基于物聯網技術的智慧農業管理系統設計

王英杰　鄭明輝

摘要：為解決目前土地荒漠化嚴重、土地資源緊缺的問題，在分析我國實際情況的基礎上，利用無土栽培技術和物聯網技術，設計了一款智慧農業管理系統。該系統將硬件系統檢測與調節功能、軟件系統自動運算功能與控制功能等相結合，依托物聯網技術進行農作物培育，為實現現代農業的產業化提供新的解決方案。

關鍵詞：農業;管理系統;物聯網技術

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2019.06.015

Abstract： In order to solve the problems of serious land desertification and shortage of land resources， an intelligent agricultural management system was designed by using soilless culture technology and Internet of Things technology on the basis of analyzing the actual situation in China. This system combined the detection and regulation functions of hardware system and the automatic calculation functions and control functions of software system， and cultivated crops by relying on the Internet of Things technology， thus to provide new solutions for the industrialization of modern agriculture.

Key words： Agriculture;Management system;Internet of Things technology

目前我國設施農業面積增長幅度大，集成化程度低，災害應對能力差，其中設施園藝絕大部分用于蔬菜、花卉生產，主要依賴經驗和單因子定性調控，智能化程度低。蔬菜設施種植茬口安排存在單一、生產率低下的情況，重茬、連作問題較為突出，導致病蟲害頻發，栽培環境惡化，品質難以保證。在設施農業中，土壤結構逐年變差，土壤長期處于覆蓋狀態，沒有雨水淋溶作用，加之施肥不合理，尤其是過量施用氮肥，使土壤中的鹽濃度超標，出現不同程度的酸化或鹽堿化[1-2]。

智慧農業管理系統根據農作物的實際情況而采用與之相適應的傳感器與調節設備，對農作物的生長進行實時數據監控與采集，借助物聯網技術對其進行統籌管理、自動控制，以達到合理利用土地、減少資源浪費與環境污染的目的。

1系統總體設計

智慧農業管理系統系統是一種統籌軟硬件，代替傳統農業中人對農作物生長及生產控制的綜合管理系統。選擇一個合適的培養空間，將植物放入，以無土栽培為基礎，通過手機或電腦控制端對植物的生命周期、生長速度進行實時監控，并實時收集培養空間內濕度、溫度、光照強度及營養攝取情況，遙控培養空間提供所需條件。圖1為系統的總體結構圖。

2系統硬件設計

2.1營養液自動調配灌溉

王英杰等：基于物聯網技術的智慧農業管理系統設計2019年第6期2019年第6期王英杰等：基于物聯網技術的智慧農業管理系統設計營養液調配回路由營養液母液儲藏部分、電磁閥、水泵、濃度檢測裝置、取樣管道、攪拌器等部分組成，水泵通過取樣管道將養液池內已用過的部分營養液進行取樣，輸送到濃度檢測裝置，檢測營養液中營養物質所剩含量，檢測后的營養液經回收管道流回到養液池?？刂葡到y根據檢測到的數據，控制電磁閥通斷向已有營養液中輸送適量的營養液母液，并運行攪拌器使已有的營養液與母液充分混合。攪拌完成后，水泵再次通過取樣管道將養液池內部已充分混合好的營養液輸送到濃度檢測裝置，進行取樣，檢測營養液中營養物質含量，達標后養液池內的營養液可供下次灌溉使用，若不達標，再次執行營養液調配的程序，直至達標。在實際中測得的數據顯示，本裝置可以一次性調配4.25 L營養液，溶解性固體總量TDS的絕對增量可以保持在2500以上，這使得本裝置可以適應絕大多數作物生長時的營養要求[3]。

營養液灌溉回路由養液池、養液泵、供液管道、培養皿及養液回收管道等部分組成，到達設定的時間后，控制系統控制養液泵通過供液管道將已經調配好的營養液輸送到各栽培床中，不達標的營養液將經養液回收管道回到養液池，進行再次調配，提高利用率。營養液的灌溉采用間歇供液，能使作物根系較長時間暴露在空氣中，促使作物根系生長發達，同時養液泵處于間歇的工作狀態下可大大地節約電能，一般說來，供液時間約是15 min·h-1。在設定中，默認供液15 min，停45 min，但在不同的植物生長期或不同季節，供液時間可以作適當的調整。圖2為營養液自動調配灌溉的工作流程圖。

2.2溫濕度控制

溫濕度控制包括營養液溫度和植株生長環境的溫濕度控制。

冬天營養液溫度需要加以調節，由液溫傳感器檢測營養液溫度，將測得的溫度輸入控制系統。若液溫低于設定值，由控制系統輸出控制信號經驅動電路接通液溫加熱器進行加熱;當檢測溫度達到機內設定的上限值時輸出信號斷開加熱器停止加熱。系統默認設置營養液的溫度值保持在20℃，但在不同的季節之中，面對不同的情況，營養液溫度可以在一定范圍內自由調整。

植株生長環境的溫濕度控制主要由溫度檢測模塊、濕度檢測模塊、通風扇、微型暖風機、加濕器等部分構成，由溫度傳感器檢測溫度，輸入控制系統。若溫度低于設定值，由控制系統接通暖風機進行加熱;當檢測溫度達到機內設定的上限值時輸出信號斷開加熱器停止加熱。濕度檢測同理，若濕度低于設定值，由控制系統接通加濕器進行加濕;當檢測濕度達到或高于系統設定的上限值時接通通風扇進行通風降低濕度，使植株終處在一個適宜生長的環境中。圖3為溫濕度控制的工作流程。

3系統軟件設計

該系統利用物聯網技術，可實時遠程獲取種植環境內部的空氣溫濕度、營養液溫度、營養液濃度等信息，遠程或自動控制營養液循環、加溫補光等設備，保證種植環境內環境最適宜作物生長，為作物高產、優質、高效、生態、安全創造條件。本系統還可以通過手機、筆記本等移動信息終端進行實時管理，實現集約化、網絡化遠程管理，充分發揮物聯網技術在設施農業生產中的作用。在本部分的設計中，主要包括下位機的軟件設計和上位機的軟件設計。

3.1下位機的軟件設計

下位機軟件部分的設計對于整個系統而言起著至關重要的作用，為了保證控制系統可以實時和準確進行控制，在本系統采用了以ARM公司的高性能“CortexM3”為內核的STM32F03ZET6芯片為主控芯片，這個芯片上集成32 kB的Flash存儲器和64 kB的SRAM存儲器，最高工作頻率可以達到72 MHz，能夠滿足系統的控制要求[4]。

下位機的軟件設計主要包括以下3個方面：

（1）數據的采集模塊，主要是農作物生長環境參數數據的采集，包括溫度、濕度、光照強度等參數，將所采集到的數據經STM32微控制器整合處理。

（2）控制模塊的軟件設計，主要是單片機收到上位機傳送過來的信號，對設備進行控制，包括水泵和溫度調節設備的控制。

（3）無線模塊的軟件設計，STM32微控制器將采集到的數據通過串口傳輸至3G模塊。

3.2上位機的軟件設計

上位機的軟件設計包含數據庫的設計和界面的設計。數據庫主要是數據的存儲部分、設備管理和用戶管理部分，將STM32微控制器所檢測到的數據按照設備編號和時間進行存儲，設備管理部分可以控制設備的狀態，并可以實時查看，用戶管理主要是可以設定各個參數的閾值，在超出閾值范圍內，發出有效的控制信號，對設備進行控制。

在本系統中利用LABVIEW進行上位機的開發，LABVIEW與C和BASIC一樣都是通用的編程系統，有一個完成任何編程任務的龐大函數庫。LABVIEW的函數庫包括數據采集、GPIB、串口控制、數據分析、數據顯示及數據存儲等。LABVIEW也有傳統的程序調試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數據及其子程序（子VI）的結果、單步執行等，便于程序的調試[5]。

上位機以ESP8266WiFi模塊為接口與服務器進行連接，上位機的主要工作流程：服務端接收到數據之后，通過運行Java接口函數將收到的數據寫入數據庫中，監控中心通過函數調用數據庫里邊的數據顯示在界面上，寫入相應的控制指令，改變設備的工作狀態。圖4為上位機的數據顯示界面。圖5為上位機的任務管理界面。

4小結

智慧農業管理系統系統具有營養液自動調配、定時灌溉、加熱、溫濕度檢測、自動補光等功能，可以提高資源利用率，增加農作物的單位面積產量，降低農產品的生產成本，具有價格低廉、實時控制、易于維護、多方面調控、自動化程度高等優點。該系統的應用可節約勞動力成本，減輕勞動強度，增加產量、提高設施農業水平，具有很高的推廣價值，基于傳感器技術的智能農業將是未來發展現代化高效農業和特色農業的必經之路。

參考文獻：

[1]馬秀飛.基于物聯網及云計算的智慧農業生產管理系統研究[J].河南農業，2018（11）：54-56.

[2]韓秀燕，孫濤.我國智慧農業發展路徑設計及其優化策略研究[J].陜西農業科學 ，2016（12）：98-101.

[3]秦琳琳，孫德敏，王勇，等.無土栽培營養液循環控制系統[J].農業工程學報，2003，19（4）：264-266.

[4]盧有亮.基于STM32的嵌入式系統原理與設計[M].北京：機械工業出版社，2017.

[5]陳樹學，劉萱.LABVIEW寶典（第2版）[M].北京：電子工業出版社，2017.

（責任編輯：柯文輝、張磊）