淺析基于物聯網的農業遠程自動化控制

李林峰

（河南工業貿易職業學院，河南 鄭州 451191）

0 引言

如今，農業領域已經取得了巨大的進步，通過融入“互聯網+”、自動化、人工智能等技術，更精細化地實施農田管理。農業領域的新技術創新是非常重要的，也引領了農業的未來發展。在農業各個領域的發展中，筆者發現了需求的技術與方向，這些需要一個實時的系統來解決，該系統可以自動化控制并通過網絡傳輸數據，也可以進行溝通交流。系統具有友好的用戶界面，易操作，易維護，任何人都可以很容易地操作。系統由主控制器和若干傳感器組成，通過物聯網技術傳遞數據，農民和科技人員可以很容易得到農田的情況，并實時獲得數據，而不需要親自到田間地頭[1]。

事實上，在農業生產中，任何一個機械化問題都是有可能出現的。出現問題的原因可能是某些自動化機械設備的參數來源問題，許多源參數是從其他領域獲得的，可能在實際操作過程中不太適合農業領域，這就需要重新獲取相應參數，應用到自動化設備中[2]。

物聯網技術的出現具有顛覆性，其具有的連接功能，使其具有可以連接任何類型設備的能力。物聯網的應用可以收集和存儲數據在遠程云端。物聯網的特點是將低功耗和低內存的設備與其他類似的設備相連，這種通信和效率在近距離環境中的應用，主要集中在可穿戴設備、智能家庭、智能醫療、家電、交通控制、環境監測、工業檢測等。目前，農業領域已經逐步使用物聯網技術，涉及灌溉系統、水檢測系統、土壤檢測系統等，可以科學地為農民和科技人員提供參考幫助[3]。

1 實現

物聯網被用于農業領域，將基于農業的傳感器連接到控制器，互相協調并通過互聯網發送和接收數據。收集的數據用于分析和決策。市場上有各種傳感器可以用于農業領域，可以用于自動化檢測溫度、濕度、pH值、環境值等，這種自動化可以被優化，以減少人工調查。結果表明，通過傳感器參數的設置，可以通過互聯網技術通知用戶。筆者主要介紹以下幾種在農業領域中使用的設備[4]，如圖1所示。

圖1 農業物聯網架構

1.1 控制器

Atmega328p板卡是一個控制器，它是一個主控設備，作為系統啟動的控制單元，對其他設備進行控制，并通過物聯網接口發送實時信號。Arduino板卡是一個有用的微控制器，作為主設備。這是一個處理單元，完成所有的內部操作。它可以獲取數據，并將數據傳遞給運算器，也可以將數據傳遞給終端。這些數據當中可能存在錯誤，板卡可以很容易地進行修復，并同步到其他組件，同步的數據可用于傳輸和接收。陣列是有計算路徑的，可以改變數字信號。從屬方收集的傳感器數據在主控制器上被讀取。這個器件作為主控器可以依次提取數據，并有能力在控制器引腳上改變控制器引腳的優先級。這就是農業領域中經常使用的第三方核心[5]。

1.2 顯示器

為了查看、了解主控制器接收的數據，需要使用顯示器。在顯示器上，每個操作都可以顯示出來。參數的傳入和傳出都是可以顯示的。它具有光調制特性，由液晶組成。顯示屏將出現在設備中，以便實時顯示，幫助農民和科技人員了解實時數據，確定可以采取的行動，然后再行動。也可以使用更大像素的顯示屏，但是這種顯示屏在與Arduino的固定連接中可以更加適合。在智能化的農業領域，像Arduino這樣的設備是十分必要的，作為農民和科技人員了解農作物生長情況的數據收集設備，可以利用這一設備對下一步需要采取的應對手段做出判斷。

1.3 pH傳感器

pH傳感器是一種邏輯儀器，用于檢測被測物氫離子濃度并轉化成可用的輸出信號。智慧化農業需要這樣的傳感器為農民和科技人員提供所需要的數據。pH傳感器可以精確地獲取被測物的數據，并將數據轉化為電信號，從而使其成為控制器。例如，pH傳感器可以檢測水的堿度，并將數據傳輸到控制器。pH傳感器作為一個從屬設備，可以產生輸出數據，其結果被輸入主設備。大多數pH傳感器設備在精度上都有局限性，但是對于農業領域來說，pH傳感器是綽綽有余的，可通過pH電極獲得實時數據。

1.4 DHT11

DHT11是一款必不可少的、簡易的、已校準數字信號輸出的溫度和濕度傳感器。它利用電容式溫度傳感器和熱敏電阻來檢測空氣的溫濕度，并在信息引腳上發出一個高級信號。DHT11傳感器每2 s輸出一次數據，傳輸給主設備，使主設備立即獲得更新的值，得到的實時數據和變化數據可以應用于計算。DHT11是一個低功率的設備，但是它是一個功能強大的傳感器，可以將轉換后的數據作為模擬電信號準確地輸出。

1.5 濕度傳感器

該傳感器主要用于測量土壤中的水分含量，可直接將結果發送給主控制器，用于自動化灌溉的參數收集。這種傳感器在測量傳感器參數方面具有高精度的特點，并且可自動校準，對土壤實時監測，將數據發送給主設備。當土壤中水分較少時，可以在傳感器的幫助下確定農田灌溉的需求，這樣可以確保土地不會缺少水分，也不會水分過多。

1.6 GSM模塊

GSM是與主設備和從設備建立通信，其中，系統設備作為主設備，傳感器作為從設備。數據從一個設備傳輸到另外一個設備，沒有任何延遲，一般用于同步通信，這樣就可以獲得實時數據。使用的頻段是900 MHz，它將數據數字化，并以64 kbps的數據速率在信道中發送信息。該系統還可以用于發送短信，這樣農民就可以得到實時的數據。

1.7 能耗

基于網絡在整個系統中的重要地位，因此，網絡的穩定性和可靠性是網絡生存能力的最好體現。在生產、生活中，網絡的修改和維護延長了網絡壽命，但也可能對系統造成損失。在農業領域，有些設備需要布置在偏遠地區，導致這些設備無法頻繁充電，一些低功率傳感器的應用能增加設備的續航能力，但是解決不了充電問題。筆者期望在整個架構中的每一層都有輕量級協議設備，這樣在運轉中需要消耗的電量會減少很多。傳輸數據時消耗的電量比設備接收數據時消耗的電量要多。由于物聯網網絡在數據傳輸和存儲時需要與云端進行數據交換，所以每個節點都需要消耗電量。因此，在設計系統時，解決硬件和軟件設備功耗問題是一個重點。

1.8 安全

設備數據的安全性和設備位置的隱私性是至關重要的方面。由于篡改或泄露數據導致的自動化系統故障，會在許多方面對系統造成威脅。隨著感知數據和設備的安全，數據上游和下游的安全也應該得到保障[1]。

2 工作流程

1）下面利用水系統管理來描述基于遠程控制的農業物聯網。農業中的用水量根據以下因素而變化：作物類型、季節、一天中的時間、持續時間、氣候、地面坡度的變化和耕作方法等。農作物的需水量可以統稱為消耗性用水，消耗性用水是指植物在生長過程中的用水量，另外還有不可避免的水損失和特殊需要的水，可能是由于滲水、深層滲水和水在其儲存區的蒸發。農業所需的水由降雨、灌溉、地下水和露水滿足。如果降雨量少，地下水位很低，露水量不大，那么就必須依靠灌溉。這就需要一個高效的供水系統，以便在灌溉中合理利用水資源，不造成任何浪費，并保障水質[6]。

如圖2所示為水管理流程框架圖。①檢查土壤和土壤的水分含量和污染物。如果沒有達到最小值的標準，則檢查灌溉系統。②如果灌溉系統不工作，那么控制器和管理組會收到有關該問題的警報，提醒管理組采取措施解決這個問題，并修正框架系統。如果灌溉系統工作正常，那么框架系統會檢查供水量，通過傳感器隨時檢測水分含量。③如果水位太低，農民和技術人員要向管理組說明情況，及時進行系統維護。如果水位正常，則實現對農作物的灌溉。

圖2 水資源的自動化管理

物聯網技術被用于連接基于農業的傳感器和控制器，以便互相協調，并通過互聯網發送和接收數據。所收集的數據可用于分析和決策活動。在決策應用的情況下，通過網絡中智能傳感端調控環境。這種自動化可以被優化，以簡化農場的水、空氣和土壤的質量監測工作，提高作物產量，節省農業資源。

2）土壤護理的流程。該流程分為幾個階段，主要是檢查有機肥料的有效性，不同類型的肥料是否充足，后續應該使用哪種肥料，通過傳感器給出結論。在檢查中需要使用兩種傳感器，一個傳感器主要負責篩查土壤pH值情況，以及檢查補充劑的情況；一個傳感器對土壤水含量及肥料含量做出篩查，如果水含量不達標，灌溉系統會告知管理組并啟動；如果沒有到達臨界值，灌溉系統會告知管理組并提前結束。這就是傳感器在農業領域的應用，隨著相關技術的不斷發展，越來越多的智能化設備被用在農業中，這樣的工作流程是十分必要的[7]。

3）pH值的算法：啟動程序——監測土壤成分——土壤pH值超過閾值——檢查過量的肥料——顯示傳感器返回值——檢查參數——顯示傳感器返回值——pH值<閾值——檢查缺肥情況——顯示傳感器返回值。

3 結論

自古以來，農民遇到各種問題時，都是依靠經驗判斷解決。如今，利用物聯網和計算機技術，可以解決很大一部分農業領域遇到的問題，而且可以根據大數據技術得出的結論，指導農民計劃種什么以及如何進行科學種植。可以建造一個智能農業企業框架，它不需要人工進行干預，可以在沒有人工的情況下實現種植與收割。綜上，利用智能化技術，可以更高效地發展現代化農業。