智能農業大棚生產環境調控系統

劉 燦，朱曉坤，丁 奇，邢康慧，伍 剛

（西安工程大學 理學院，西安 710048）

近年來，隨著全球氣候異常多變和農產品需求的快速增長，國內農業大棚數量不斷增多，但其中多數大棚管理模式還停留在全憑感覺的人工管理階段[1]，隨著科技的不斷發展，國家對新農村建設投入的力度也越來越大。

本文設計了一種基于物聯網的智能農業大棚生產環境調控系統，解決人工管理費時費力等問題，能大大提高農業生產效率，減少資源浪費和環境污染，幫助農民提高收益，為促進現代農業的轉型升級提供技術支撐的同時帶動新農村的改革建設[2]。

1 系統整體設計

智能大棚生產環境調控系統的設計采用“感知—傳輸—應用”模式[3]。大棚監測終端實時采集大棚內的CO2氣體含量、氣溫、土壤濕度和pH及光照強度等數據并上傳至云平臺，云平臺會對這些數據進行分析并根據實際情況發布指令，再通過物聯網關及無線傳感網絡將這些指令發布到各個農業設備的控制節點上進而控制對農作物的灌溉、施肥、遮光、補光及通風等操作，同時管理人員也可遠程對大棚內的環境情況實時觀測及對監測終端下發指令，以實現對農業大棚生產的全天候監測、標準化種植和智能化管理，提高農業生產效率，減少資源浪費和環境污染，智能大棚系統總體設計如圖1所示。氣象監測模塊和土壤監測模塊實時采集農業大棚內的農作物生長環境參數，通過NB-IoT網絡傳輸至騰訊云平臺，云平臺分析處理后，通過NB-IoT網絡下達調控指令至氣象調控模塊和土壤調控模塊，來完成對農業大棚內的生長環境調控。

圖1 系統總體設計

2 數據采集

吳曉斌[4]將NB-IoT技術應用于窨井蓋及井下工況遠程監控，NB-IoT技術具有功耗低、覆蓋面廣等特點，提高了區域覆蓋能力，解決了農業大棚監測設備安裝較為廣泛不易監控的問題，且其功耗低的特點使得一塊5 Wh的電池可以供終端使用長達10 a的時間（理論層面），滿足智能農業大棚的監測終端常年處于溫熱潮濕的惡劣環境。本文智能農業大棚生產環境調控系統的數據采集由氣象監測模塊和土壤檢測模塊完成，監測模塊和云平臺通過NB-IoT網絡實現數據傳輸。監測模塊由空氣溫度傳感器、空氣溫度傳感器、光照強度傳感器、CO2氣體傳感器、土壤濕度傳感器、pH傳感器和NB-IoT通信模塊等組成。實時監測溫室大棚內部的空氣溫濕度、光照強度、CO2氣體含量和土壤濕度及pH等數據。該模塊主要負責大棚內部生產環境數據的采集和傳輸。土壤監測模塊架構如圖2所示，氣象監測模塊架構如圖3所示。

圖2 土壤監測模塊

圖3 氣象監測模塊

3 云平臺

騰訊云云服務器可以在智能移動終端上隨時隨地對環境進行遠程調控[5]。智能農業生產環境調控系統云平臺基于騰訊云云開發設計，預先在云端建立已知農作物的最佳生長環境相關參數的數據庫，如圖4所示。在農作物參數菜單頁內可以添加不同農作物的生產環境參數，根據實際農作物適宜的生長環境設置如溫度、空氣濕度和土壤pH等參數的范圍數值，以此作為智能農業大棚生產環境調控系統的后臺數據庫。根據種植的農作物調用適合農作物的生產環境數據，以此作為傳感器的監測標準，通過對農作物生長的環境數據進行采集、上傳之后，云平臺會對這些數據進行分析處理，并根據實際情況對環境調控模塊發布調控指令。農作物生產環境監測情況如圖5所示。

圖4 云平臺數據庫

圖5 農作物生長環境監測情況

4 環境調控

環境調控由土壤調控模塊和氣象調控模塊完成，調控模塊和云平臺通過NB-IoT網絡實現數據傳輸。土壤調控模塊依據云平臺的調控指令對不同作物生長需求進行滴澆灌溉和施肥處理，改變土壤的溫濕度和酸堿度，以達到最適合農作物生長的土壤環境；氣象調控模塊依據云平臺的調控指令對不同作物生長需求進行加濕、通風和補光等處理，改變空氣的溫濕度，CO2氣體含量和光照強度，以達到最適合農作物生長的氣候環境。土壤調控模塊和氣象調控模塊依據云平臺的調控指令可以實現對農業大棚內農作物生產環境的實時調控，能大大提高農業生產效率，減少資源浪費和環境污染。土壤調控模塊架構如圖6所示，氣象調控模塊架構如圖7所示。

圖6 土壤調控模塊

圖7 氣象調控模塊

5 結束語

文中設計了一種智能農業大棚生產環境調控系統，包括氣象監測模塊、土壤監測模塊、云平臺、氣象調控模塊和土壤調控模塊。監測模塊實時采集農業大棚內農作物的生長環境參數并傳輸數據至云平臺，云平臺根據預先選擇的農作物的生產環境參數標準，對監測模塊傳輸來的數據進行分析處理后，對不適宜相應農作物生長的環境下達調控指令，調控模塊接收到來自云平臺的調控指令改變不適宜農作物的生產環境，最終把不適合農作物生產的環境調控成適合農作物生產的環境，實現農業生產的全天候監測、標準化種植和智能化管理，大大提高農業生產效率，減少資源浪費和環境污染。