基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)研究

王昆 賀海育

摘要：文章引入ZigBee技術(shù)、Web技術(shù)、通訊技術(shù)等多種新型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研究了具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能操控和實時數(shù)據(jù)展示等多種功能的智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)。智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)采用了瀏覽器朋艮務(wù)器的架構(gòu)模式，利用布置在大棚不同角落的圖像、溫度、濕度和光照等傳感器，通過手機或者計算機用戶能夠觀察到大棚內(nèi)各個角落的數(shù)據(jù)，并根據(jù)實時環(huán)境參數(shù)利用系統(tǒng)智能控制相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng);瀏覽器/服務(wù)器

中圖分類號：S511.043;TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2019）08-0183-04

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚中，一般采用水銀式溫度計測量溫度，機械式濕度計測量大棚濕度，存在人工測量讀數(shù)精度低、人工勞動量過大的問題，造成了勞動力資源的浪費，大大降低了農(nóng)業(yè)大棚的生產(chǎn)效率。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，將會給傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)帶來一場重大的智能化變革，針對上述傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚存在的問題，本文將引人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)相結(jié)合，利用各類環(huán)境參數(shù)傳感器構(gòu)建了智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)，以期為農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)功能需求分析

根據(jù)對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行實地考察所采集數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)在滿足環(huán)境數(shù)據(jù)實時收集、生產(chǎn)設(shè)備智能化控制和系統(tǒng)軟件平臺監(jiān)測分析等需求的前提是對整個農(nóng)業(yè)基地進(jìn)行全方位的監(jiān)控[1]，下面將對上述三種需求具體分析。

1.1 環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)收集

智能化的農(nóng)業(yè)大棚不僅只是對大棚溫度、濕度和光照強度的監(jiān)控，同時還要采集土壤溫度、土壤含水和二氧化碳環(huán)境參數(shù)。被采集到的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)可展示在系統(tǒng)的顯示屏上，同時系統(tǒng)還需具有有線網(wǎng)絡(luò)傳輸和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸兩種信息傳輸通道用以系統(tǒng)與上述各環(huán)境傳感器連接。

1.2 生產(chǎn)設(shè)備智能化控制

智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)要對大棚中的設(shè)備進(jìn)行智能監(jiān)控，可根據(jù)育大棚實時環(huán)境數(shù)據(jù)和系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的參數(shù)閾值，觸發(fā)智能化控制設(shè)備，用以調(diào)整大棚溫度、大棚濕度、增減光照、控制二氧化碳含量等操作。比如生物效應(yīng)燈。如果大棚中的溫度或者其他的原因無法適應(yīng)農(nóng)作物的生長，系統(tǒng)可以自動進(jìn)行環(huán)境數(shù)值的對比，根據(jù)結(jié)果自動調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度、濕度、光線等設(shè)備，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚的自動化、全方位的管理。

1.3 系統(tǒng)軟件平臺

系統(tǒng)軟件平臺需要能夠完成用戶權(quán)限設(shè)置、數(shù)據(jù)圖形化處理分析、病蟲害診斷分析和大棚智能管理等功能需求。其中用戶權(quán)限設(shè)置是指針對不同的人群設(shè)計不同的管理權(quán)限，使監(jiān)控系統(tǒng)管理員用戶權(quán)限可以實行所有的權(quán)限，而普通用戶權(quán)限只能進(jìn)行基本的操作。該系統(tǒng)軟件平臺要對大棚中的農(nóng)作物病蟲害進(jìn)行診斷，并給出診斷的結(jié)果與方案，將農(nóng)作物的發(fā)病原因錄入到系統(tǒng)中，通過決策樹對病因進(jìn)行診斷。為了便于管理人員進(jìn)行實時觀察，該系統(tǒng)可以將采集到的大棚中的空氣溫度與濕度、土壤溫度與濕度、光線強度等參數(shù)數(shù)據(jù)，通過圖形化數(shù)據(jù)處理方式進(jìn)行處理展示，如果采集到的數(shù)值超出了設(shè)定的數(shù)值，圖形中的數(shù)值會變成紅色[2]。

2 智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計

根據(jù)上述系統(tǒng)功能需求分析結(jié)果，智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)平臺中包含了WSN技術(shù)的信息采集功能;物聯(lián)網(wǎng)運營支撐平臺主要是利用農(nóng)業(yè)任務(wù)驅(qū)動的方式，與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效的結(jié)合，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸與處理，監(jiān)控大棚中的溫度、濕度;無線傳輸平臺采用通信技術(shù)和ZigBee技術(shù)實現(xiàn)距離的傳輸;生產(chǎn)監(jiān)控管理應(yīng)用平臺中包含了數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置等功能。

2.2 硬件設(shè)計

根據(jù)上述研究得知，系統(tǒng)中至少包括空氣溫濕度傳感器、土壤溫度與含水傳感器、二氧化碳濃度傳感器和光照強度傳感器，同時上述傳感器與系統(tǒng)進(jìn)行通信連接需求要利用ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和遠(yuǎn)程通信技術(shù)。系統(tǒng)硬件框架，如圖l所示。

2.2.1 空氣溫濕度傳感器

大棚內(nèi)空氣溫濕度傳感器采用的是SHTIO集成電路芯片，該芯片采用電容式聚合體測空氣濕度，能隙式聚合體測空氣溫度，具有測量精度高、測量靈敏度高的優(yōu)點。上述傳感器的信息傳輸方式采用的是RFID無線傳輸方式，該通信方式的有效數(shù)據(jù)傳播距離可達(dá)60m。系統(tǒng)根據(jù)上述傳感器測量的溫濕度數(shù)據(jù)分析結(jié)果，若出現(xiàn)大棚溫度過高則系統(tǒng)弄控制大棚排風(fēng)機進(jìn)行排風(fēng);若大棚內(nèi)空氣濕度過低則控制加濕器進(jìn)行補水。

2.2.2 土壤溫度與含水傳感器

據(jù)上所述中通過在大棚土壤內(nèi)部買人熱敏電阻實現(xiàn)對土壤溫度的測量;利用土壤溫度通過熱土壤介電常數(shù)測量土壤含水率。根據(jù)上述傳感器測得土壤參數(shù)數(shù)據(jù)，若出現(xiàn)土壤缺水，系統(tǒng)控制噴灌裝置進(jìn)行噴灑作業(yè)。

2.2.3 二氧化碳含量傳感器

據(jù)上所述中采用基于NDIR原理的紅外光吸收式二氧化碳含量傳感器用來監(jiān)測農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)空氣的二氧化碳含量，該傳感器具有測量精準(zhǔn)度高的優(yōu)點。若上述傳感器檢測到室內(nèi)二氧化碳濃度過高則系統(tǒng)控制排風(fēng)機加強通風(fēng)來調(diào)節(jié)室內(nèi)二氧化碳濃度。

2.2.4 光照強度傳感器

利用光敏元件將光照強度信號轉(zhuǎn)換為電信號，并將上述電信號傳輸至系統(tǒng)平臺進(jìn)行分析，若上述光照強度超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的閾值，則控制大棚頂部的遮陽簾遮蔽大棚，減少光照。

2.2.5 ZigBee技術(shù)

ZigBee組網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集[3]，實現(xiàn)不同節(jié)點之間的相互通信功能，ZigBee技術(shù)傳輸距離短，每一個ZigBee都是一個移動的信號，是一種低速傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議。主要應(yīng)用在小范圍內(nèi)的系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)用范圍廣泛，ZigBee組網(wǎng)技術(shù)與其他的無線通信協(xié)議相比，要求低，容易實現(xiàn)，適用于智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)中。

2.3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計以Eclipse作為開發(fā)平臺，使用Java作為語言開發(fā)工具，開發(fā)智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件采用B/S架構(gòu)，用戶工作界面是一個三層的結(jié)構(gòu)模式，有WWW瀏覽器、Browsr、Server組成，B/S架構(gòu)可以將系統(tǒng)的業(yè)務(wù)管理功能都集中在服務(wù)器中，簡化了系統(tǒng)的使用過流程，瀏覽器可以通過Web進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，簡化了電腦運行負(fù)荷，降低了用戶成本。

2.3.1 前臺管理模塊

系統(tǒng)前臺管理模塊結(jié)構(gòu)是登錄該系統(tǒng)的重要前提，該模塊可以實現(xiàn)用戶的登陸、信息的查詢、網(wǎng)頁的瀏覽，對大棚的光線強度、溫度濕度信號、濃度等參數(shù)進(jìn)行采集，也可以進(jìn)行歷史查詢，實現(xiàn)對大棚進(jìn)行智能監(jiān)控管理的功能。

2.3.2 后臺管理模塊

后臺管理模塊是系統(tǒng)中權(quán)限最大的一部分，監(jiān)控設(shè)施管理模塊更是系統(tǒng)的核心內(nèi)容，能夠?qū)崿F(xiàn)對監(jiān)控點的管理功能。

2.3.3 服務(wù)器模塊

服務(wù)器模塊是用來連接數(shù)據(jù)通信和終端管理的，在該模塊中，能夠接受來自手機客戶端、Web端以及其他控制器發(fā)來的數(shù)據(jù)信息。

2.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)采集表中包含了大棚中的所有信息，有光線強度、空氣的溫度與濕度、土壤的溫度與濕度、數(shù)據(jù)以及大棚的編號等屬性;監(jiān)控單元表的主要功能就是用來記錄大棚中所有監(jiān)控點的真實信息，有檢測點的名稱、狀態(tài)等屬性;管理表中有大棚的名稱以及用戶信息等屬性[4]。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)登陸

為了保證系統(tǒng)的安全性，需要登陸才能進(jìn)入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)管理員為adrmn，普通用戶進(jìn)入要向進(jìn)入系統(tǒng)，需要先在系統(tǒng)管理員處回去登陸的權(quán)限，并進(jìn)行權(quán)限確認(rèn)，輸入自己的用戶賬號與密碼，與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配。會出現(xiàn)兩種情況，①賬號存在但是密碼不正確，②賬號不存在，如果用戶的賬號正確但是密碼錯誤，會提示密碼錯誤，如果賬號不存在直接登陸會彈出不存在對話框。登錄界面中有四個模塊，校驗?zāi)K、匹配模塊、報錯模塊以及權(quán)限模塊，用戶登陸時需要這四個模塊都能夠進(jìn)行匹配，才可以登陸成功翻。

3.2 決策支持

決策支持中包含了風(fēng)機決策、滴管決策以及補光決策。決策子系統(tǒng)的主要功能就是提供支持，如果溫度低會開啟風(fēng)機，如果達(dá)到設(shè)定的范圍將會自動關(guān)閉;每天早上的8點會開啟滴管，12點關(guān)閉;當(dāng)光照的強度沒有達(dá)到一定的數(shù)值時需要將生物效應(yīng)燈開啟，充足則會自動關(guān)閉，通過這樣的方式完成決策支持的功能。其中滴管決策的開啟條件中，如果超過了12點將不會再開啟，為了能夠運行的更加智能化，在程序設(shè)計的過程中加入一項校驗的功能，主要的目的是開啟決策服務(wù)，當(dāng)時間校驗開始運行后，系統(tǒng)會自動獲取網(wǎng)絡(luò)時間，并自動判斷滴管決策的開啟與關(guān)閉的時間。為了能夠讓系統(tǒng)正常運行，每一次倒計時結(jié)束后都需要進(jìn)行重新判斷。

3.3 病蟲害診斷

在農(nóng)業(yè)大棚中，有各種各樣的農(nóng)作物，以番茄為例，介紹病蟲害診斷系統(tǒng)的實現(xiàn)過程。番茄可以分為根、葉、花、果實4個部分。根部決策樹中又包含了很多病蟲害知識，比如根部出現(xiàn)局部壞死，萎蔫;根部呈紅褐色，出現(xiàn)病變;根管沒有出現(xiàn)維管束;維管束變成褐色等;葉部包含了葉背面長出稀疏白色霉層;幼芽青枯進(jìn)而萎蔫;葉片出現(xiàn)了不同程度的斑駁，葉子出現(xiàn)了老化，有明顯病斑跡象，在葉子的表面出現(xiàn)了圓斑;植株沒有出現(xiàn)明顯畸形;植株呈現(xiàn)出營養(yǎng)不良的情況等;花包含了花柄出現(xiàn)淺褐色病變，花藥也出現(xiàn)了褐色的病變;花的表面沒有出現(xiàn)明顯的發(fā)霉痕跡，花的基部出現(xiàn)褐變，果實出現(xiàn)發(fā)霉;果實的表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的發(fā)霉情況，局部出現(xiàn)發(fā)白，并長出霉菌;果實掉落在地面后會出現(xiàn)感染，隨著空氣的溫度逐漸變得硬化;有凹凸畸形;霉?fàn)钗镱伾珳\;果實腐爛軟化嚴(yán)重等。病蟲害診斷流程.如圖2所示。

3.4 數(shù)據(jù)采集

成功登陸系統(tǒng)后都需要建立一個長效的連接，采集子系統(tǒng)會每隔Imin向指定端口發(fā)送以此數(shù)據(jù)采集，當(dāng)數(shù)據(jù)傳送后，服務(wù)器需要對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行解析，獲取參數(shù)，并將解析后的數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫中。通過連接管理，找到手機終端，然后將所得的數(shù)據(jù)推動到手機終端中，當(dāng)手機接收到數(shù)據(jù)之后會向服務(wù)器發(fā)出請求[6]，通過自帶的圖形化函數(shù)顯示出圖形。對于用戶而言，通過對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，然后調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)將因子返回，然后再利用插件與框架的方式將圖表顯示在網(wǎng)頁中。

3.5 遠(yuǎn)程控制

手動遠(yuǎn)程控制與智能遠(yuǎn)程控制是本系統(tǒng)主要的監(jiān)控手段。手動遠(yuǎn)程控制時，需要對遠(yuǎn)程控制箱的原理進(jìn)行充分的掌握，了解原理之后在進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)計時就會變得非常的簡單。在遠(yuǎn)程控制箱中只需要安裝一個GPRS/3G的轉(zhuǎn)換模塊，完成信號的轉(zhuǎn)換，然后對電源的開關(guān)空能進(jìn)行控制，在控制箱中有一共有8個接口，當(dāng)用戶操作相應(yīng)的按鈕時，系統(tǒng)會發(fā)出相應(yīng)的命令，當(dāng)模塊接收到該命令后，會判斷是否需要進(jìn)行控制命令，其流程為：使用終端設(shè)備向服務(wù)器發(fā)出命令;服務(wù)器會對命令進(jìn)行提取，并找出對應(yīng)的編號;對控制狀態(tài)的模塊進(jìn)行掃描，并判斷是否處于控制狀態(tài)下;控制箱會對命令進(jìn)行解析，然后激活相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并通知服務(wù)器進(jìn)行執(zhí)行;設(shè)備開啟或者關(guān)閉。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用時，農(nóng)業(yè)大棚管理用戶在手機或者計算機終端登錄智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)，并打開系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)監(jiān)控界面，用戶可在該界面中查看大棚監(jiān)測結(jié)果，用戶利用終端界面上的功能選擇鍵完成對大棚設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

根據(jù)上圖顯示的實時環(huán)境參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，以應(yīng)用系統(tǒng)的大棚中土壤濕度和二氧化碳濃度已經(jīng)超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的閾值，在系統(tǒng)展示界面中以紅色警示顏色顯示，系統(tǒng)控制灌溉閥和風(fēng)機開啟，進(jìn)行土壤噴水和農(nóng)業(yè)大棚通風(fēng)。通過對該系統(tǒng)的實際應(yīng)用，證明智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)功能完整，并能實時監(jiān)控大棚內(nèi)部環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)大棚設(shè)備的智能化控制，有效提高了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)的效率，降低了成本，具有廣闊的應(yīng)用前景[7-8]。

5 結(jié)語

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在大棚內(nèi)安裝傳感器，采集大棚中的溫度、濕度、濃度、光照等指標(biāo)，并利用多種技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)的功能開發(fā)與設(shè)計，通過設(shè)計病蟲害診斷系統(tǒng)對農(nóng)作物的生長狀態(tài)進(jìn)行實時的監(jiān)控，將系統(tǒng)做成APP軟件，讓管理者可以不再現(xiàn)場就能夠?qū)Υ笈镏械脑O(shè)備進(jìn)行自由調(diào)節(jié)，在最后的測試階段，雖然各項功能都能夠符合要求，但是在細(xì)節(jié)方面仍然需要不斷的加強，加強數(shù)據(jù)信號的傳輸，不斷優(yōu)化網(wǎng)站與手機界面，讓操作變得更加智能化。

參考文獻(xiàn)

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