物聯網技術支持下的智能農業自動控制系統

張俊玲

（銅仁職業技術學院 貴州省銅仁市 554300）

近幾年，隨著我國各項科學技術的迅速發展，農業現代化逐漸成為我國農業未來發展的主要趨勢。將物聯網技術應用于我國農業的過程中，逐漸衍生出一種全新的農業發展模式，其就是智能農業。智能農業不僅可以提高我國農業的生產質量，還能優化我國農業的實際發展以及各項資源。因此，將物聯網技術應用與我國農業發展中具有十分重要的意義。當前，將物聯網技術應用于智能農業的過程中，其自動控制系統相關設計部分依舊需要繼續探索，從而有助于我國智能農業更好的發展。

1 物聯網與智能農業的相關概述

1.1 物聯網技術

現階段，物聯網技術雖然是一個全新的概念，但其并沒有離開我國的互聯網技術，通過我國多種海量傳感儀器采集的多個信息數據內容，最終通過互聯網技術的相關技術標準和互聯網技術完美融合，可以及時準確的將多個信息傳輸到實際管理中心，從而滿足不同用戶的實際需求[1]。物聯網技術中包含著射頻技術、Wi-Fi 技術等多個內容。

1.2 智能農業

智能農業具有較高的技術規范操作以及高效益的集約化生產作業模式，主要是將科研、銷售、生產以及加工融為一體的作業模式，其可以實現全天候、反季節的農業企業生產作業規模[2]。智能農業的最大特色就是使用物聯網技術展開作業，可以實現農作物生產環境和農業管理人員、農業大棚智能化控制的完美聯系，幫助廣大的農業生產人員實現信息化管理以及信息化控制的目的。

我國智能農業又被稱為智慧農業，其主要是指將計算機和網絡技術完美融合，并融入我國全球定位系統、地理信息系統等多種先進的思想以及技術理念，從而實現我國農業迅速發展的目的[4]。

2 智能農業自動控制系統的國內外研究現狀

2.1 國外研究現狀

在國外的農業發展過程中，智能化農業已然成為了全世界農業體系的發展趨勢。在德國，國家重點扶持智能化數字農業發展。比如，對于農業種植中的土地光照強度、土地適合種植哪些植物以及地點等信息，相關人員需要整合這些信息內容，并選擇適合這塊土地生長的農作物，充分發揮出土地具有的潛在價值，最終幫助農業種植人員提高種植效率以及經濟利益。而英國則常使用數據整合對農業進行調整。這不僅需要政府實現農產品的寬帶覆蓋率，還需要積極建設多個不同的平臺以及途徑，對農業數據信息進行整合處理，從而提高農業作業的實際收入。除此之外，國外先進的物聯網技術也應用于農業領域中，對于農業的發展起到了積極的推進作用，給農業發展提供了重要的助力[5]。

2.2 國內研究現狀

圖1：網絡拓撲

截至目前為止，我國先后出臺了多個相關政策文件，全力支持我國農業的發展。隨著我國物聯網技術的迅速發展，越來越多的科學技術廣泛應用于農業生產中。當前，多個信息技術也逐漸成熟，像RFID 電子標簽、遠距離監控系統、無線傳感器監測等技術，也被廣泛使用于智慧農業的發展建設過程中，大幅度提高了我國的農業作業的管理效率，并逐漸加快我國智慧農業的生產建設步伐。而根據智能化農業技術相關思想所提出來的創新性農業技術已經開始被大范圍的應用在實際的農業生產活動之中，例如，我國首都北京市所開展的智能化農業技術項目,其常是選擇將農業無線傳感器應用與大棚農業生產中，并通過線機內的無線傳感機器，對農作物生長的實際信息以及狀況展開實施的檢測。但是，由于我國農業信息技術發展比較晚，其依舊存在著諸多的問題，如沒有建立完善的標準信息，嚴重影響了我國智能化農業的發展[6]。

3 物聯網技術下智能農業自動控制系統的設計

在物聯網視角下設計智能化農業自動控制系統時，設計人員還需要結合實際的狀況設計出合理的設計方案，設計人員需要注意以下幾點內容：首先，工作人員需要根據協議內容建立出合理的物聯網技術體系，保證這一系統中包含多個不同的節點。其次，設計人員還需要根據實際的網格設計出一個完整的系統，并允許這一系統在實際運行中，可以使用節點加快網絡的速度，最終可以實現系統節點處理以及指令下達的內容。并且，設計人員還需要根據網絡的內容，設計出合理的配置顯示器以及報警系統，最終實現監控系統下多個節點的實際信息，并正確、準確的設置節點闕值，如果在運行的過程中出現超出節點闕值這一范圍的數據，則報警系統能夠及時的檢測到這些數據，并向有關人員發出相應的報警信息。并且，ZigBee 網絡之中包括處于獨立狀態的時鐘芯片，其可以對收集到的數據信息進行處理，嚴格按照相關數據信息對其及進行合理的劃分措施，便于及時對其他的不同節點發出有效的指令。最終，自動控制系統必須要擁有高水平的擴展性，這樣才能夠給傳感器以及控制器可以順利網絡關口提供有效的保障。

3.1 系統設計

設計人員在結合物聯網技術設計智能化農業控制系統的時候，經常會選擇使用CC2530，并依據IEEE802.15.4 相關標準中的協議部分進行設計。此外，CC2530 具有的典型特點就是，芯片的內部存在一個高性能、低消耗的內部核心處理器，這一核心部分需要具有2.4Hz IEEEE802.15.4 的收發器天線設備。另外，給予CC2530設計的通訊板塊中，還需要具有配套的數模轉化儀器以及串行接口設備，并為其配置合理的定時一起，最終添加一個具有較高密度的處理器以及引腳部分，保證最終設計的電路具有合理性。

圖2：協調器節點

圖3：終端節點

本系統硬件使用的是S7-200 系統PLC。它提供了4 種不同基本單元以及6 種型號不同的擴展單元，本文選用的CPU224，包含14 輸入/10 輸出共24 個數字量I/O 點，并連接7 個擴展模板，促使其可以擴展至168 路數字量I/O 點或者35 路模擬量I/O 點。

其次，需要重視對數據采集這一部分的設計，這樣才可以提升采集模塊的工作效果。對于農作物而言自身的生長會受到多個因素的影響，例如土壤中水分含量、天氣引起的溫度變化等，因此在設計數據采集模塊的過程中也需要按照影響農作物生長因素來進行設計：

3.1.1 土壤水分

根據調查結果表明，土壤中包含的水分對農作物的生長發育具有直接的聯系，所以相關工作人員在實際采集信息數據的時候，需要屬于土壤的水分含量，再加上土壤的構成比較復雜，需要將系統中包含的傳感器長期放置于土壤內，充分保證最終接收到的數據信息真實、穩定、有效，降低傳感器發生腐蝕、破損的可能性。因此，大部分設計人員常選擇使用鎳物質涂抹在傳感器上，不僅可以提高傳感器的測量靈敏度，還能顯著解決傳感器生銹的情況。

3.1.2 大氣溫濕度

由于農作物的生長發育和外部環境溫度都存在著密切的關系，一旦環境發生變化會對其產生直接的影響，尤其是農作物的生長環境超過正常范圍之后，將會顯著影響農作物的生長發育以及最終的產量，甚至發生農作物死亡的情況。因此，設計人員需要保證農作物的生長環境適宜，并注意農作物種植地區的濕度，避免由于空氣濕度導致農作物的氣孔開閉，從而影響到病菌的繁殖，最終對農作物的生長發育產生影響。因此，在設計這一模板時，需要選擇DHT11 溫濕度空氣傳感器，其具有兩個不同的參數，屬于一種集成程度比較高的處理模板。

此外，則是執行器處理模塊。當物聯網技術采集到的相關信息之后，其需要執行器對周圍的數據進行執行處理。在這一系統的執行處理器中，其主要包含兩個部分：電磁水閾以及排風扇的相關設備。此外，執行其處理模塊中所包含的電流較多，常以小信號和小電流電路常見，且執行器在實際控制階段的驅動壓力以及電壓電流比較大。由于儀器電壓電流較大的時候，會對周圍的信號電路產生相關影響，極易影響人員后續使用繼電器的方法，而對于保護信號以及電路的穩定而言，其主要的內容及時使用繼電器實現控制以及保護措施。因此，執行器在收集到相關信息數據之后，當其超過原本的閾值時，需要通過下達相關指令以及信號內容，可以實現控制三極管的作用，最終保證繼電器可以順利運行或者斷開，有效保證繼電器可以正常運行。

最后，則是系統中的通信模板中電源部分，在實際系統的執行器過程中，其在電磁水閾電路電壓系相關要求比較高，其主要的輸入信息常為20V，并滿足系統驅動的實際電源。因此，設計人員在設計系統的時候需要選擇則輸出的開關電壓，其電源開關主要包括雙組輸出部分，從而滿足系統中大部分的電流實際需求。

3.2 網絡設計

ZigBee屬于目前存在的一種新型的網絡技術，具有較多的優勢，如距離較短、速率較低、應用方式簡便、頻段靈活、功耗較低、成本較低、可靠性較高的特點，ZigBee 是在無線標準的基礎之上所研發出來的，可以自主組成網絡，同時還具有自恢復的能力，已經得到了廣泛的應用。

3.2.1 網絡結構

在ZigBee 的網絡系統中有路由器部分、終端節點部分以及協調器部分，資這三個組成部分使ZigBee 擁有了更加優越的功能。協調器負責構建網絡系統、存儲信息節點以及管理節點等內容。路由器部分則是通過將新加入的節點添加至網絡拓撲中，再對其展開維護工作、管理工作以及通信工作等內容。而終端階段通常并不具有維護網絡系統的能力，其主要的工作內容就是發送信息、接收信息內容，網絡拓撲也包括多個不同的內容，詳細見圖1。

表1：土壤濕度效果

表2：大氣溫度效果

表3：空氣濕度效果

3.2.2 軟件設計

根據我國ZigBee 聯盟所發布的技術相關標準信息內容，大部分生產芯片的企業也根據這一標準設置了合理的協議內容，這些生產企業包括多個TI 公司、AVR 公司、Microchip 公司等，其中的IT 公司選擇自主研發源代碼內容，并對其設置合理的協議內容，而ZigBee 協議則是由企業內的領導層公共協商后定義，并將函數數據庫的作用充分發揮出來，為公司內的編程人員提供根本的數據信息。

ZigBee 協議常選擇使用和CC2530 配套的相關配置，ZStack-CC2530-2.5.1a。并且，ZStack 協議可以充分實現ZigBee 協議內容，編程人員只需要合理編寫實際的使用程序就可以。所以，大部分企業的實際設計過程中，常選擇使用IAR FOR 8051 8.10.3 展開后續的研發工作，而且其可以之處單片機開發，便于設計人員合理開發應用軟件。

部分回路輸出的過程中，由于其輸出值并沒有下一周期的加熱時間，回路的輸出值常是在0.0-1.0 內，其屬于標準化的實數，在輸出變量中傳送D/A 模擬量單元的時候，需要將回路輸出變量轉換成對應的證書，在這一過程中常是實數值標準化的過程。R，（M,OFF）Span（3-7）scalnest

S7-200 并不直接提供實數轉化的質量，需要將實數轉變成雙整數，再將雙整數轉變成證書，其程序代碼如下：

系統中協調器節點常位于網絡節點中，由于協調器不僅承擔著組建網絡以及維護網絡的工作，其還需要承擔和PC 端口交互數據的工作內容。所以，協調器屬于整個網絡系統的中樞部分，詳細見圖2 所示。

系統中的路由器節點常和初始化的協調器相似，其在實際啟動的過程中，會發送相關的入網請求，并由協議棧的網絡層次實現相關工作內容。當系統完成初始化工作之后，可以監聽系統中的無線數據請求信息，并識別即將跳轉的網絡地址。因此，網絡系統中的終端節點不僅需要收集諸多的數據環境信息，還需要對執行器實現局部的控制措施，詳細見圖3 所示。

3.3 系統測試

3.3.1 組網測試

組網測試主要是一個模擬組網，其是由協調器以及終端節點共同組合而成，并通過連接PC 端口接受數據信息，可以實現我國網絡安全的管理以及監控措施，且其進行實際數據處理的結果可以讓PC 端口的串口測試軟件，促使其可以充分出自身的作用，并滿足人員的實際需求。組網測試中的主要命令部分就是系統中的十六進制指令內容，當系統內輸入相關的數據節點后，一旦節點發生問題可以實現自動關閉節點電源，幫助系統順利找回丟失的數據信息內容。

3.3.2 執行控制功能測試

設計人員想要保證測試結果后的最終數據端口可以順利采集信息并實現自動化的控制功能，可以讓其模擬不同的系統對土壤濕度以及大氣濕度的控制效果。首先，對于土壤控制方面，設計人員想要通過系統設計出土壤濕度的實際控制情況，需要將不同的土壤濕度分別放置干濕度不同的土壤中。設計人員通過上位機可以發現參與測試土壤的濕度分別是02D0 以及05E9（十六進制），設計人員還需要將電磁水閥的實際閾值參數設置為05DC，最終測試結果見表1。

空氣濕度若高于原本設定的閾值時，風扇會自動進行降溫處理。通過設置上位機設備風扇的相關閾值參數為指定的27℃后，可以使用加熱器設備模擬空氣溫度逐漸上升的情況，詳細請見表格2。

最后，則是空氣濕度的控制效果測試，相關人員可以使用加濕器對其進行人為的干預措施，其使用原理和降溫大致相同，同時使用排風扇對空氣的實際濕度進行合理的控制措施。本次實驗測試過程中，主要將排風扇的實際閾值參數設置為75，詳細見表格3。

4 結束語

簡而言之，智能農業是我國未來科技發現的主要趨勢，隨著我國科學技術以及農業迅速發展的同時，物聯網技術也廣泛應用于農業發展中。本文主要介紹了物聯網技術下智能農業的相關設計，通過數據信息采集、自動控制等相關方面，使物聯網技術下的智能農業可以穩定運行，極大的促進了我國農業的發展。我國不僅開展了智能農業，同時還實施了智能制造的發展戰略，由此可見在未來的社會發展進程中，每個行業都會向著智能化的趨勢發展。