣風(fēng)扇、加熱、自動(dòng)澆灌等的全面控制，節(jié)省更多人力資源，提高溫室控制質(zhì)量。