基于物聯網技術的智慧農業沙盤系統設計與實現

李 浩

（湖南生物機電職業技術學院，湖南 長沙 410126）

智慧農業是按照工業發展理念，以信息和知識為生產要素，通過互聯網、物聯網、云計算、大數據等現代信息技術與農業跨界融合，實現農業生產全過程的信息感知、定量決策、智能控制、精準投入和個性化服務的全新農業生產方式[1]。其中物聯網技術的快速發展[2]，為智慧農業提供了重要基礎。智慧農業設施大棚是應用農業物聯網技術的一個典型代表[3]，在智慧農業專業人才培養中，并非所有的教育和培訓機構都具備在智慧農業大棚中開展實訓教學的現實條件，而隨著沙盤系統設計向通用模塊化方向發展，能夠在軟硬件層面以有限的資源集中體現復雜的應用場景，因此可利用沙盤模型模擬真實大棚的農業生產環境。以沙盤展現的智慧農業生產應用場景為教學引例，以其運行過程為教學演示、以系統的實現過程為教學內容，形成有效的教學方式與手段[4]。除應用于智慧農業教學外，也可針對真實的智慧農業大棚生產管理，以沙盤系統為載體，運用物聯網技術對大棚生產環境進行監控，對各項生產環境指標進行智能化分析并據此進行生產環境調控。為此，基于物聯網技術，設計一種可同時應用于智慧農業實訓教學和智慧農業溫室大棚生產管理的農業沙盤系統，為智慧農業教學與生產實踐提供技術支撐。

1 系統設計

按照基于物聯網技術的智慧農業溫室大棚系統架構，即感知層、傳輸層、服務層、應用層（圖1），在學校教室內或戶外制作智慧農業沙盤模型，在沙盤有限的空間內集中體現智慧溫室大棚的上述4個系統層次。

智慧農業沙盤系統以沙盤實體模型為載體（圖2），由環境感知和控制系統與配套軟件系統（服務管理平臺）構成。沙盤可獨立模擬智慧農業溫室大棚生產管理的各個環節，為智慧農業實訓教學提供實操環境，還可與實際存在的智慧農業溫室大棚相配套，支持觸控一體機、Web 應用或利用智能手機App 通過4G 或5G 網絡遠程實時監控大棚生產環境，并可基于對各項環境數據的分析，手動或自動地對大棚內的控制設備下達指令，調控大棚生產環境，為大棚提供可視化、全天候、自動化的智能管理平臺。

圖2 智慧農業沙盤實體

2 系統實現

2.1 硬件系統搭建

2.1.1 環境監測 在沙盤或真實大棚內安裝工業級傳感器進行實時數據采集，監測空氣溫濕度、土壤水分、光照度等生長環境指標，如采用CO2濃度傳感器實時檢測CO2濃度；采用雨水傳感器實時檢測是否下雨及雨量的大小；采用風速傳感器實時監測風速、風量大小；采用風向傳感器穩定準確地采集環境風向信號；采用土壤酸堿度傳感器實時監測大棚內部土壤pH等。采集的各項數據通過ZigBee無線通信等方式，以ARM智能網關為核心[5]，傳輸給服務管理平臺進行分析處理。

2.1.2 視頻監控 通過部署攝像頭實時捕獲大棚內部影像，用戶通過服務管理平臺可在控制中心的顯示器上實時查看大棚的各項環境參數，還可通過PC或手機APP遠程訪問的方式觀看大棚內實時影像，對大棚內部各項設備的運行狀況進行有效監控。

2.2 軟件開發

以云服務為核心，整體使用spring +hibernate 框架進行設計，開發基于云計算平臺的服務管理平臺，所有代碼開放獲取，便于用戶使用和學習。采用通用分組無線服務（4G、5G、WIFI）組網技術實現數據的接入，使用websocket作為服務器和網關節點之間、服務器和客戶端之間創建全雙工的數據通訊通道，便于云服務器推送和接收實時數據。數據存儲采用SQL 數據庫和云存儲。數據呈現、查詢、分析通過應用NET．ASP 及Flash技術在云平臺上開發和部署Web門戶網站實現。為保證平臺用戶的安全性，登陸采用仿oauth2.0 的token 認證機制，token 存儲放在redis數據庫中。用戶密碼通過根據時間變化的md5 加密后保存。使用Validate.js 的jquery 插件保證用戶輸入form 的格式正確性。

由感知層采集獲得的空氣、水、土壤等環境監測數據呈現使用Datatable.js 的jquery插件為用戶提供清晰明了的數據表格，方便用戶進行排序和查詢等相關操作。通過jstl標簽將數據進行動態輸出，使用chart.js的插件繪制數據折線圖，可對歷史數據走勢圖進行對比分析，并利用歷史數據預測大棚內作物生長環境中各種因子的發展趨勢，提前發出預警。平臺管理指令的下達通過ajax 異步提交網絡通訊請求，使用socke.js 與服務器建立連接，獲取傳感器的實時數據以及向網關發送實時控制指令，對水泵、植物生長燈、加濕器、加熱器、溫室窗簾等實現控制。

3 系統應用效果

智慧農業沙盤在湖南生物機電職業技術學院物聯網實訓室應用以來，學生依托沙盤模擬的真實智慧溫室大棚生產情景開展實訓，直觀地感受大棚環境監測相關硬件設備的運作過程，同時可在手機端的APP 和PC上登錄大棚管理平臺，實時查看各項環境指標，并可對各硬件設備下達控制指令，對設備進行調度，對模擬的大棚環境進行調節，能夠在模擬場景中實現參與真實生產環境管理的操作體驗，由此更好地了解智慧農業相關技術在智慧溫室大棚中的應用，通過實訓過程更好地掌握所學的智慧農業相關技術理論知識，進而極大地提升了教學效果和學生實踐技能，獲得了師生的積極評價。通過應用該系統，在拓寬教學領域、創新人才培養模式方面發揮較大的推動作用，促進了實訓教學的職業化、專業化、現代化。

4 結語

基于標準的物聯網體系架構，融合多種信息技術，設計開發智慧農業沙盤系統，模擬真實的大棚作物生產環境，系統采用模塊化設計，同時軟件代碼開源，可針對不同學校的教學要求和教學條件進行二次開發，自行定制軟硬件功能，對系統各組件和模塊自由拆分和重組，以更好地滿足教學或課題研究的需求，使用上優于普通的電氣聯動沙盤。使用該系統開展教學實訓，可實現較好的演示效果，促進教師和學生對智慧農業，特別是農業物聯網技術應用的認識和理解。另外，可將沙盤作為農業智慧溫室大棚管理的載體，提高對大棚生產活動的管理效能。