基于物聯網的智慧農業園區控制系統設計與實現

中圖分類號：TG661;TP39 文獻標志碼：A

0 引言

目前，作為農業大國，我國的農業信息化和智能化水平還需要不斷提高[1]。國內農業生產模式依然呈現傳統化特點，更多是依靠人力進行灌溉、施肥，費時費力，制約農業發展；技術和成本等方面的欠缺導致國內的農業種植進入精細化種植的難度增大，也無法及時調整種植作物的種類，須不斷提高農業自動化和智能化，進一步加快精細化農業發展[1-2]。

智慧農業、標準化農業和精準農業正在不斷發展，傳感器網絡、智能芯片、嵌入式系統等技術正在農業種植中的使用力度逐漸加大，現代農業中物聯網技術的使用也在日益強化，為現代化農業快速發展提供了技術支持。智慧農業的智能化過程包括種植地溫濕度、光照等信息的獲取、傳輸、分析、處理和決策。精細化農業實施的基礎是能準確地獲取種植地信息，而數據的準確采集和傳輸是獲取種植地信息的關鍵所在[3]。本文設計系統提供了人性化場景模式，實現了設備間的智能互動，可促進智慧農業的發展，使農作物的培養更加便利、節能、高效[4-6]

1系統設計架構與硬件設計

1.1 系統總體設計

智慧農業園區控制系統采用物聯網架構，分為感知層、網絡層與應用層。系統物聯網分層系統架構如圖1所示。

圖1系統物聯網分層架構

系統感知層主要采用光敏傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器和二氧化碳傳感器等模塊，傳感器組網實時讀取大棚內的各項環境參數并將數據進行封裝打包；網絡層由無線通信模塊組成，按照特定通信協議采集的數據包上傳到云服務器，數據處理中心對上傳的數據包進行處理解包，實現對環境的監測和控制物聯網設備。用戶可以通過登錄網頁端的數據服務中心和微信小程序對物聯網設備進行操作，實現對種植地環境的實時監測[7]。系統硬件如圖2所示。

圖2系統硬件總體框架

1.2主控設計

為了更好地實現本系統的實時監測并調整種植地環境信息，有效降低成本，網關須滿足系統操作簡單、兼容性好、安全穩定、成本低廉等條件。系統網關硬件的組成部分包括Cortex-M4處理器、ZigBee協調器、Wi-Fi、USB、電源、傳感設備、SIM卡座、GPRS、按鍵[8-10]

1.3數據采集節點設計

采用ZigBee網絡建立數據傳輸感知層，節點所采集數據傳輸至主控中心，Wi-Fi網絡高速傳輸本地圖像、控制指令至手機終端，采用MQTT協議將數據上傳至云端服務器。

為測量大棚內主要的環境參數，系統主要選用了溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳傳感器、光照傳感器、風速傳感器、火災傳感器、雨雪傳感器。這些傳感器均為工業級別傳感器，具備采集精度高、性能穩定、抗腐蝕性好等優點[8]

1.4無線通信模塊設計

設計采用Wi-Fi通信方式，完成數據的無線傳輸。Wi-Fi模塊采用ESP8266模塊，ZigBee模塊的核心芯片選用CC2530，內部結構主要包括CPU、E2PROM、電源模塊、晶振模塊以及其他外部設備。ESP8266和CC2530外圍電路硬件原理如圖3所示。

1.5 電源系統設計

電源系統包括12V鋰電池、光伏發電板和穩壓模塊。光伏發電板將產生的電能經過穩壓模塊輸送到鋰電池進行儲電[7]。電源分終端測控模塊供電和大棚環境調節控制設備供電，終端測控模塊供電采用大棚外太陽能和蓄電池結合，陽光充足時由太陽能電池板供電并對蓄電池充電，陽光不足時自動切換鋰電池進行供電。大棚環境調節控制設備供電由終端測控模塊和繼電器控制市電提供[8]。電源電路硬件原理如圖4所示。

圖4電源電路硬件原理

1.6語音識別模塊設計

語音識別通過對ld3320語音識別模塊的二次開發實現，主要分為采集分幀、幀識別轉狀態、把狀態組合成音素、音素組合成單詞，最后通過馬爾科夫模型進行匹配，搭建狀態網絡并展開狀態網絡。在狀態網絡中搜索一條最佳路徑，尋找全局概率最大的路徑來實現，將識別成功后的結果通過串口發送給主控中心，以此來實現語音識別。語音識別模塊外圍電路硬件原理如圖5所示。

2 系統軟件設計

2.1系統軟件總體設計

物聯網智慧農業園區控制系統軟件主流程如圖6所示。

圖6設計系統軟件主流程

為了滿足系統實時監測和調整環境參數的需求，同時依據硬件的主要結構，系統軟件部分的設計主要從網關設計、無線數據通信協議程序設計以及App程序設計3方面開展。

通信協議模塊由ZigBee模塊和采集節點構成，主要負責與網關中的數據庫進行信息交換，而App 程序與服務器之前的通信選擇用Socket通信完成[8]

2.2軟件各模塊介紹

2.2.1 ZigBee通信模塊程序設計

ZigBee模塊由協調器和終端節點2個部分組成。協調器負責組建網絡并進行終端節點和主控芯片之間的數據和指令交換。協調器與主控芯片之間通過串口連接[8]

2.2.2數據采集節點程序設計

協調器建立網絡后，終端節點加入網絡，通過ZigBee把傳感器的數據傳送給協調器。協調器組網流程和節點數據流程如圖7所示。

圖7各模塊流程

3 用戶交互界設計

無線Wi-Fi與智能網關中的服務器相連為App提供數據，ZigBee無線網絡與各個終端節點相連為主控芯片提供數據。主控芯片還可以通過ZigBee模塊控制執行器件。

為了讓App設計簡潔、使用方便且性能好，系統設計中App僅須設計遠程控制模塊、環境監測模塊、視頻監控模塊和全部設備模塊。

系統文件、資源文件和JAVA源代碼構成了App的登錄界面，分別完成系統界面中定義組件的識別、登錄界面結構布局的設計和App主要功能設計[10]

主控界面設置了各功能模塊按鈕，包括事件偵聽器和意圖組件，用戶可以提供對應的功能按鈕進行操作。其中，事件偵聽器完成監聽按鈕事件，意圖組件完成按鈕事件的跳轉。為了能做到隨時偵聽每個按鈕事件的發生，須在每個模塊設置偵聽按鈕事件并設置了意圖組件來完成功能跳轉。

4系統測試

4.1數據采集及上傳云端測試

系統供電程序初始化后，數據節點正常工作并開始實時采集數據，每隔5s上傳一次至云平臺，通過登錄PC網頁端與手機移動端，每1h對數據進行記錄。

對檢測到的大棚室內溫度進行恒溫控制使其保持在 22^°C 左右（適合農作物生長），繪制其檢測數據與反饋調節后的溫度曲線，如圖8所示。

圖8大棚內溫濕度數據曲線

4.2火災異常報警測試

將火焰傳感器與云平臺對接進行火災模擬測試實驗。長時間對火焰傳感器的觸發導致傳感器檢測到火焰，同時檢測到大棚室內溫度過高，光照強度大，煙霧濃度高，則系統判斷為室內觸發火災，發生數據異常，第一時間內，NB-IoT模組通過云平臺聯動公安消防報警（測試時將預設的報警電話設置為個人手機號）。同時將數據下發到App界面跳出異常報警信號，第一時間告知用戶，設備收到報警界面和App 出現火災報警界面，如圖9所示。

圖9火災報警界面

4.3昆蟲識別測試

對于采集的不同種類的昆蟲圖像，通過CNN卷積神經網絡深度學習后，將模型數據部署于OpenMV4plus攝像頭上，根據不同的判定閾值各進行200次識別實驗，分別統計每次實驗的成功次數與成功率。數據分析可知當判定閾值高時，識別成功次數越少，成功率低，反之則成功率高。最佳設置判斷閾值為 0.96～0.98 ，符合實際需求。測試結果如圖10所示

圖10 測試結果

5結語

農業生產的運維和管理方式正在發生轉變，以信息技術為基礎的現代農業已經成為發展趨勢。本文設計了一套基于物聯網的智慧農業園區控制系統，具有抗干擾能力強、響應式終端舒適的優點。本設計的智慧大棚系統實現了對種植地環境進行全方位的實習監測控制，通過大棚外部顯示端、網頁端、App端實現多渠道查詢，能夠通過實時監測到精準的大棚環境多方位數據，實時調整溫濕度等環境參數，提高作物種植質量和產品，減少病蟲災害。系統的運行可有效節約種植作物的人力成本和管理成本，大力促進我國現代農業的發展。

參考文獻

[1]趙榮陽，王斌，姜重然，等.基于物聯網的農業大棚生產環境監控系統設計[J].農機化研究，2021（11）：131-137.

[2]何海霞.互聯網時代我國智慧農業發展痛點與路徑研究[J].農業經濟，2021（6）：15-17.

[3]李建軍，白鵬飛.我國智慧農業創新實踐的現實挑戰與應對策略[J].科學管理研究，2023（2）：127-134.

[4]胡建濤，陶表鑫，陳子涵，等.基于STM32的智慧農業大棚監測系統設計[J].無線互聯科技，2024（5）：28-31.

[5]楊一凡.智慧農業大棚監控系統的設計與實現研究[J].南方農機，2023（2）：171-173.

[6]程力，郭曉金，譚洋.智能農業大棚環境遠程監控系統的設計與實現[J].中國農機化學報，2019（6）：173-178.

[7]李國鑫，柴西林.多節點分布式智慧農業大棚監控系統設計[J].軟件，2022（5）：56-60.

[8]馬士明.一種新型智慧農業大棚系統的設計與實現[J].物聯網技術，2022（1）：77-80.

[9]梁志勛，施運應，覃有燎，等.基于MQTT協議的智慧農業大棚測控系統研究［J].北方園藝，2020（23）：161-171.

[10]楊嘉嘉，路晶.基于物聯網的智能化工廠可燃氣體監測系統[J].物聯網技術，2023（3）：3-5.

（編輯 王雪芬）

Design and implementation of an IoT-based smart agricultural park control system

GUO Lifang'，YOU Xiaoquan2*，LYU Jitao ³ ，HU Qinchun4

（1.Development and Planning Department，Chengdu Technological University，Chengdu 61000，China;

2.School of Network and Communication Enginering，Chengdu Technological University，Chengdu 610000， China; 3.School of Electronic Engineering，Chengdu Technological University，Chengdu 610000， China; 4.School of Automation and Electrical Engineering， Chengdu Technological University， Chengdu 610000，China）

Abstract：To meet the demands of modern smart agriculture for enhanced production eficiencyand environmental protection，a design and implementation of asmart agricultural zonecontrol system based on the Internet of Things （IoT）is proposed.This system is applied in agricultural zones to achievereal-time remote monitoring and automated management of production environment information.The system architecture is based on IoT，employing an embeded ARM Cortex-M4as the main control system.It facilitates real-timecollectionof environmental parameters such as temperature，humidity，andlight intensityrelated tocropgrowth.Thecolected data istransmited toan intelligent gateway via ZigBee communication forlocal response and further relayed to the cloud platform in real-time using the MQTT protocol. Users can monitor and control crop growth environments in real-time through a mobile App and PC software，which providearesponsive layoutand visual interactive interface.This systemaims toachieve inteligent agricultural production.Experimental results demonstrate that thesystem mets its design objectives，realizing the concept of smart agriculture in agricultural zones.

Keywords：agriculturalgreenhouse park；multidimensional data acquisition；multi-network convergence; responsive layout