一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸安山 張璐 韓瑤輝 鄭偉雄

摘要：文章設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32F429為核心控制器件，采用傳感器、微控制器、上位機(jī)、云端服務(wù)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、攝像系統(tǒng)等。用戶利用該系統(tǒng)可在PC機(jī)和智能手機(jī)上通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問云端服務(wù)器，查看農(nóng)業(yè)基地的溫度、濕度、pH值以及作物生長(zhǎng)、病蟲害情況，并可發(fā)出指令對(duì)農(nóng)業(yè)基地進(jìn)行澆水、施肥、打藥等。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可減輕用戶勞動(dòng)強(qiáng)度，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，提高農(nóng)業(yè)基地作物生產(chǎn)效益。

關(guān)鍵詞：傳感器；物聯(lián)網(wǎng)；智慧農(nóng)業(yè)；檢測(cè)技術(shù)

中圖分類號(hào)：S24?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著社會(huì)勞動(dòng)力成本不斷提高、對(duì)高品質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的需求不斷擴(kuò)大，農(nóng)作物種植技術(shù)和管理水平面臨巨大的挑戰(zhàn)，同時(shí)，智慧農(nóng)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展也面臨諸多挑戰(zhàn)［1］；農(nóng)作物種植與管理智慧化是一門綜合性強(qiáng)勁的技術(shù)，也是目前探討的熱點(diǎn)話題。采用ZigBee技術(shù)與通信技術(shù)、以太網(wǎng)等，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)監(jiān)控是一種趨勢(shì)［2］，陳明霞等［3］針對(duì)農(nóng)業(yè)溫室大棚管理效率低等問題，提出一種基于WSNs的智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大棚環(huán)境參數(shù)精準(zhǔn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。張立立等［4］以智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)為對(duì)象，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)了魚菜共生虛擬情景實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，將智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)引入教學(xué)。為適應(yīng)未來(lái)智慧農(nóng)業(yè)檢測(cè)場(chǎng)景的低功耗、小型化、抗干擾發(fā)展趨勢(shì)，時(shí)國(guó)龍等［5］研究了無(wú)芯片射頻識(shí)別面向智慧農(nóng)業(yè)跨域感知研究進(jìn)展。現(xiàn)代種植技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、測(cè)控技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)、電子技術(shù)和管理學(xué)科等的綜合應(yīng)用，是一種趨勢(shì)，也是提升農(nóng)作物種植水平與經(jīng)濟(jì)效益的有效技術(shù)手段。對(duì)基地農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)和病蟲害情況進(jìn)行采集、分析，供基地管理人員查詢，從而了解農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況和病蟲害情況，以便快速采取進(jìn)一步措施，提升基地作物的生產(chǎn)效益，是未來(lái)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)［6］。

因此，研究設(shè)計(jì)開發(fā)一套適用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化需要、精準(zhǔn)采集、及時(shí)更新顯示、自動(dòng)報(bào)警提示、成本適度、并且具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)，以物聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)支撐的農(nóng)業(yè)智慧系統(tǒng)日顯重要。基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)人工直接管理方式相比，可實(shí)現(xiàn)對(duì)基地農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境、生長(zhǎng)狀況參數(shù)和病蟲害情況及時(shí)精確采集，精準(zhǔn)了解基地農(nóng)作物情況，提高農(nóng)作物管理水平和基地農(nóng)作物生產(chǎn)的智能化水平［7］。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)一套功能完善的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，可以帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

該智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)主要由微控制器、數(shù)據(jù)采集模塊、服務(wù)器3部分構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)采集農(nóng)業(yè)基地環(huán)境的溫度、濕度、pH值、風(fēng)力、作物生長(zhǎng)、病蟲害等數(shù)據(jù)，通過(guò)上位機(jī)送到云端服務(wù)器，供用戶查看，并將采集到的參數(shù)與基地環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，若采集到的數(shù)據(jù)超出設(shè)定閾值，則通過(guò)終端給用戶發(fā)送預(yù)警信息，提醒用戶及時(shí)進(jìn)一步處理，也可根據(jù)設(shè)定值起動(dòng)水泵，實(shí)施澆水、施肥、噴灑農(nóng)藥等作業(yè)。

2 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器

該智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)采用STM32F429作為微控制器，該微控制器提供512 KB閃存、2 MB雙區(qū)閃存、256KB SRAM，具有2個(gè)專用的音頻PLL，2個(gè)全雙工I2S和一個(gè)新型串行音頻接口（SAI），支持時(shí)分復(fù)用（TDM）模式，20個(gè)通信接口，2個(gè)12位DAC，3個(gè)速度可達(dá)2.4 MSPS或7.2 MSPS的12位ADC，并有7個(gè)定時(shí)器：16位和32位，帶有一個(gè)32位的并行接口，支持Compact Flash、SRAM、PSRAM、NOR、 NAND以及SDRAM存儲(chǔ)器［8］；該微控制器運(yùn)算速度快、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，比較適合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由DTH11作為溫度濕度傳感器，? 該傳感器測(cè)溫量程為0～50 ℃，精確度為±2℃，濕度量程為0～99%RH，精確度為±5%。pH值傳感器采用冀歐速土壤pH值傳感器（OSA），傳感器探頭性能穩(wěn)定、靈敏度高、具有多種傳輸方式。采用搭載OV7725攝像芯片的OpenMV攝像頭采集作物生長(zhǎng)、病蟲害，該攝像頭具有30萬(wàn)分辨率高清像素，最高支持60幀，畫面清晰，性價(jià)比高，可與樹莓派連接，適用于農(nóng)作物病蟲害視頻監(jiān)控［9］。RY-FS01風(fēng)速傳感器采用ASA外殼，機(jī)械強(qiáng)度大、硬度高、不變色，可長(zhǎng)期使用于室外，能準(zhǔn)確采集風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，適合于該智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。

2.3 服務(wù)器

云端空間服務(wù)器采用Free3V免費(fèi)云空間，用ASP語(yǔ)言、Access數(shù)據(jù)庫(kù)自行編寫服務(wù)程序。上位機(jī)硬件為通用計(jì)算機(jī)，軟件為用C#語(yǔ)言自行編寫的上位機(jī)程序。執(zhí)行泵采用CTP-7000，噴灑管路采用自制管路結(jié)構(gòu)。

3 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的程序流程設(shè)計(jì)

如圖2所示，系統(tǒng)上電初始化后，將根據(jù)設(shè)定時(shí)長(zhǎng)采集農(nóng)業(yè)基地環(huán)境參數(shù)、作物生長(zhǎng)、病蟲害情況數(shù)據(jù)，通過(guò)微控制器傳到上位機(jī)，由上位機(jī)上傳給云端服務(wù)器，在網(wǎng)頁(yè)中顯示，服務(wù)器根據(jù)采集到的農(nóng)業(yè)基地溫度、溫度、pH值、風(fēng)速、作物生長(zhǎng)、病蟲害等情況與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較，若發(fā)現(xiàn)異常，自動(dòng)發(fā)信息提醒用戶；用戶亦可利用PC機(jī)和智能手機(jī)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問云端服務(wù)器查看數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可根據(jù)需要設(shè)定澆水、施肥、噴灑藥物等執(zhí)行指令，由噴灑管路（采用自制管路）實(shí)施澆水、施肥、噴灑藥物，也可由用戶根據(jù)農(nóng)業(yè)基地環(huán)境指標(biāo)和作物生長(zhǎng)、病蟲害情況直接發(fā)出指令實(shí)現(xiàn)澆水、施肥、噴灑藥物等。

4 結(jié)語(yǔ)

該智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)基地環(huán)境指標(biāo)和作物生長(zhǎng)、病蟲害情況的監(jiān)測(cè)，用戶可通過(guò)PC機(jī)或手機(jī)終端實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)異常時(shí)系統(tǒng)發(fā)送信息提醒用戶，系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定或用戶指令，實(shí)施澆水、施肥、噴灑藥物等工作任務(wù)。后續(xù)也可開展更多的農(nóng)業(yè)基地環(huán)境參數(shù)指標(biāo)采集，對(duì)不同的作物開展精準(zhǔn)參數(shù)采集，完成個(gè)性化作物的培育工作，也可加入防盜監(jiān)測(cè)和視頻通話功能，開展現(xiàn)場(chǎng)專家查看指導(dǎo)服務(wù)，對(duì)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展提供較好的應(yīng)用示范。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 傅金睿編輯）

Design of a smart agricultural system based on Internet of Things technology

Lu? Anshan1， Zhang? Lu2， Han? Yaohui2， Zheng? Weixiong3

（1.School of Electronics and Information，Beibu Gulf University， Qinzhou 535011， China;

2.School of Mechanical and Marine Engineering， Beibu Gulf University， Qinzhou 535011， China;

3.Guangxi Qilong Technology Co.， Ltd.， Qinzhou 535011， China）

Abstract：? A smart agricultural system based on Internet of Things technology is designed. The system takes STM32F429 as the core controller and adopts sensors， microcontrollers， upper computers， cloud servers， actuators， camera systems， etc. Users can access cloud servers through the Internet on PCs and smartphones， check the temperature， humidity， pH values， crop growth， diseases and pests of agricultural bases， and can issue instructions for agricultural bases for watering， fertilization， medication， etc. The results show that the system can reduce the labor intensity of users， reduce the cost of agricultural production， and improve the efficiency of crop production in agricultural bases.

Key words： sensor; Internet of Things; smart agriculture; detection technology