基于物聯網的智能大棚系統設計

盛彬 王舒瑋

（山西大同大學機電工程學院 山西省大同市 037000）

1 物聯網技術的現狀

作為戰略性的新興產業之一，物聯網(The Internet of Things，IOT)已被國家正式列為重點發展對象，是繼計算機、互聯網和移動網絡通信之后的又一次信息產業革命[1]。物聯網技術在美、歐、日、韓等傳統高科技發達地區起步較早，總體實力一直處于領先地位，但中國在物聯網技術發展方面并不落后，研發團隊具備一定的基礎，研發水平基本與國際同步，在構建系統體系、網絡協議、軟件算法等方面，一直不斷更新、改進，提出了許多兼顧技術性、實踐性與創新性的思想和理論，經過成果轉化后，廣泛應用于我國交通、電力、金融、物流等行業，實現了數字世界、信息世界、真實物理世界的三方融合，全面推進了產業發展，提高了企業的核心競爭力，提升了人民生產、生活水平。

2 物聯網系統設計的一般準則

2.1 進行調研，確定是否能立項

通過收集國內外文獻、資料、書籍、調查問卷等內容，研究擬立項課題的發展與現狀，掌握擬立項課題的前沿知識、技術及實際成功案例，結合現有資源及條件，分析項目實施的可行性，確定是否立項。

2.2 設計總體框架，確定系統總體方案

對于項目實施的重點應當放在技術難度這一塊，此時需要進一步深入課題，查找相關更具體、更詳細的資料，參考國內外同類型產品的實際特性，確定本次課題項目需拆分成幾大模塊，各自模塊要實現的功能，進而規劃設計思路，提出合理且可行的設計方案，撰寫首次任務報告書，給出系統總體設計方案[2]。

2.3 細化設計方案，確定最終模塊功能

細化方案是設計過程中最重要的一步，需要明確系統中每一模塊的具體功能，進而根據實際需求選管、選器件，定制硬件、軟件方案，然后在保障功能正常使用的前提下，考慮到成品、故障率等現實條件，盡量用軟件實現相關模塊功能。

3 基于物聯網智能大棚系統的立項依據

3.1 物聯網技術是新工科專業應用型人才培養的基礎

當今社會，工業程度日趨提高，工業水平快速發展，對高素質應用型人才的培養已經成為在新工科發展背景下十分重要的一環，只有不斷構建并更新新工科人才培養的方案和體系，方能為社會發展源源不斷地輸出具有創新及實踐能力的高科技、高素質人才，而作為社會經濟產業發展過程中提供強大新生動力的人才培育重點機構，高校必須更加積極地進行應用型本科人才培養路徑的研究與拓展[3]。

圖1：智能大棚系統總體框架圖

3.2 物聯網與農業結合，實現高技術規范、高效益的生產

我國在世界范疇內，一直處于農業大國而非農業強國之列，生產方式一直以傳統模式為主，提高產量也主要是靠化肥農藥的使用，農民依靠經驗種植，費時費力，智能化程度偏低，還易造成水資源浪費、土壤污染等環境問題，對農業的可持續發展造成嚴重威脅。

傳統大棚以農民承包或是利用自家土地為主要擁有方式，以種植各種非時令作物為主，以農民為生產主體，產量、質量依靠農民經驗，大棚相對各自孤立，基本無智能手段介入，導致浪費大量人力、物力、農民收入受限。現實社會高速發展，科技日新月異，傳統大棚也從過去單純的種植功能，轉換成新的集觀光、旅游、休閑、娛樂 的度假模式，特別是對水果、蔬菜的現場采摘需求日盛，人民更愿意在假期時間，進入鄉村，體驗采摘樂趣，因此，如何更科學、合理、高效地保障作物質量及產量，就成為亟待解決的目標，智能化大棚的建設也就成為必然。

針對這一現實問題，本次設計提出在傳統大棚模式下引入物聯網技術，將智能檢測、智能檢測、智能監控報警、智能綜合處理等操作模塊引入到大棚種植系統中，實現大棚種植自動化，且園區內每個大棚均部署一套裝置，棚與棚之間建立聯系，數據互通，再通過無線傳輸技術實現遠程實時控制化，最終減少人力因素，提高作物產量及質量，實現園區大棚人工智能化。

4 系統方案總體設計

本次設計的基于物聯網技術的智能大棚系統主要分為四大部分，分別是：大棚現場、數據采集傳輸、現場平臺、終端顯示[4]。系統總體框架如圖1 所示。

圖2：數據上傳模塊框圖

大棚現場由傳感器網絡、各種控制器和執行裝置組成，傳感器結合MCU(單片微型計算機Microcontroller Unit)主要用于采集大棚現場的各項參數；集成一體化控制器可由用戶近端或遠程控制，通過執行裝置（如灌溉閥門等），實施各項功能操作。

數據采集傳輸是連接現實參數和計算機數字世界的媒介，負責將現場采集的各項數據經藍牙模塊傳輸給工作平臺，計算機經分析判斷后，將控制指令傳回現場，由控制器操作執行裝置，實現例如調整現場室溫、噴淋、灌溉、調整卷簾升降、控制風機通風等功能。

現場平臺用于展示此智能控制系統的全部功能，需要由專門的開發人員設計界面，布局功能，將實時數據、歷史數據、報警裝置、遠程控制這四方面內容集成于軟件中。對于小型大棚區，每間大棚可現場配置一臺計算機，通過界面切換實現功能顯示、功能執行；對于大型棚區，可在每間大棚現場設置顯示設備，再通過視頻設備的組合，建立專門的棚區監控設備控制間，同時顯示上述功能，再根據具體情況，給出執行命令，實現全區監控智能化、集成化。

終端顯示用于用戶實現遠程控制，方便用戶實時通過手機、計算機的客戶端、瀏覽器等裝置監測大棚現場，觀測各項參數，對比實時、歷史數據差異，需要時及時作出響應，控制現場。

5 系統方案模塊細化

5.1 數據采集模塊

傳感器技術作為現代信息科技的三大支柱技術之一，是獲取信息的重要手段，在國內外得到了迅速發展，其水平的高低已經公認成為判斷國家科技實力的重要標志之一，特別是在當今各類高科技控制系統中，作為感知現實世界信息的核心檢測機構，傳感器已經成為人們認知世界、改造世界的重要工具。

在對智能大棚系統的設計過程中，需嚴格考量各種作物對于環境的需求，例如高品質的葡萄酒會對一些參數，如土壤的溫度、濕度等非常敏感，超過某一閾值范圍后，葡萄的甜酸度會發生變化，進而導致酒的品質嚴重下降，因此設計出合理、可行的傳感器網絡，對需求參數進行實時檢測監控，進一步利用執行裝置有效灌溉，可實現提高作物品質、產能、節水的目標。本次方案的數據采集模塊預對溫度（包括空氣與土壤）、濕度（包括空氣與土壤）、濃度（包括空氣中的含氧量、CO2濃度）、光照等數值進行檢測監控[5]。

5.2 數據上傳模塊

智能大棚希望實現遠程實時監控，進而通過控制器控制各種執行裝置，例如灌溉系統、新風凈化系統等。但是大棚現場布置的數據采集模塊只能用于輸出各項參數的實時數據，無法實現遠程監控，做到人工智能，因此，為了遠程調用現場數據，實現物聯網智能化，本次方案的數據上傳采用如下方式實現：大棚現場數據經傳感器采集后，結合MCU，將數據通過藍牙模塊上傳至電腦終端，再通過無線傳輸方式，將數據經服務器上傳至遠程終端，用戶通過電腦或手機的客戶端實現數據監控。如圖2 所示。

5.3 軟件監控模塊

此次智能大棚系統在軟件方面實現的主要功能如下：

5.3.1 用戶操作系統

關于用戶賬號：

（1）身份驗證。用戶登錄軟件界面時，只有提供正確的賬戶名和密碼，才能進入系統界面。

（2）密碼管理。當用戶忘記或想修改登錄密碼時，軟件提供密碼找回、修改功能。

（3）授權查看。用戶可登錄系統查看自己被授權的設備清單。

關于系統功能：

（1）報警顯示。軟件包含閾值設置和報警處理兩項功能，在系統中可以設置各種傳感器參數的上下限，進而根據此范圍來判定參數是否合理，若超過預設閾值，則系統給出報警提示，并以錯誤日志的方式記錄，用戶還可將報警信息標為已讀，表明此條報警已被處理。

（2）功能顯示。軟件中可以顯示從大棚現場采集到的各項數據，進而形成數據分布，還可做階段數據比較。

（3）視頻顯示。軟件能夠直接連接大棚現場，除顯示所布攝像頭的拍攝內容外，還可遠程遙控攝像頭。

5.3.2 系統管理系統

廠商可對客戶實現添加、刪除、控制權限、違約后設成黑名單等常見功能，還可根據客戶具體需求實現一戶一訂制。

6 結論

與常規的單片機控制系統不同，現今社會對于“物物相連”的互聯網需求越來越多，物聯網技術應運而生，相關人工智能、智能制造、模式識別等產業都可融合構成物聯網智能系統，因此，培養適合社會需求的新工科應用型人才就成為高校人才培養的重要目標。本文從智能農業出發，對智能大棚系統進行了總體規劃和方案細化，實現了數據采集檢測、數據實時傳輸、平臺監控報警、用戶終端控制的具體功能，再經過實踐驗證產品功能后，發現該系統可以幫助提高作物的產能與質量，減少投入人力物力，保護土壤環境安全，提高農業生產智能化，除此，還能促進農業良性發展，不斷提升產業競爭力。