基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

張清淘

（山西應用科技學院，山西 太原 030062）

農(nóng)業(yè)是我國國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式中，高投入、低產(chǎn)量等問題長期存在，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員難以科學控制農(nóng)藥和化肥的使用，使土壤受到嚴重污染，從而影響到農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)。在智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展中，技術(shù)人員可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動走向智能化，提高農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率。通過應用現(xiàn)代化的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能夠做到精準施藥、施肥，大幅降低勞動力投入，種植人員可以對灌溉設(shè)備、通風設(shè)備等進行遠程操控，高效利用能源資源。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)基本架構(gòu)

1.1 平臺架構(gòu)

智慧農(nóng)業(yè)信息平臺可以分為底層結(jié)構(gòu)、中層平臺、上層平臺。首先，在底層結(jié)構(gòu)中，藍牙、傳感器、Wi-Fi、RFID射頻識別等技術(shù)需要實現(xiàn)高度集成，這是智慧農(nóng)業(yè)信息平臺的基礎(chǔ)。其次，中層平臺主要包括開發(fā)平臺、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)，不同平臺之間能夠相互管控，具有較強的交互性特點[1]。最后，上層平臺是指智慧農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)的綜合應用平臺，能夠利用不同的傳感終端對相關(guān)節(jié)點進行有效控制，掌握溫室環(huán)境的動態(tài)信息，然后將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)中心，進行數(shù)據(jù)處理，形成可視化的圖表，使操作人員清晰、直觀地掌握溫室環(huán)境信息及農(nóng)作物生長信息，進而對溫室環(huán)境進行調(diào)節(jié)和控制。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下，智慧農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)主要包括硬件模塊和軟件模塊兩個部分。首先，硬件模塊包括不同類型的傳感器，如空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光敏傳感器、CO2傳感器等，這些傳感器能夠?qū)厥抑械母黜棓?shù)據(jù)進行采集，是溫室監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分。除傳感器之外，硬件模塊還包含了不同類型的操作設(shè)備，例如遮陽設(shè)備、加濕器、通風機等，這些設(shè)備能夠?qū)ΨN植環(huán)境進行調(diào)節(jié)，促進農(nóng)作物健康生長。其次，軟件模塊包括基礎(chǔ)系統(tǒng)和遠程控制系統(tǒng)[2]。基礎(chǔ)系統(tǒng)主要負責數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計及發(fā)布，可以讓操作人員全面掌握溫室內(nèi)部的環(huán)境信息；遠程控制系統(tǒng)能夠為操作人員提供分析結(jié)果，指導操作人員完成遠程控制操作。監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下智慧農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

1）光敏傳感器。光敏傳感器的原理是借助光敏部件感受溫室內(nèi)部的光照強度。在系統(tǒng)應用中，光敏傳感器能夠轉(zhuǎn)換電信號，將信息傳輸?shù)较到y(tǒng)平臺中，對信息進行綜合分析，判斷是否需要應用遮陽設(shè)備，達到控制溫室光照條件的目的。

2）CO2含量傳感器。CO2是植物進行光合作用的基礎(chǔ)原料，通常情況下，植物的光合作用速率會隨著CO2濃度的增加而上升。因此，溫室中的CO2含量需要保持在較高水平，這樣才能提高蔬菜瓜果的光合速率[3]。CO2含量傳感器的原理是通過紅光吸收模式測量CO2含量，該傳感器在實際應用中的檢測精準度較高。

3）空氣溫濕度傳感器。空氣溫濕度傳感器能夠測量溫室中空氣的溫度和濕度，當前大部分空氣溫濕度傳感器使用SHT10芯片，數(shù)據(jù)的遠程傳輸主要通過RFID技術(shù)來實現(xiàn)，通過該技術(shù)確保數(shù)據(jù)測量的精準性和靈敏性。在監(jiān)測系統(tǒng)中，系統(tǒng)能夠結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)確定是否啟動排風系統(tǒng)或加濕器，調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部的空氣溫濕度。

4）土壤溫濕度傳感器。在智慧農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，土壤溫度和含水量是重要的監(jiān)測內(nèi)容。土壤溫濕度傳感器集成了熱敏電阻，能夠動態(tài)感知土壤的溫度，準確收集溫室內(nèi)土壤的信息，還能對土壤的介電常數(shù)進行測量，測定土壤的含水量[4]。在系統(tǒng)應用中，如果土壤比較干燥，灌溉系統(tǒng)就能被激活，自動為土壤補充水分，使土壤水分保持在合理范圍內(nèi)。

2.2 軟件設(shè)計

在智慧農(nóng)業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)中，軟件設(shè)計主要包含3個方面，分別是服務(wù)器、后臺管理、前臺管理。服務(wù)器可以為數(shù)據(jù)通信提供支持，對客戶端、Web端、其他控制模塊傳遞的信息進行接收，同時還能對各類終端進行管理。后臺管理具有較高的權(quán)限，操作人員能夠通過后臺對不同的監(jiān)控點進行科學管理。此外，前臺管理主要包括用戶登錄、信息檢索、頁面瀏覽等功能，操作者能夠通過前臺檢索需要的信息，同時還能對歷史信息進行查詢。

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫是智慧農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，其功能主要包括數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)集中控制、故障恢復等[5]。在系統(tǒng)的應用過程中，傳感器能夠收集大量的信息數(shù)據(jù)，包括土壤溫濕度、空氣溫濕度、CO2含量、光照強度等，系統(tǒng)會如實記錄不同監(jiān)測點的信息，包括監(jiān)測點的編號、狀態(tài)、名稱。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下智慧農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的子模塊

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是智慧農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)性模塊，目前該模塊多采用STM32系列單片機，這種單片機具有性價比高、功能強大的特點。在實際應用過程中，傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)可以通過ZigBee通信模塊構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）進行傳輸，使數(shù)據(jù)匯集到智能控制模塊中，完成數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理。在溫度監(jiān)測模塊中，設(shè)計人員可以采用AD8494溫度傳感器，該傳感器的溫度測量范圍為-10 ℃～60℃，在應用過程中比較安全。在濕度監(jiān)測模塊中，設(shè)計人員可以應用HGP0700，該設(shè)備價格低廉，體積較小，且受溫度的影響較小，能夠確保數(shù)據(jù)采集的精確度和可靠性[6]。在光照監(jiān)測模塊中，設(shè)計人員可以應用MAX30100，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對光照信息的精確采集，在使用中可以自動濾除雜波，應用成本較低。在設(shè)計硬件電路時，所有子模塊均為弱電系統(tǒng)，容易受到電磁干擾，出現(xiàn)工作異常。因此，設(shè)計人員需要采用濾波技術(shù)、屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)等，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

3.2 智能通信單元

在智慧農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，智能通信單元的功能是傳輸數(shù)據(jù)和控制命令，相當于智能控制柜和遠程監(jiān)控平臺之間的通信樞紐。在系統(tǒng)設(shè)計中，設(shè)計人員可以在智能通信單元中應用RS485芯片，利用云服務(wù)器建立通信鏈路，將環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器中，接受云服務(wù)器發(fā)出的控制命令，通過芯片將命令發(fā)送到智能控制柜。在4G/5G模塊的支持下，系統(tǒng)中的智能通信單元可以和云服務(wù)器實現(xiàn)無線通信，進一步提高信息傳輸效率。

3.3 智能控制模塊

智能控制模塊是智慧農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的控制中心，能夠?qū)厥耶斨械母黝愒O(shè)備、閥門等進行控制，實現(xiàn)對溫室環(huán)境的調(diào)節(jié)，從而確保遠程控制系統(tǒng)的應用效果。智能控制模塊包括了電源模塊、控制器模塊、觸摸屏模塊等部分。其中，電源模塊能夠為智能控制模塊提供電源。控制器模塊可以應用STM32F105ZET6芯片，形成中央控制單元[7]。在系統(tǒng)的應用中，控制器模塊能夠通過ZigBee模塊和RS485接口采集溫室當中的環(huán)境數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到觸摸屏模塊和智能通信單元中。此外，控制器模塊還可以直接對溫室當中的灌溉設(shè)備、通風設(shè)備等進行控制。觸摸屏模塊能夠動態(tài)化顯示溫室中的環(huán)境數(shù)據(jù)，展現(xiàn)溫室內(nèi)部各設(shè)備的狀態(tài)，操作人員可以通過觸摸屏模塊調(diào)整手動控制模式和自動控制模式。

3.4 遠程控制平臺

當用戶應用遠程控制平臺時，首先需要訪問Web服務(wù)器，完成登錄，到達遠程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件頁面。然后，用戶可以在頁面中完成溫室監(jiān)控、溫室管理、控制策略管理等操作[8]。在具體操作中，用戶可以通過軟件增加或移除設(shè)備，同時還能掌握不同設(shè)備的工作狀態(tài)，了解設(shè)備更換電池的時間及后續(xù)可使用的時間。另外，用戶還可以實時掌握溫室的環(huán)境數(shù)據(jù)，查看溫室中的空氣溫度、濕度的變化曲線，并結(jié)合農(nóng)作物的生長需求設(shè)計報警閾值，對溫室實施全方位的管理。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應用

4.1 作物生長階段識別系統(tǒng)的應用

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，用戶可以利用智慧農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)識別作物的生長階段，掌握作物的生長情況。在作物生長階段，識別系統(tǒng)能夠提取出不同生長階段的作物圖像，然后對不同階段的圖像特征進行識別，構(gòu)建出科學的作物生長模型，展現(xiàn)作物的生長規(guī)律[9]。例如，在蔬菜種植中，用戶可以通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)掌握植物生長的快慢規(guī)律，了解蔬菜的生長發(fā)育情況，及時對蔬菜的生長周期進行調(diào)節(jié)，并采取施肥、灌溉等措施，促進蔬菜作物健康生長。

4.2 作物病蟲害診斷系統(tǒng)的應用

智慧農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)中擁有病蟲害診斷的辨別規(guī)則庫，溫室中的攝像設(shè)備可以拍攝作物的圖像，將拍攝的圖像與病蟲害診斷辨別規(guī)則庫進行對比，從而自動診斷作物是否出現(xiàn)病蟲害，結(jié)合診斷結(jié)果提出相應的治療方案，為用戶提供指導。例如，在番茄的種植中，如果番茄出現(xiàn)了病變，就會在花、葉、莖、根等部位發(fā)生改變，呈現(xiàn)出顏色和形狀上的變化，此時，遠程監(jiān)控系統(tǒng)就能準確提取畫面，科學判定作物的病蟲害類型，提出治療方案。

4.3 環(huán)境因素智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應用

在農(nóng)作物的種植過程中，環(huán)境因素智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)至關(guān)重要，操作人員可以結(jié)合該系統(tǒng)，全面掌握作物對外界環(huán)境的需求，利用操控平臺完成設(shè)備操控，對溫室內(nèi)部的環(huán)境進行調(diào)節(jié)。例如，在西瓜的育果階段，作物需要在白天吸收較多的CO2，接受更高強度的光照，以加強光合作用。因此，管理人員需要科學控制溫室的設(shè)備，提高溫室當中CO2的濃度，保證溫室內(nèi)部的溫度[10]。種植人員需要充分利用智慧農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，科學控制溫室當中的環(huán)境，結(jié)合不同農(nóng)作物的生長需求，增強外界環(huán)境與作物生長的適應性，充分發(fā)揮智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用。

5 結(jié)語

智慧農(nóng)業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和農(nóng)業(yè)種植的緊密融合，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，遠程監(jiān)控系統(tǒng)逐漸受到了人們的關(guān)注。當前，很多地區(qū)已經(jīng)將智慧農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)應用于溫室大棚中，并取得了良好的應用效果，提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量。在系統(tǒng)設(shè)計方面，設(shè)計人員需要科學規(guī)劃硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，建立數(shù)據(jù)庫，設(shè)置數(shù)據(jù)采集模塊、智能通信單元、智能控制模塊等子模塊，充分發(fā)揮智慧農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的作用。