基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)光強(qiáng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

黃 來(lái)，劉非凡

（1.沈陽(yáng)化工大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142；2.淮陰工學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 淮安 223002）

0 引 言

隨著智慧中國(guó)戰(zhàn)略的布局，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在各領(lǐng)域嶄露頭角?，F(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中提升植物光照強(qiáng)度的主要方式是溫室大棚，但這種方式仍然不能讓農(nóng)作物有充足的光照條件。我國(guó)溫室種類多、分布地域廣，采用有線通信方式的測(cè)控產(chǎn)品時(shí)安裝成本較高、維護(hù)工作量大、電源供給不便，將物聯(lián)網(wǎng)軟硬件技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)設(shè)施中將大幅度提高溫室作物單位面積的勞動(dòng)生產(chǎn)率和資源產(chǎn)出率，所以對(duì)實(shí)現(xiàn)溫室作物生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

為此，本文針對(duì)智慧農(nóng)業(yè)中的光強(qiáng)調(diào)節(jié)，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)光強(qiáng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要分為監(jiān)測(cè)功能系統(tǒng)、監(jiān)控功能系統(tǒng)。其中監(jiān)測(cè)功能系統(tǒng)是通過(guò)在農(nóng)業(yè)園區(qū)內(nèi)配備無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)可監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)環(huán)境的光照強(qiáng)度參數(shù)；監(jiān)控功能系統(tǒng)是根據(jù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)獲取無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，與設(shè)定好的閾值進(jìn)行比較，從而通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)對(duì)具體輸出設(shè)備如補(bǔ)光燈、電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制。此外，用戶可通過(guò)拓展微信小程序功能對(duì)該系統(tǒng)的光照強(qiáng)度進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)讀取、手動(dòng)控制，使其更加智能化、便利化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括傳感器采集層、網(wǎng)絡(luò)通信層、數(shù)據(jù)中心客戶端層、反饋應(yīng)用層。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

（1）傳感器采集層包含環(huán)境光照度傳感器，實(shí)時(shí)采集農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的光照強(qiáng)度。

（2）網(wǎng)絡(luò)通信層是由ZigBee智能節(jié)點(diǎn)和以微控制器為核心的智能網(wǎng)關(guān)組成，能夠支持ZigBee、WiFi等數(shù)據(jù)的解析接入，提供傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)云數(shù)據(jù)中心的接入服務(wù)，能夠容納多種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)支持多達(dá)1 000多個(gè)節(jié)點(diǎn)的接入。此網(wǎng)關(guān)通過(guò)2.4 GHz無(wú)線通信與各ZigBee智能節(jié)點(diǎn)組成無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，還可以通過(guò)TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到云端數(shù)據(jù)中心，解決遠(yuǎn)程監(jiān)控問(wèn)題。

（3）數(shù)據(jù)中心客戶端層包括Android、Web、PC端。用戶可通過(guò)云端數(shù)據(jù)中心讀取農(nóng)作物的光照強(qiáng)度，對(duì)采集的光照強(qiáng)度與設(shè)定的值進(jìn)行比較，并對(duì)反饋層進(jìn)行下一步操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。此外，還可拓展微信公眾號(hào)功能，實(shí)時(shí)查看采集的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并可通過(guò)客戶手動(dòng)控制對(duì)光照度進(jìn)行有效的管理。

（4）反饋應(yīng)用層包括輸出設(shè)備，如補(bǔ)光燈、混合式步進(jìn)電機(jī)等。當(dāng)數(shù)據(jù)中心檢測(cè)到光照強(qiáng)度高于設(shè)定值時(shí)或用戶客戶端手動(dòng)控制時(shí)，打開(kāi)電機(jī)，帶動(dòng)卷閘進(jìn)行遮陽(yáng)；當(dāng)檢測(cè)到光照強(qiáng)度低于設(shè)定值時(shí)或用戶客戶端手動(dòng)控制時(shí)，打開(kāi)補(bǔ)光燈進(jìn)行補(bǔ)光操作。

2 軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

在智慧農(nóng)業(yè)光照調(diào)節(jié)中，最重要的硬件部分是STM32F103系列控制器，該控制器是一個(gè)智能電子測(cè)控系統(tǒng)。智能網(wǎng)關(guān)采用三星ARM Cortex-A9 S5P4418四核處理器 / ARM Cortex-A53 S5P6818八核處理器，集成WiFi、藍(lán)牙模塊，支持智慧云輕量級(jí)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，支持ZigBee、WiFi、BLE、433M、LoRa、NB-IoT、LTE、6LoWPAN 等數(shù)據(jù)的解析接入，提供傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)云數(shù)據(jù)中心的接入服務(wù)，能夠容納多種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，最多同時(shí)可支持多達(dá)1 000多個(gè)節(jié)點(diǎn)的接入。無(wú)線節(jié)點(diǎn)主要采用工業(yè)經(jīng)典型節(jié)點(diǎn)，以無(wú)線模組作為MCU主控，包含多種繼電器功能，提供3.3 V、5 V、12 V的電源輸出，可選配諸如ZigBee、WiFi等各種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模組。光照強(qiáng)度傳感器采用壁掛式或吸頂式，測(cè)量范圍為0～65 535 lx，接口類型為IC總線型。步進(jìn)電機(jī)主要采用混合式，轉(zhuǎn)矩為0.5。信號(hào)燈與光照傳感器一樣采用壁掛式，與間接控制器相連，提供紅、綠、藍(lán)三色光，并可獨(dú)立控制三種燈的開(kāi)關(guān)，對(duì)昏暗環(huán)境進(jìn)行補(bǔ)償。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要是系統(tǒng)初始化，包括外設(shè)接口化、存儲(chǔ)器初始化，流程如圖2所示。主流程為先對(duì)農(nóng)作物周圍環(huán)境光照強(qiáng)度進(jìn)行采集，將得到的光強(qiáng)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心端，數(shù)據(jù)中心端通過(guò)微信小程序?qū)⒐庹諒?qiáng)度信息呈現(xiàn)給用戶，用戶可選擇手動(dòng)或自動(dòng)對(duì)實(shí)時(shí)光照進(jìn)行調(diào)節(jié)。在自動(dòng)模式下，處理器將光照傳感器得到的光照強(qiáng)度值與提前設(shè)置好的閾值進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)實(shí)時(shí)值比閾值低時(shí)，此時(shí)的光照條件不利于作物生長(zhǎng)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸來(lái)控制控制器，打開(kāi)信號(hào)燈進(jìn)行補(bǔ)光，實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)；當(dāng)光照值大于用戶設(shè)定閾值時(shí)，控制器則通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)塑料遮光膜進(jìn)行遮光。在手動(dòng)模式下，控制器程序根據(jù)遠(yuǎn)程可視化界面的用戶指令來(lái)判斷是否對(duì)光照進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 系統(tǒng)流程

3 遠(yuǎn)程光控調(diào)節(jié)系統(tǒng)客服端設(shè)計(jì)

用戶遠(yuǎn)程客戶端采用Java進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可以實(shí)時(shí)采集農(nóng)產(chǎn)品的光照強(qiáng)度，同時(shí)還可以對(duì)軟件相關(guān)參數(shù)進(jìn)行配置，該系統(tǒng)傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)都是加密的，可最大限度地保障用戶數(shù)據(jù)安全，如圖3所示。

圖3 手機(jī)遠(yuǎn)程客戶端系統(tǒng)

本軟件具有通過(guò)監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)光照強(qiáng)度來(lái)評(píng)測(cè)植物健康狀態(tài)的功能，用戶可連接網(wǎng)絡(luò)，查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行模式選擇。用戶可通過(guò)點(diǎn)擊右上角“關(guān)閉”按鈕來(lái)關(guān)閉與云端的連接，點(diǎn)擊右下角的綠色按鈕可觀看當(dāng)前植物的快照，點(diǎn)擊模式的手動(dòng)按鈕將會(huì)進(jìn)入手動(dòng)調(diào)節(jié)模式，此時(shí)滑動(dòng)上方的光強(qiáng)滑塊可控制電機(jī)或信號(hào)燈對(duì)光照進(jìn)行調(diào)節(jié)，點(diǎn)按自動(dòng)機(jī)器人圖標(biāo)將會(huì)把得到的光強(qiáng)值與設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，若低于設(shè)定值，則自動(dòng)打開(kāi)信號(hào)燈補(bǔ)光；反之，則電機(jī)工作。

4 測(cè)試與驗(yàn)證

對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行了一系列測(cè)試，主要測(cè)試電機(jī)是否正常轉(zhuǎn)動(dòng)、與塑料膜的連接以及響應(yīng)的快慢。同時(shí)，對(duì)植物從強(qiáng)光條件變?yōu)檎诠鈼l件時(shí)進(jìn)行光合作用所產(chǎn)生二氧化碳減少值的曲線，以及從弱光條件變?yōu)檠a(bǔ)光條件時(shí)信號(hào)燈照明時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)植物恢復(fù)正常光合作用進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖4所示，為日后的大面積農(nóng)業(yè)應(yīng)用提供了可靠性依據(jù)。

圖4 光合作用曲線

5 結(jié) 語(yǔ)

本文的研究充分證明了智慧農(nóng)業(yè)對(duì)正常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的作用，解決了在極端天氣情況下大范圍溫室農(nóng)作物對(duì)太陽(yáng)光照的依賴；同時(shí)，遠(yuǎn)程的終端客戶端也為未來(lái)農(nóng)業(yè)的新發(fā)展提供了技術(shù)支持。對(duì)本項(xiàng)目軟硬件進(jìn)行了一系列測(cè)試，證明系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求和目的，具有很高的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。此外，系統(tǒng)中可以輔助加入二氧化碳傳感器、土壤溫濕度傳感器、PH值傳感器以及澆水自動(dòng)裝置來(lái)形成一個(gè)更完整的生產(chǎn)體系。