基于物聯網技術的智慧農業大棚監測系統研究

朱 斌

（新疆農業職業技術學院，新疆 昌吉州 831100）

物聯網技術應用于智慧農業大棚監測系統是根據當前農業發展的實際情況，為了促進農業現代化建設而提出來的。農作物大棚監測系統研究是農業現代化發展不可或缺的一項重要工作。對于農戶來說，農作物大棚直接關系到農作物的產量，無論是培養非本季節農作物還是提高農作物的生長效率，都離不開農作物大棚。利用物聯網技術能夠更好地對農業大棚進行管理，提高農作物產量，對于農業的發展具有重要意義。

1 物聯網智慧農業大棚監測系統的整體架構

基于物聯網進行智慧農業大棚監測系統構建的過程中，重要的是要收集和分析周圍環境中的各項信息及數據，例如在大棚中種植農作物，對于環境的溫度、濕度、光照時間都有不同的要求，監測系統需要通過外部傳感器等元件精確地對這一類信息進行收集，然后由計算機進行相應的分析并發出控制指令，從而實現對智慧農業大棚監測系統的控制[1]。基于物聯網技術構建的智慧農業大棚監測系統主要由三部分構成，分別是感知控制系統、云平臺系統和用戶遠程控制系統。基于物聯網的智慧農業大棚監測系統架構如圖1所示。

圖1 基于物聯網的智慧農業大棚監測系統架構

1.1 感知控制系統

感知控制系統主要是進行信息的匯總、分析、傳輸，而用戶遠程控制系統則是判斷這些信息，然后進行遠程的控制。感知控制系統主要包括感知器件、ZigBee協調器和控制器件，這三個部分也構成了所謂的ZigBee網絡。這一部分通過感知器件對于外部環境的感知，利用不同的終端感知器節點對不同的信息進行采集、分析和傳送，最終由控制器件和ZigBee協調器將各種信息傳送回網關。

1.2 云平臺系統

網關屬于云平臺的組成部分之一，云平臺主要由網關和數據云系統共同組成。其中，網關承擔著連接互聯網和ZigBee傳感器網絡的重要作用，通過網關，各種環境數據才能進行及時傳送，從而給出相應的反饋。數據云系統是對各種數據進行存儲并處理的關鍵系統，農作物的生長是一個長時間的過程，在此過程中有眾多的數據信息需要匯總，以便農戶在日后的工作中更好地把握大棚中的具體情況，作出更加準確的控制[2]。

1.3 用戶遠程控制系統

用戶遠程控制系統是整個智慧農業大棚監測系統中的終端，通過用戶遠程控制系統，能讓農戶足不出戶，甚至人在外地也能及時了解到農作物大棚的實際情況。用戶遠程控制系統包括App應用程序、PC端控制程序等，主要是為了農戶可以利用不同的電子設備對大棚系統進行干預和控制。通過應用程序，客戶接收ZigBee網絡傳送回來的數據，再根據自身的經驗和對農作物的了解作出更合適的控制，避免自動控制系統不夠智能化作出錯誤的判斷。

2 智慧農業大棚監測系統的硬件結構

智慧農業大棚監測系統的硬件結構主要包括節點電路模塊、溫濕度傳感器模塊、光照強度傳感器模塊、CO2傳感器模塊和電源模塊，這五個機構共同組成了大棚監測系統的硬件結構[3-5]。

2.1 節點電路模塊

節點電路模塊主要是針對有線監測系統的成本和簡便性提出來的，雖然在大棚環境監測中所涉及的傳感器眾多，但是并不需要巨大的計算量，對數據處理器的要求也不是很高，并且有線節點模塊的設計成本和工作效率都遠遠超過無線節點電路。因此，考慮到建設的成本，在大棚監測系統的構建中，利用TI公司生產的ZigBee/IEEE 802.15.4 RF收發器CC2530作為整個大棚監測系統的核心，并且采用無線節點傳輸的方式，令整個監測系統更加便捷、更加高效、成本更加低廉。節點電路模塊的構成如圖2所示。

圖2 節點電路模塊

2.2 溫濕度傳感器模塊

溫濕度傳感器模塊是保證整個大棚控制系統正常運轉的關鍵，只有溫濕度傳感器準確收集和傳送相關信息，數據中心和用戶控制才能作出準確的反饋。在溫濕度傳感器的構建中，要考慮到溫濕度傳感器本身的材質，要盡量采用抗磨、耐腐蝕、耐潮的材料，避免溫濕度傳感器受到大棚環境的影響而出現問題。溫濕度傳感器對環境溫度和濕度進行采集并將信息傳送給數據處理器，再經由數據處理器計算給出相應的控制指令。

2.3 光照傳感器模塊和CO2傳感器模塊

在大棚的內部環境中需要重點監測的是農作物的光照時間和整個環境中CO2的濃度，這是農作物正常生長的關鍵參數。因此，在整個智慧農業大棚監測系統中，光照傳感器模塊和CO2傳感器模塊扮演著重要的角色。通過光照傳感器，在不同的天氣監測農作物受到光照的時長，保證農作物的正常生長；通過CO2傳感器對室內CO2濃度進行分析，并與光照傳感器協同工作，保證植物的光合作用。

2.4 電源模塊

由于大棚監測系統涉及的模塊眾多，電路情況復雜，耗電量較大，對于電壓的要求也較高，因此需要接入外接電源轉換器。為了在額定電壓內保障整個大棚監測系統的正常運轉，讓每個模塊都能連續工作，外接電源轉換器使用了LMlll7轉換輸出電壓，保證了工作電壓的穩定性，在控制電壓精度的同時，監測整個電路的安全性，包括電路過熱保護和短路保護等等。

3 智慧農業大棚監測系統的軟件系統構成

智慧農業大棚監測系統的軟件系統構成主要包括協調器軟件設計、終端節點軟件設計和PC主機監測管理系統軟件設計，這三個部分在大棚監測系統的不同環節進行工作，保證了整個系統的正常運轉。

3.1 協調器軟件設計

當前主流的智慧農業大棚監測系統使用的協調器軟件是由TI公司推出的ZigBee2007/PR0協議棧和IAR集成的開發環境，這種軟件環境是為了進一步與數據處理器中所應用的CC2530芯片進行組合，能夠保障軟件環境完全匹配當前的數據處理芯片，減少不兼容的情況，發揮軟件和處理器的全部效率，提高工作和計算的效率[6]。在大棚監測系統中，協調器是整個數據傳送網絡系統的核心，協調器也可以理解為網關的一種，承擔著進行組網的重要任務；并且為了保證數據傳送的及時性，協調器要優化各項傳感器和網絡通道，然后等待終端采集節點加入網絡。協調器會分析當前加入網絡的終端節點是否是合法網絡節點，協調器只允許合法的終端節點加入網絡，并且根據不同節點對不同采集區的數據進行采集并傳輸給PC端，最終發出控制指令。

3.2 終端節點軟件設計

終端節點軟件是為了保證接入協調器所組成的數據處理網絡能夠及時接收到來自大棚內部各項傳感器的數據而設計的[7]。終端節點在一開始進入數據處理網絡時會由協調器進行初始化處理，保證所有的終端節點不帶有原本的數據信息，根據協調器對所有終端節點進行判斷，確定了終端節點的合法性之后，終端節點會申請加入數據處理網絡，在加入網關網絡之后會控制大棚內部的溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器并對大棚數據進行采集，最后經由終端節點發送給協調器。這種流程不僅能夠保證數據傳送的及時性和準確性，同時通過對不同終端節點的判斷，還能夠保證數據的安全性[8]。

3.3 PC主機監測管理系統軟件設計

PC主機監測管理系統軟件的主要工作是方便用戶對整個大棚系統進行控制，包括減少或者增加大棚內農作物的光照時間、調節大棚室內CO2濃度、提高和降低大棚溫度與濕度等等。整個PC主機監測管理系統由用戶管理系統、通信系統、信息管理系統和數據管理系統四個部分組成[9]，整體結構如圖3所示。

圖3 PC主機監測管理系統

用戶管理系統主要是進行賬號的登錄以及做出相關設置，這是為了保證數據的安全性；通信系統主要包括發送接收軟件系統和節點管理系統，這是管理數據的發送和接收的重要系統，也是用戶發送控制指令的關鍵系統；信息管理系統主要包括用戶信息管理、大棚信息管理和設備信息管理，其主要任務是對整個大棚中的數據進行整理和存儲；數據管理系統主要包括數據查詢、參數閾值、數據存儲和實時數據傳送四個部分，數據管理系統保證整個大棚環境信息的準確性和合理性，如果超出閾值，則會通過通信系統對用戶做出預警[10]。

4 結語

隨著科學技術的不斷發展，智慧農業在我國的建設程度越來越高，對于物聯網技術的利用也越來越廣泛。在此基礎上，研究智慧農業中大棚監測控制系統中物聯網技術的應用，加強農業現代化建設，對于促進我國經濟發展，提高我國產業轉型有重要的意義，并將有力推動農業農村現代化發展。