基于物聯(lián)網(wǎng)的智能植物生態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

林小明

【摘 要】論文所述的智能植物生態(tài)系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)的ZigBee-WiFi應(yīng)用技術(shù)，通過(guò)云平臺(tái)的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)采集溫度、濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境信息進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過(guò)對(duì)植物生長(zhǎng)階段的不同需求，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)采用實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線(xiàn)和歷史趨勢(shì)曲線(xiàn)以及異常警報(bào)措施進(jìn)行智能管理，將先進(jìn)的信息技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)。

【Abstract】The intelligent plant ecosystem described in this paper is the ZigBee-WiFi application technology based on Internet of things. The technology uses cloud platform to store large data. and collects temperature， humidity， soil temperature， humidity， light intensity and other environmental information in real time for data communications. Through the different requirements of plant growth phase， the related parameters are monitored in real time， intelligent management of real time trend curves and historical trend curves and abnormal warning measures are applied in a timely manner， and advanced information technology is applied to traditional agriculture.

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；智能植物；ZigBee

【Keywords】internet of things； intelligent plant； ZigBee

【中圖分類(lèi)號(hào)】S126 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）07-0183-02

1 課題研究背景和意義

農(nóng)業(yè)部關(guān)于印發(fā)《“十三五”農(nóng)業(yè)科技發(fā)展規(guī)劃》的通知，帶動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)新的綠色革命；大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，催生智慧農(nóng)業(yè)和智能裝備產(chǎn)業(yè)異軍突起。推動(dòng)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，破解農(nóng)產(chǎn)品供需結(jié)構(gòu)性矛盾、提高農(nóng)業(yè)比較效益、緩解資源環(huán)境壓力、應(yīng)對(duì)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，特別是調(diào)優(yōu)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、調(diào)精品質(zhì)結(jié)構(gòu)、調(diào)高產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，對(duì)農(nóng)業(yè)科技在節(jié)本、高效、智能、綠色等方面提出了更高的要求。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能植物工廠(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)，將魚(yú)塘與農(nóng)作物施肥、澆水、補(bǔ)光等需求作有機(jī)結(jié)合，養(yǎng)魚(yú)的水中富含植物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分，所以排出的水用來(lái)澆灌植物，既可以滿(mǎn)足植物生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分的需求，又可以滿(mǎn)足植物對(duì)水分的需求，從而實(shí)現(xiàn)生存必需品相互補(bǔ)給的智能生態(tài)功能。該作品有手動(dòng)管理和自動(dòng)管理兩方面設(shè)計(jì)，人機(jī)智能化更方便人們使用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)與硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)，上位機(jī)由PC端和手機(jī)APP端等控制，下位機(jī)由51單片機(jī)控制。在深入研究與掌握智能植物的基本原理和相關(guān)技術(shù)上結(jié)合當(dāng)前的實(shí)際條件，進(jìn)行系統(tǒng)的創(chuàng)新。

在如今云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持下，數(shù)據(jù)控制更具成熟，包括采集環(huán)境信息和軟件監(jiān)控收集作物的生長(zhǎng)信息，對(duì)收集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)分析與對(duì)比，還能得出并能自動(dòng)更新最佳的種植方案，具有智能學(xué)習(xí)功能。智能植物工廠(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)如圖2所示。

上位機(jī)由云平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊兩大模塊組成。智能植物工廠(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)大規(guī)模并行處理（MPP）數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)挖掘、分布式文件系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、云計(jì)算平臺(tái)、互聯(lián)網(wǎng)和可擴(kuò)展的存儲(chǔ)系統(tǒng)，結(jié)合智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控分析植物生長(zhǎng)信息，使農(nóng)業(yè)種植進(jìn)行最有效、最經(jīng)濟(jì)的控制和管理。

上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。管理人員在異地通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)異地?fù)芴?hào)或雙方都接入Internet等手段，連通需被控制的計(jì)算機(jī)，將被控計(jì)算機(jī)的桌面環(huán)境顯示到自己的計(jì)算機(jī)上，通過(guò)本地計(jì)算機(jī)對(duì)遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)進(jìn)行配置、軟件安裝程序、修改等工作。遠(yuǎn)程喚醒（WOL），即通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)機(jī)。遠(yuǎn)程控制的工作原理是在網(wǎng)絡(luò)上由一臺(tái)電腦（主控端Remote/客戶(hù)端）遠(yuǎn)距離去控制另一臺(tái)電腦（被控端 Host/服務(wù)器端）的技術(shù)，主要通過(guò)遠(yuǎn)程控制軟件實(shí)現(xiàn)。

下位機(jī)主要由51單片機(jī)控制各種傳感器，通過(guò)太陽(yáng)能供電，驅(qū)動(dòng)水泵，抽空機(jī)等設(shè)備，再通過(guò)ZigBee-WiFi把數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

在本智能植物工廠(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)中，涉及上下位機(jī)的模式，所以系統(tǒng)的測(cè)試必須對(duì)兩種情況分別進(jìn)行檢測(cè)。

3.1 上位機(jī)

用戶(hù)可通過(guò)上位機(jī)的PC端或Android端的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的監(jiān)控或操作，用戶(hù)還可依據(jù)該系統(tǒng)下位機(jī)的當(dāng)前環(huán)境參數(shù)，近段時(shí)間的環(huán)境參數(shù)，從而對(duì)下位機(jī)進(jìn)行智能調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域管理、實(shí)時(shí)查詢(xún)、智能模式、歷史數(shù)據(jù)記錄。因而，我們根據(jù)上下位機(jī)的設(shè)計(jì)，制定出相應(yīng)的通訊。

其中APP智能管理、全程自動(dòng)管理、手動(dòng)選擇管理模式、手持移動(dòng)設(shè)備和軟件平臺(tái)都可以對(duì)農(nóng)田進(jìn)行遠(yuǎn)程管理控制，我們上位機(jī)的軟件平臺(tái)還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控，以傳感器接收信息系統(tǒng)地分析其中植物的生長(zhǎng)狀況和環(huán)境因素，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)得出解決問(wèn)題，有執(zhí)行模塊處理。這些設(shè)計(jì)都大大方便了使用者，也使種植更加科學(xué)，同時(shí)也提升了種植的高效性。

①系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)及軟件技術(shù)，讓用戶(hù)隨時(shí)獲知作物生長(zhǎng)情況。

②智能化管理，如當(dāng)土壤濕度過(guò)低時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)始供水灌溉。

③兩種智能移動(dòng)設(shè)備終端，客戶(hù)可以通過(guò)移動(dòng)設(shè)備在任意地方遠(yuǎn)程控制所有節(jié)點(diǎn)。

3.2 下位機(jī)

將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感器采集到相應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)ZigBee信號(hào)將數(shù)據(jù)通過(guò)空中接口放送到ZigBee-wifi互融協(xié)調(diào)器，最后以wifi的形式發(fā)送到上位機(jī)。利用zigbee-wifi互融無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通信方式，降低它們間的信號(hào)干擾問(wèn)題，兼有zigbee的優(yōu)點(diǎn)之余又融入wifi，解決它的廣泛適用性低的缺點(diǎn)。利用ZigBee提供動(dòng)態(tài)路由的自組網(wǎng)、低功耗、安全性高，利用WiFi提供高傳輸速率、聯(lián)網(wǎng)接入云平臺(tái)。下位機(jī)的設(shè)計(jì)模塊有電源模塊、下位機(jī)的傳送模塊、單片機(jī)控制模塊等。

下位機(jī)模塊的核心是基于51系列的單片機(jī)為核心，對(duì)植物進(jìn)行多方位的數(shù)據(jù)探測(cè)，收集，并將通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)從數(shù)據(jù)收集模塊發(fā)送到主系統(tǒng)然后將數(shù)據(jù)返回客戶(hù)端進(jìn)行匯報(bào)。該系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)，主要包含數(shù)據(jù)采集電路、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理電路、數(shù)據(jù)通信電路、控制驅(qū)動(dòng)電路和人機(jī)交互電路5部分，采用傳感器測(cè)量土壤濕度，經(jīng)單片機(jī)與設(shè)定濕度進(jìn)行比較后，輸出灌溉參數(shù)到控制繼電器，實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境的調(diào)節(jié)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量，該系統(tǒng)所測(cè)濕度與濕度計(jì)所測(cè)濕度相差在5%以?xún)?nèi)，且運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確性和快速性指標(biāo)能滿(mǎn)足設(shè)施農(nóng)業(yè)灌溉的要求。

智能植物工廠(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)的ZigBee-WiFi應(yīng)用技術(shù)，通過(guò)云平臺(tái)的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)采集溫度、濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境信息進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過(guò)植物不同生長(zhǎng)階段的不同需求，對(duì)相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，即時(shí)采用實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線(xiàn)和歷史趨勢(shì)曲線(xiàn)以及異常警報(bào)措施進(jìn)行智能管理，將先進(jìn)的信息技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)；以51單片機(jī)為核心處理系統(tǒng)基于STC89C52單片機(jī)和CC2530單片機(jī)控制下位機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆灌、抽空、遮陽(yáng)等功能。該系統(tǒng)使用方便、簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)智能人性化，讓用戶(hù)感受到智能系統(tǒng)帶來(lái)的高效體驗(yàn)。

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