一種基于虛擬仿真的智慧農業系統方案設計及實現

欒嵐

摘? 要：隨著人工智能、云計算、物聯網技術在各行各業中的滲透應用，傳統依賴于人工經驗的勞作模式已然不能跟上現代社會科技的發展。該文介紹了一種在虛擬仿真平臺上的智慧農業系統的設計方案及實現，通過仿真測試該方案利用Zigbee實現了對農業作業中的相關實時數據的監測，運行穩定，數據準確，可以實現對智慧農業園的環境監測及聯動相應的環境操作。

關鍵詞：Zigbee? 虛擬仿真? Socket通信? 聯動

中圖分類號：TP319 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）02（a）-0011-02

中華民族自古以來就是農業大國，幾千年來傳統農業勞作都是憑借經驗對農作物進行施肥灌溉，缺乏有效的技術手段采集農作物生長環境參數，這其中不僅對人力、物力、時間造成浪費，甚至還會對自然環境資源的可持續性發展帶來不良影響。2018年中央一號文件《關于實施鄉村振興戰略的意見》也提到了要提高農業質量效益和競爭力。農業農村農民問題是關系國計民生的根本性問題。沒有農業農村的現代化，就沒有國家的現代化[1]。該文針對上述問題，在虛擬仿真實驗平臺上利用實時、動態、高效的通信方式采集環境數據，如空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照強度、土壤溫濕度等若干環境參數的實時監測;實現對農業大棚的噴淋設備、通風設備、照明設備等進行可視化的遠程控制實現，能夠通過控制系統啟動相關環境操作或者智能聯動環境操作以及多樣化的報警方式。如果能夠得到更為精準的、專業的、科學的且能夠有效促進農作物生長所需的相關環境參數，該系統能夠達到更好地應用推廣及使用價值。

1? 系統方案

為了得到精確、實時的相關環境監測數據，在該方案中采用何種方式進行通信是需要首先解決的問題之一。方案采用Zigbee的通信協議，Zigbee是一種基于802.15.4物理層協議、支持自組網、多點中繼，可實現網狀拓撲的復雜的組網協議，加上其低功耗的特點，使得網絡間的設備必須各司其職，有效地協同工作。該系統采用的是ZigBee網狀拓撲，其優點除了滿足ZigBee樹狀拓撲的所有功能之外，其相鄰路由器之間也存在通信關系，使得網絡的動態分布更為靈活，路由能力更加穩定、可靠。可以充分發揮出ZigBee網絡的自組織優勢。通常在支持網狀網絡的實現上，網絡層會提供相應的路由探索功能，這一特性使得網絡層可以找到信息傳輸的最優化的路徑。并且以上所提到的特性都是由網絡層來實現，應用層不需要進行任何的參與。這樣就極大地方便了這種拓撲結構的應用。網狀網絡拓撲結構的網絡具有強大的功能，網絡可以通過“多級跳”的方式來進行通信;這種拓撲結構還可以組成極為復雜的網絡;網絡兼具備自組織、自愈功能。

另外一個系統需要實現的重點是C#中的Socket通信，Socket是應用層與TCP/IP協議族通信的中間軟件抽象層，它是一組接口，應用程序可以通過它發送或接收數據，可對其進行像操作系統對文件管理一樣的打開、讀寫和關閉等操作。套接字允許應用程序將I/O插入到網絡中，并與網絡中的其他應用程序進行通信。網絡套接字是IP地址與端口的組合。在設計模式中，Socket其實就是一個門面模式，它把復雜的TCP/IP協議族隱藏在Socket接口后面，對用戶來說是透明的，一組簡單的接口就是全部，讓Socket自己去組織數據，以符合指定的協議。

2? 系統設計

系統的上位機軟件采用Visual Studio2015為開發環境，通過ASP.Net技術和C#來進行開發。VS是一個完整的開發工具集合，它包括了整個軟件的生命周期中所需要的大部分工具，如UML工具、代碼管控工具、集成開發環境（IDE）等。利用Visual Studio所寫的目標代碼也適用于絕大多數平臺。

仿真環境采用的是京勝世紀物聯網產品中心的物聯網虛擬仿真實驗平臺，該平臺虛擬仿真了各種RFID、WSN等市面上常見的物聯網前端設備。具有真實物理設備的完整接口和實際特性，可以通過串口和網絡接口進行訪問。在此平臺上能夠仿真驗證實現的設計方案只需要再添加提供物理設備進行連接就可以直接進行運行、實現。

3? 系統測試

系統運行用戶界面如下，通過對IP地址和端口號的的錄入，網關連接成功，能夠立即刷新顯示傳感器獲取到的環境參數。根據獲取的實時環境參數空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照強度、土壤溫濕度等數據可以通過手動控制或自動聯動的方式進行相應的物理設備進行不同的處理。

如果檢測到的溫度數據不適宜農作物生長，則可通過控制內外通風設備或內外遮陽設備開啟關閉操作進行調節，如果檢測到的濕度數據不適宜農作物生長則可通過對噴淋設備和水簾設備及相應的通風設備和遮陽設備的開啟關閉控制進行調節，如果檢測到的光照強度數據或者空氣質量數據不適宜農作物生長可以通過對天窗設備和遮陽設備的開啟關閉控制進行控制調節。對于設備控制分成兩種形式：系統界面人工手動控制和自動聯動控制。其中系統界面人工手動控制是由管理員通過對數據的實時判定根據其自身掌握的農作物生長環境數據的相關經驗和判斷在系統用戶界面上來進行相應的設備啟動和關閉的操作，可以對各類設備進行單獨的控制;自動聯動控制則是由系統自動根據預先在系統中由后臺程序設置好的農作物生長環境參數范圍值和實時監測到的農作物生長環境的各類參數值進行數據比較，進而自動完成邏輯判定接著聯動相應設備的啟動和關閉，該方式可脫離人工監控，智能化更高，唯一存在的問題就是預先設置在后臺程序中的農作物生長環境參數范圍值是否精準，是否是當前時節環境的最佳值。相關設備的啟動和關閉狀態都可以在仿真平臺上的設備上觀察到相應的運行狀態。

4? 結語與展望

該系統能夠實時、動態、高效的采集環境數據，實現了對空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、光照強度、土壤溫濕度等若干環境參數的實時監測;實現了對農業大棚的噴淋設備、通風設備、照明設備等進行可視化的遠程控制實現，能夠通過控制系統啟動相關環境操作或者智能聯動環境操作以及實現了多樣化的報警方式。

系統功能拓展如下。

（1）將傳感器所提取到的不同時間、季節的相應信息數據進行分析存檔入庫。借助云計算大數據等科學技術為不同農作物建立專家數據庫。該數據庫可以根據農作物種植經驗和種植技術制定智能決策功能。它可以提醒管理者根據作物的實時生長狀況和趨勢，在適當的時間增加肥料或開展除害工作。通過這種方式，管理人員將在收到信息后采取行動，及時施肥、補充養分、噴灑藥物等，確保農作物健康生長。

（2）增加圖像識別技術。利用網絡結合大數據平臺進行有效分析，監控識別植物生長過程精準把控植物生長過程中的各個形態，精準預測農作物生長態勢，病蟲害災害預警，實現高強度生產，規避農作物的自然災害風險，提高農業智慧化水平。隨著物聯網技術的成熟和應用，智慧農業將進一步從單一的溫室大棚監控轉變為農業生產過程的整體控制，實現對土地資源的高度一體化生產、生態管理，從而確保農產品高質量、高數量的產出。

隨著物聯網技術的發展，尤其是無線網絡技術的發展、圖像處理技術的改進以及云計算大數據技術的應用，智慧農業將擁有巨大的應用前景。今后的物聯網技術將更加深入地融入農業管理和生產以及經營，必將為農業生產帶來新鮮動力。

參考文獻

[1] 馬佳力，謝婭婭.基于物聯網的智慧農業大棚系統的研究與實現[J].信息通信，2019（1）：134-135.

[2] 張海蘭，雷桂平.基于物聯網的智慧農業大棚系統架構設計[J].信息記錄材料，2018，19（2）：63-64.

[3] 張越杰.基于物聯網智慧農業信息平臺建設精準監測與智能控制系統的研究[D].曲阜師范大學，2017.

[4] 段益群，劉國彥.基于物聯網的智慧農業大棚系統設計[J].軟件工程師，2013（12）：31，35.

[5] 黃鴻鋒.基于Zigbee技術的農作物溫室大棚監控系統的設計和實現[D].電子科技大學，2014.

注釋

①來源于《中共中央國務院關于實施鄉村振興戰略的意見》（2018年1月2日）。