基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)系統(tǒng)設計

梁楚軼 張義 名揚 黃樹琳

摘 要：中國自古以來就是農(nóng)業(yè)大國，而傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)僅憑經(jīng)驗施肥灌溉，不但會浪費大量的人力物力，也對環(huán)境造成了一定的污染，不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。在南方，畜牧業(yè)比較少見，而漁業(yè)卻很常見。桑基魚塘是近代漁業(yè)一種新型養(yǎng)殖方式，其依賴于人力，需要頻繁地打理、照料。所以，如何順應新時期和諧社會對農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)（漁業(yè)）生產(chǎn)的要求，利用現(xiàn)有的技術和平臺來設計一個滿足要求的新系統(tǒng)，成為一個越來越迫切的課題。

關鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)；ZigBee通信；WiFi技術；MQTT協(xié)議

引言

智慧農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)最終是希望能夠為一線的農(nóng)戶一個簡單、直觀、高效的監(jiān)測和管理系統(tǒng)，系統(tǒng)核心目標在于對農(nóng)作物與畜牧業(yè)生長密切相關的環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測，當終端設備監(jiān)測到種植地與魚塘的環(huán)境參數(shù)偏離了農(nóng)作物與魚類的最佳生長要素時，可以通過終端設備可下達控制命令，自動打開或關閉相應的環(huán)境調節(jié)，從而使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)恢復正常，達到增加農(nóng)作物產(chǎn)量和提高經(jīng)濟效益的目的，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化。

1 智慧農(nóng)業(yè)終端的設計與實現(xiàn)

基于模塊化的設計思想，智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控終端的設計分為五個部分，第一模塊是主控CPU部分，使用Arduino UNO單片機作為監(jiān)測終端的處理器；第二部分是數(shù)據(jù)采集部分，使用溫濕度、光照度、水蒸氣、土壤濕度和酸堿度等傳感器來采集農(nóng)業(yè)環(huán)境中的數(shù)據(jù)；第三部分是數(shù)據(jù)傳輸部分，使用Zigbee模塊作為數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收通道；第四部分是動作執(zhí)行部分，負責執(zhí)行管理者的調節(jié)指令。第五部分是上位機部分，負責對主控cpu采集到的數(shù)據(jù)進行處理并顯示在移動端。

2 畜牧業(yè)控制終端的設計與實現(xiàn)

畜牧業(yè)監(jiān)控終端的設計分為五個部分，第一模塊是主控CPU部分，使用Arduino UNO單片機作為監(jiān)測終端的處理器；第二部分是數(shù)據(jù)采集部分，使用水溫、渾濁度、水位、和酸堿度等傳感器來采集魚塘環(huán)境中的數(shù)據(jù)；第三部分是數(shù)據(jù)傳輸部分，使用Zigbee模塊作為數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收通道；第四部分是動作執(zhí)行部分，負責執(zhí)行管理者的調節(jié)指令。第五部分是上位機部分，負責對主控cpu采集到的數(shù)據(jù)進行處理并顯示在移動端。

3 智慧農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)終端的特點與創(chuàng)新

實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，農(nóng)戶會根據(jù)土壤的不同情況，種植不同類型的作物：如含水量、酸堿度、肥度來制定種植計劃。因此，只制定一塊土地的監(jiān)測系統(tǒng)意義不大。農(nóng)業(yè)設計運用主，從機的結構，可達到同時監(jiān)測多塊土地環(huán)境變化的目的。

實際魚塘養(yǎng)殖環(huán)境中，漁戶除了喂食之外，還需要對水質（如酸堿度、渾濁度、水溫等）進行監(jiān)視，否則水質會產(chǎn)生惡化，影響魚類的生產(chǎn)。因此，本設計運用高精度的傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術，對魚塘養(yǎng)殖環(huán)境進行直觀的展示。

物聯(lián)網(wǎng)技術創(chuàng)新點如下：

（一）ZigBee無線技術

ZigBee是一種功耗低，傳輸距離短的無線通信技術，主要用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。它可實現(xiàn)自組網(wǎng)和透明傳輸?shù)裙δ堋１驹O計中使用ZigBee技術實現(xiàn)下位機與上位機之間的通信以及上位機對下位機的控制。管理員可通過上位機實現(xiàn)對用電設備的各種控制，也可通過上位機查看監(jiān)測設備的工作情況。本設計把zigbee運用在主機和子機的通訊上，用于傳輸多塊土地的環(huán)境參數(shù)

（二）WiFi技術

經(jīng)過多年發(fā)展，人們對WiFi的應用已經(jīng)得到極大的發(fā)展。相比較傳統(tǒng)的物理連接布線而言，WiFi的使用非常方便、簡單，非常適合移動辦公的需要，同時它具備比藍牙更高的傳輸速率，更遠的傳送距離。本設計把WiFi運用在物聯(lián)網(wǎng)技術中，負責把數(shù)據(jù)傳到服務器。

（三）MQTT協(xié)議

MQTT（消息隊列遙測傳輸）是IBM開發(fā)的一個即時通訊協(xié)議，有可能成為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。該協(xié)議支持所有平臺，幾乎可以把所有聯(lián)網(wǎng)物品和外部連接起來，被用來當做傳感器和致動器的通信協(xié)議。本設計采用MQTT協(xié)議來接收下位機發(fā)送的信息。

（四）Android手機客戶端

主要實現(xiàn)在移動端的數(shù)據(jù)顯示與指令操作，在移動端進入智慧農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)界面可以形象的一覽大棚與魚塘的多種環(huán)境參數(shù)，可以很好地顯示農(nóng)業(yè)大棚內的空氣溫濕度、土壤濕度、棚內是否發(fā)生火情，土壤的PH值，棚內的光照強度；以及魚塘中的水溫信息、水質的PH值、渾濁度，水位等情況。

4 總結

本系統(tǒng)采用ZigBee技術、串口WI-FI，云服務器相關技術，只需合理布置的監(jiān)控采集傳感器的節(jié)點，就可以實時了解到整個水產(chǎn)養(yǎng)殖場和大棚的狀況，同時作出合理的控制。利用ZigBee技術實現(xiàn)自動組網(wǎng)化，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過串口WI-FI發(fā)送至云服務器進行相應的處理。可以進行設置參數(shù)極限值，當設置的參數(shù)達到極限值時，系統(tǒng)自動執(zhí)行對相應參數(shù)的增減措施，畜牧業(yè)系統(tǒng)也可以定時增氧和投食，保證水下生物的生活環(huán)境；農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可以定時澆水、施肥，保證大棚內的環(huán)境因素保持穩(wěn)定。通過電腦系統(tǒng)或者其他的平臺，只要平臺上裝有瀏覽器軟件，就可以隨時隨地的通過網(wǎng)頁登錄到應用控制中心進行監(jiān)測和控制，實現(xiàn)系統(tǒng)的跨平臺操作無差異。

參考文獻

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