物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)

董文杰　董雙雙

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)被稱為世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，各行各業(yè)都廣泛地應(yīng)用近些年快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，該文闡述了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建與開(kāi)發(fā)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)可以為農(nóng)業(yè)的種植提供適合生長(zhǎng)的環(huán)境，達(dá)到單位面積農(nóng)作物增產(chǎn)，減少能源損耗的作用。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能控制；農(nóng)業(yè)；傳感器

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things）作為新一代的信息技術(shù)中重要的一部分，將物與物進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)連接。其通過(guò)智能檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)通信感知技術(shù)相融合，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)以信息技術(shù)作為核心，將底層的感測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給控制終端，最終完成測(cè)控的一體化與智能化，以全局來(lái)看實(shí)現(xiàn)了一個(gè)智能控制的網(wǎng)絡(luò)。

中國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，960萬(wàn)平方公里的陸地面積中122萬(wàn)平方公里用于農(nóng)業(yè)耕種。而在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，由于檢測(cè)技術(shù)的缺乏，農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)者大多通過(guò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)觀察土壤情況與農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)，亦有通過(guò)農(nóng)作物的病態(tài)生長(zhǎng)情況來(lái)追溯生長(zhǎng)環(huán)境存在的問(wèn)題，因此在這樣的情況下實(shí)施的農(nóng)業(yè)耕種措施往往具有滯后性。本文論述了一種以農(nóng)業(yè)大棚為平臺(tái)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)就可以科學(xué)有效的獲取農(nóng)作物環(huán)境信息，如檢測(cè)空氣溫度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最終通過(guò)控制終端自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整至適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境。

1 檢測(cè)傳感器選擇

本文論述的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)主要檢測(cè)數(shù)據(jù)為溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度。因此在每一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)集成檢測(cè)四種數(shù)據(jù)的傳感器，用于采集農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的參數(shù)。土壤溫度傳感器采用DS18B20溫度傳感器，不僅工作穩(wěn)定而且精度極高，可適應(yīng)-55～125℃的工作環(huán)境。濕度采用DWS-S8傳感器，其克服了傳統(tǒng)溫濕度傳感器誤差大，不穩(wěn)定與需定期校準(zhǔn)等的缺點(diǎn)，并具有體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。二氧化碳濃度傳感器采用MG811模塊，有良好的靈敏度和選擇性，受溫濕度的變化影響較小，具有良好的穩(wěn)定性。光照強(qiáng)度傳感器采用高精度的HA2003傳感器，以真實(shí)的太陽(yáng)光為參考，最大化地降低了光源對(duì)數(shù)據(jù)采集的影響。各個(gè)傳感器的技術(shù)參數(shù)如表所示。

2 信息傳輸模塊的選擇

本系統(tǒng)采用低功耗遠(yuǎn)距離的無(wú)線收發(fā)NRF24E1芯片，這是NORDIC公司基于ANT無(wú)線網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的芯片。在進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線通信時(shí)，可以在125個(gè)頻點(diǎn)中進(jìn)行選擇，采用跳頻技術(shù)有效避免干擾。其采用的ANT無(wú)線網(wǎng)絡(luò)并不為人所熟知，因?yàn)樗_(kāi)始被應(yīng)用于醫(yī)療器械等行業(yè)，但是因?yàn)槠鋬?yōu)異的性能，慢慢被大家接受并使用。ANT無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有功耗低和網(wǎng)絡(luò)部署靈活量大特點(diǎn)。其最低工作電流約為10微安，休眠工作電流低至0.5微安。

NRF24E1的主要特點(diǎn)有：

處理器：8位高速處理器，兼容Intel MCS51的指令集，運(yùn)行速度相比傳統(tǒng)的8051增加了12倍，同時(shí)具有32位乘除法單元，運(yùn)算能力大大得到提升。

多功能I/O口：NRF24E1具有三種封裝型號(hào)：4×4mmQFN封裝具有7個(gè)通用I/O口， 5×5mmQFN封裝具有15個(gè)通用I/O口，7×7mmQFN封裝 具有31個(gè)通用I/O口。

2.4GHz射頻收發(fā)：具有125個(gè)射頻頻道可選，其中79個(gè)頻道介于2.400～2.4853GHz之間，空中數(shù)據(jù)速率支持250Kbps、1Mbps或2Mbps，數(shù)字接口SPI速率為0～8Mbps。

低功耗：NRF24E1采用了多環(huán)節(jié)低功耗設(shè)計(jì)并且支持全靜態(tài)停止和待機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)等。

3 控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

溫度調(diào)控：當(dāng)大棚溫度高于設(shè)定值時(shí)，控制電機(jī)放下黑色紗網(wǎng)阻擋太陽(yáng)光。當(dāng)大棚溫度地獄設(shè)定值時(shí)，控制電機(jī)收起黑色紗網(wǎng)。

濕度調(diào)控：當(dāng)濕度高于設(shè)定值時(shí)，打開(kāi)澆灌設(shè)備進(jìn)行灌溉。當(dāng)濕度低于設(shè)定值時(shí)，打開(kāi)通風(fēng)設(shè)備，降低棚內(nèi)濕度。

CO2含量調(diào)控：當(dāng)CO2含量異于正常值時(shí)，打開(kāi)通風(fēng)設(shè)備使棚內(nèi)二氧化碳保持在一個(gè)穩(wěn)定合適的濃度。

光照強(qiáng)度調(diào)控：當(dāng)光照強(qiáng)度高于設(shè)定值時(shí)，打開(kāi)照明設(shè)備。當(dāng)光照強(qiáng)度低于設(shè)定值時(shí)，控制電機(jī)放下黑色紗網(wǎng)阻擋太陽(yáng)光。

4 應(yīng)用前景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛，務(wù)農(nóng)人數(shù)大量下降，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面積嚴(yán)重不符，因此集中化的自動(dòng)控制管理農(nóng)場(chǎng)被迫切的需要。相關(guān)資料表明，在溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度可控的溫室內(nèi)，一季番茄、黃瓜等可增產(chǎn)10倍以上。其他各類農(nóng)作物在次環(huán)境下的產(chǎn)量也是大量增加。由于準(zhǔn)確采集各類數(shù)據(jù)，因此可減少肥料，電力與水利能源的需求，大大的節(jié)約了能源。同時(shí)，由于大棚內(nèi)的環(huán)境可控，有利于培育高附加值的經(jīng)濟(jì)作物，增加單位面積的收益，促進(jìn)農(nóng)民的增產(chǎn)收益。本系統(tǒng)在一定程度上解決了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的問(wèn)題，但仍

在以下方面還有不足。系統(tǒng)檢測(cè)的內(nèi)容有限，僅檢測(cè)了溫度、濕度、CO2含量和光照強(qiáng)度。但對(duì)于農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)的檢測(cè)并沒(méi)有列入檢測(cè)范圍，因此缺乏農(nóng)作物產(chǎn)生不良生長(zhǎng)狀態(tài)后的自動(dòng)處理方案。通過(guò)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境和生長(zhǎng)狀態(tài)結(jié)合的檢測(cè)相比較來(lái)說(shuō)更加全面，這也是本文內(nèi)容有所欠缺的。農(nóng)業(yè)種植需要大量的數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)算控制植物生長(zhǎng)于適合的環(huán)境中，而由傳感器與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組成的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)于農(nóng)業(yè)種植的標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)有很大幫助。應(yīng)用自動(dòng)控制和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化管理，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要標(biāo)志，因此物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)也是未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必然趨勢(shì)。

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