基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)溫室管理系統(tǒng)

王國強(qiáng) 尹芳園

摘要： 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種將信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線通信等技術(shù)融合的新型技術(shù)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)測(cè)，對(duì)降低農(nóng)業(yè)管理成本、提高農(nóng)作物生產(chǎn)流通效率起到了重大作用。本文從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的實(shí)際需求出發(fā)，并結(jié)合相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)、Web技術(shù)的農(nóng)業(yè)溫室管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)有利于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化水平和管理效率。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 溫室管理系統(tǒng) 農(nóng)業(yè)

我國正處于從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式向著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型時(shí)期，對(duì)于能夠提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和自動(dòng)化管理水平的技術(shù)有著巨大的需求。通過對(duì)比傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)不難發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的種植生產(chǎn)依靠農(nóng)民的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)天氣變化的感覺來進(jìn)行澆水、施肥等作業(yè)，這種方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且精度、準(zhǔn)確度都不高，不利于農(nóng)作物的生長；而且根據(jù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求，需要對(duì)影響農(nóng)作物生長的多種自然要素進(jìn)行科學(xué)化的精確控制，比如對(duì)大棚的溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)按需求量進(jìn)行供給。

所以，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對(duì)農(nóng)作物的生產(chǎn)管理模式已經(jīng)不能滿足需求，而本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)溫室管理系統(tǒng)就能夠解決現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中碰到的問題。該系統(tǒng)建立在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)之上，利用傳感器技術(shù)、Web傳輸技術(shù)遠(yuǎn)程獲取溫室大棚內(nèi)部的土壤和空氣的溫濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)，并實(shí)時(shí)傳輸?shù)綔厥掖笈锕芾碇行模脩艨梢岳眠@些參數(shù)掌握農(nóng)作物生長環(huán)境的變化，確保農(nóng)作物處于最優(yōu)的生長狀態(tài)。

1 農(nóng)業(yè)溫室管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最為明顯的特征就是網(wǎng)絡(luò)智慧化，通過利用信息化的手段實(shí)現(xiàn)物與物之間相連，提高不同行業(yè)的自動(dòng)化管理水平，減少人為干預(yù)，從而極大程度地提升效率，同時(shí)降低人工帶來的不穩(wěn)定性。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)溫室管理系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的通訊優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)溫室大棚生產(chǎn)深度融合，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸方式實(shí)現(xiàn)信息的采集及管理，將物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)溫室的智慧化管理。本文研究的系統(tǒng)主要由Zigbee通信網(wǎng)絡(luò)、串網(wǎng)口轉(zhuǎn)換模塊、服務(wù)器三個(gè)部分組成，以下是對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)溫室管理系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)介紹：

1.1 Zigbee通信網(wǎng)絡(luò)

短距離無線通信技術(shù)包括藍(lán)牙、Wi-Fi、Zigbee等，本系統(tǒng)采用更靈活低功耗的Zigbee通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)主設(shè)備和其它傳感器之間的通信。ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)為整個(gè)系統(tǒng)最前端的通訊模塊，主要構(gòu)成部分為協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點(diǎn)，其中協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)發(fā)送信息，管理路由器和節(jié)點(diǎn)，而信息轉(zhuǎn)發(fā)則由路由器來完成。本系統(tǒng)利用Zigbee通信技術(shù)把溫室管理系統(tǒng)中的各個(gè)硬件結(jié)點(diǎn)連接組成一個(gè)小型網(wǎng)絡(luò)，這種方法降低了使用成本且簡(jiǎn)化了溫室內(nèi)線路布局，有利于系統(tǒng)的部署和后期管理維護(hù)。

1.2 串網(wǎng)口轉(zhuǎn)換模塊

在溫室管理系統(tǒng)中，用于監(jiān)控的傳感器、控制器等底層設(shè)備通過Zigbee協(xié)議進(jìn)行通信，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大部分為簡(jiǎn)單的數(shù)字，如溫度、濕度等數(shù)據(jù)。串網(wǎng)口轉(zhuǎn)換模塊就是一個(gè)串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)（ TCP/IP）協(xié)議轉(zhuǎn)化器，便于實(shí)現(xiàn)嵌入式聯(lián)網(wǎng)且保證聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定性。該模塊一端與路由器連接，另一端與主設(shè)備連接，而主設(shè)備與各個(gè)傳感器相連并協(xié)調(diào)傳感器數(shù)據(jù)傳輸。因?yàn)橹髟O(shè)備沒有集成網(wǎng)口模塊，傳感器獲得的數(shù)據(jù)均以RS-232串口方式進(jìn)行通信，所以為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程化管理，需要串網(wǎng)口轉(zhuǎn)換模塊將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)口數(shù)據(jù)，通過TCP/IP協(xié)議在Web網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸至Web服務(wù)器。

1.3 服務(wù)器

本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)溫室管理系統(tǒng)使用Web形式的控制接口，上層的PC機(jī)作為Web服務(wù)器，對(duì)外界訪問提供Web服務(wù)。服務(wù)器上的Web程序負(fù)責(zé)硬件結(jié)點(diǎn)的狀態(tài)收集和展示，將傳感器等設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器控制平臺(tái)，同時(shí)將控制指令發(fā)送給溫室中需要控制的設(shè)備。Web服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)的處理分為數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)傳輸，通過設(shè)置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器來存儲(chǔ)所有傳感器記錄的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。同時(shí)，遠(yuǎn)程客戶端通過訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，由服務(wù)器上設(shè)置的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化處理，便于對(duì)溫室中環(huán)境數(shù)據(jù)變化進(jìn)行分析和處理。

2 功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

一般情況下，根據(jù)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)溫室管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和用戶分析結(jié)果，以提升物聯(lián)網(wǎng)溫室管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)管理效率為目的，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)溫室管理系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)功能模塊：

2.1 用戶管理模塊

用戶管理模塊在整個(gè)管理系統(tǒng)中獨(dú)立設(shè)計(jì)和運(yùn)行，主要實(shí)現(xiàn)用戶系統(tǒng)登錄、權(quán)限修改、新用戶添加、用戶修改等功能。普通個(gè)人用戶則不能單獨(dú)注冊(cè)賬號(hào)，需要系統(tǒng)管理員添加用戶賬號(hào)，管理員根據(jù)用戶的角色和功能要求設(shè)定相關(guān)使用權(quán)限，避免出現(xiàn)系統(tǒng)相關(guān)的安全問題。用戶管理模塊的實(shí)現(xiàn)需要系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫Web程序成功連接，管理員通過對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行添加、修改、刪除等操作，完成用戶的添加和權(quán)限設(shè)定。這些“增刪改查”功能通過后臺(tái)用戶管理的數(shù)據(jù)庫操作代碼來實(shí)現(xiàn)，用戶管理列表、增加用戶等模塊可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的用戶管理功能，這種用戶管理數(shù)據(jù)庫操作代碼的設(shè)計(jì)和編寫便于該軟件系統(tǒng)的后期維護(hù)和修改。

2.2 硬件結(jié)點(diǎn)管理模塊

整個(gè)管理系統(tǒng)的硬件部分包括由多種傳感器組成的網(wǎng)路，傳感器網(wǎng)絡(luò)由若干采集節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、中轉(zhuǎn)器、上位機(jī)控制中心組成。傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和通信工作，匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起和維護(hù)，收集各個(gè)傳感器和控制設(shè)備的狀態(tài)信息并上傳數(shù)據(jù)，同時(shí)將中轉(zhuǎn)器下發(fā)的查詢命令通告采集節(jié)點(diǎn)。中轉(zhuǎn)器負(fù)責(zé)上傳收集到的傳感器數(shù)據(jù)并將控制中心發(fā)出的命令信息傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)；上位機(jī)控制中心負(fù)責(zé)處理最終上傳數(shù)據(jù)，并通過Web程序?qū)⑦@些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖表顯示給用戶，同時(shí)用戶還可以下達(dá)網(wǎng)絡(luò)操作命令對(duì)設(shè)備進(jìn)行查詢和操作。采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)由SoC芯片作為控制核心，采集節(jié)點(diǎn)可采集并傳遞數(shù)據(jù)，所有采集節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)由匯聚節(jié)點(diǎn)收集。中轉(zhuǎn)器采用ARM處理器作為控制核心，和匯聚節(jié)點(diǎn)之間采用串口方式進(jìn)行通信，以Zigbee通信方式和上位機(jī)控制中心進(jìn)行交互。上位機(jī)控制中心通過人機(jī)交互處理，將上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理直接顯示給用戶，用戶還可以直接下達(dá)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)作執(zhí)行命令，通過點(diǎn)擊相應(yīng)鏈接查看具體設(shè)備信息，了解設(shè)備的詳細(xì)參數(shù)及工作狀態(tài)，進(jìn)行結(jié)點(diǎn)開啟和關(guān)閉操作。

2.3 系統(tǒng)總控模塊

系統(tǒng)總控模塊為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，是用戶最常用的模塊，用戶通過此模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。該模塊主要負(fù)責(zé)顯示系統(tǒng)當(dāng)前的配置信息及設(shè)備狀態(tài)，包括溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照等參數(shù)，這些設(shè)備狀態(tài)以表格的形式列出，其實(shí)現(xiàn)方式和硬件設(shè)備列表部分為相同原理。

為了實(shí)現(xiàn)該溫室管理系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化功能，分別在整個(gè)系統(tǒng)的軟件和硬件方面做相應(yīng)的設(shè)計(jì)。對(duì)于系統(tǒng)的軟件方面，通過在編程語言中的定時(shí)服務(wù)功能來實(shí)現(xiàn)，該功能會(huì)根據(jù)所設(shè)置的時(shí)間間隔去獲取相應(yīng)傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如實(shí)時(shí)的溫度值、濕度值等信息，然后將獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)值與系統(tǒng)設(shè)置的臨界值作比較，接著再采取下一步控制操作。比如，溫室外的溫度較低時(shí)，由于熱量交換使得溫室內(nèi)部溫度下降，當(dāng)溫室內(nèi)的溫度傳感器測(cè)量的溫度值低于系統(tǒng)設(shè)定的溫度值時(shí)，說明此時(shí)溫室內(nèi)的溫度低于農(nóng)作物最佳生長溫度；系統(tǒng)總模塊根據(jù)數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果，發(fā)送命令給溫室內(nèi)的溫度控制裝置，進(jìn)行升溫操作，直到溫度達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值再停止升溫。系統(tǒng)的其他參數(shù)監(jiān)控和調(diào)節(jié)均按照此控制流程工作，對(duì)溫室內(nèi)設(shè)定的參數(shù)值進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)，同時(shí)系統(tǒng)總控模塊采取相對(duì)應(yīng)的控制操作。

2.4 視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控模塊功能上獨(dú)立于硬件系統(tǒng)，整個(gè)視頻監(jiān)控模塊由前端圖像采集部分、網(wǎng)絡(luò)傳輸部分、后臺(tái)服務(wù)器及監(jiān)控中心四個(gè)部分組成。前端圖像采集部分使用高清攝像機(jī)采集高清視頻，要求監(jiān)控視頻能夠反映農(nóng)作物的長勢(shì)、澆灌設(shè)施的工作狀態(tài)等溫室內(nèi)部工作情況。網(wǎng)絡(luò)傳輸部分采用專線為主、無線方式為輔的模式，網(wǎng)絡(luò)專線可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定和保障圖像的清晰度，對(duì)于臨時(shí)點(diǎn)位或?qū)＞€不能到達(dá)的點(diǎn)位，采用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻信號(hào)的傳輸。后臺(tái)服務(wù)器和監(jiān)控中心設(shè)置在溫室管理系統(tǒng)的管理中心，通過設(shè)置IP地址實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁中查看實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查看溫室內(nèi)部情況。

3 結(jié)束語

隨著信息化和自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛，本文從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面對(duì)農(nóng)業(yè)溫室管理系統(tǒng)進(jìn)行了闡述，利用傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了溫室管理的遠(yuǎn)程化和自動(dòng)化，有利于提升農(nóng)業(yè)溫室的管理效率和降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)

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