基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧大棚種植系統(tǒng)的研究

楊常捷 劉任任

摘 要：采用傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與無線通信技術(shù)結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧大棚種植系統(tǒng)。它是一種新型的高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。將種植環(huán)境接入無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采集土壤、空氣溫濕度等信息并實(shí)時(shí)傳輸存儲(chǔ)。該系統(tǒng)的功能特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)調(diào)控一體化的自動(dòng)的閉環(huán)系統(tǒng)；根據(jù)蔬菜作物習(xí)性進(jìn)行配置設(shè)計(jì)，具備智能數(shù)據(jù)分析功能，滿足植物科學(xué)管理的需要；系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)PC登錄服務(wù)器實(shí)時(shí)查看，同時(shí)也支持手機(jī)終端APP登錄，方便辦公或戶外條件下的及時(shí)管理。Web服務(wù)器及智能終端的軟件功能界面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程種植與管理人員之間的信息交互。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜大棚的遠(yuǎn)程智慧種植管理。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；傳感器技術(shù)；智慧種植；智能數(shù)據(jù)分析

中圖分類號(hào)：S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： By using of sensor technology，Internet of things technology and wireless communication technology combined with the way，the smart greenhouse planting system based on Internet of Things designed，achieved the wisdom of agricultural vegetable cultivation.It is a new type of efficient agricultural production mode.With the planting environment access into the wireless sensor network system，soil temperature and humidity，air temperature and humidity and other information can be collected and real-time transmission and storage can be achieved.The system has the following features：the realization of the integration of monitoring and control of the automatic closed-loop system；according to the habits of vegetable crops configuration design，with intelligent data analysis capabilities to meet the needs of plant science management；the system not only achieve PC login server real-time view，but also supports mobile terminal login App view at any time，to facilitate the timely management of office or outdoor conditions.The web server and intelligent terminal software interface design make the information exchange between remote planting and management personnel achieved.The experimental results show that the system has good stability，to achieve the remote cultivation of vegetables greenhouse management.

Key words：internet of things；sensor technology；wisdom planting；intelligent data analysis

1 引 言

隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展及人口密集化水平的加劇，土地資源匱乏問題及環(huán)境污染問題日益突顯。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植模式已不能滿足市場(chǎng)需求。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，但是僅限于基礎(chǔ)研發(fā)及人工監(jiān)測(cè)階段，自動(dòng)化數(shù)字化智能種植的產(chǎn)品較少。國(guó)內(nèi)外就植物智能化種植也已經(jīng)提出了不同的設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)[1]提出一種通過終端收發(fā)GSM短信的形式來控制電表系統(tǒng)，但方案較為繁瑣，實(shí)時(shí)性較差。文獻(xiàn)[2]通過GPRS 模塊將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器上。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果，增加了數(shù)據(jù)分析及智能化驅(qū)動(dòng)的研究，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧大棚種植系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了自動(dòng)化監(jiān)控平臺(tái)。

該系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)環(huán)境信息，具有針對(duì)火災(zāi)識(shí)別及外人闖入等突發(fā)情況通信報(bào)警功能，視頻壓縮，支持視頻回傳，同時(shí)可對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，智能化驅(qū)動(dòng)農(nóng)業(yè)設(shè)備改善大棚植物生長(zhǎng)環(huán)境。該系統(tǒng)各模塊相對(duì)獨(dú)立，操作簡(jiǎn)便，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可自動(dòng)化控制。投資成本低。

設(shè)計(jì)的智慧大棚種植系統(tǒng)，將感知設(shè)備接入植物生長(zhǎng)環(huán)境，實(shí)時(shí)采集作物生長(zhǎng)環(huán)境信息；采集數(shù)據(jù)可上傳至云平臺(tái)，方便查看及功能設(shè)置；將不同植物生長(zhǎng)習(xí)性予以算法分析，實(shí)時(shí)記錄植物生長(zhǎng)狀態(tài)；遠(yuǎn)程控制植物生長(zhǎng)燈、澆灌、風(fēng)機(jī)等設(shè)備，保證蔬菜生長(zhǎng)環(huán)境，解放人力。

2 研究的技術(shù)路線

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是傳感器階段以自組織的方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[3]。無線網(wǎng)絡(luò)可感知環(huán)境信息、采集處理、經(jīng)Internet無線傳輸至監(jiān)控中心。嵌入式主控制器對(duì)數(shù)據(jù)予以處理。嵌入式網(wǎng)關(guān)在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)處理和協(xié)調(diào)處理等功能[4]。

利用ZigBee低成本、低功率、抗干擾能力強(qiáng)、與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)兼容的組網(wǎng)特點(diǎn)，結(jié)合智能網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)Android與無線網(wǎng)絡(luò)連接。通過WiFi、3G等通信方式與Android控制程序相連，將控制程序發(fā)送的指令通過串口發(fā)給ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器并經(jīng)解析發(fā)送到各傳感器節(jié)點(diǎn)[5]。

無線網(wǎng)卡采用EDUP EP_N8508GS，主要芯片是REALTEK8188，基于802.11n，傳輸速度快，熱點(diǎn)發(fā)射電波遠(yuǎn)，可高速接入Internet。因此，通過無線網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)，用戶PC與智能手持終端的WiFi就可連接至智慧大棚種植系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的資源共享。連接成功后，啟動(dòng)服務(wù)器個(gè)人PC或智能手持終端登陸瀏覽器網(wǎng)頁即可訪問該系統(tǒng)。

控制平臺(tái)驅(qū)動(dòng)采集植物生長(zhǎng)環(huán)境信息，并將數(shù)據(jù)通過WIFI接入互聯(lián)網(wǎng)，傳入數(shù)據(jù)庫。服務(wù)器平臺(tái)建立模型，對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并存儲(chǔ)，通過編程監(jiān)控平臺(tái)調(diào)取數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，根據(jù)分析結(jié)果遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)調(diào)控設(shè)備，如下圖1所示[6]。

3 總體架構(gòu)

智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如下圖2所示。該系統(tǒng)主要包括：信息采集設(shè)備、控制裝置、調(diào)控設(shè)備、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。信息采集端通過傳感器網(wǎng)絡(luò)組采集大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照等信息；數(shù)據(jù)采集端通過串口與監(jiān)測(cè)終端連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，在無線WiFi下接入Internet傳送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，智能分析及服務(wù)器響應(yīng)；調(diào)控設(shè)備包括澆灌設(shè)備、光照設(shè)備LED燈、通風(fēng)裝置、溫度調(diào)控設(shè)備、加濕器、加熱器，可根據(jù)監(jiān)測(cè)終端的指令控制進(jìn)行相應(yīng)驅(qū)動(dòng)操作。當(dāng)監(jiān)測(cè)到火情、外人闖入等緊急情況時(shí)，報(bào)警提醒，經(jīng)監(jiān)測(cè)終端將信息發(fā)送至Android手持終端設(shè)備。系統(tǒng)監(jiān)控對(duì)象主要是農(nóng)業(yè)蔬菜大棚，方便管理員對(duì)蔬菜大棚作物生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程精準(zhǔn)管理與控制。

遠(yuǎn)程終端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢，遠(yuǎn)程人為控制指令的發(fā)送，并提供可視化界面，方便用戶進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)由傳感器、服務(wù)器、調(diào)控設(shè)備等組成。本系統(tǒng)遵循了安全、可靠、穩(wěn)定、可用性和可擴(kuò)展等設(shè)計(jì)原則，從實(shí)際需求出發(fā)，具備以下基本功能：實(shí)時(shí)感知土壤溫濕度、空氣溫濕度、土壤PH值、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等植物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)信息，采集、傳輸、存儲(chǔ)和處理植物環(huán)境數(shù)據(jù)，并支持歷史數(shù)據(jù)查詢?cè)L問、報(bào)表生成和繪制分析曲線、遠(yuǎn)程調(diào)控、遠(yuǎn)程界面管理功能。ZigBee無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)至嵌入式網(wǎng)關(guān)的傳輸，根據(jù)TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至Web服務(wù)器，最后完成處理后的數(shù)據(jù)在移動(dòng)終端與Web服務(wù)器的顯示。

基于物聯(lián)網(wǎng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合設(shè)計(jì)研究，采用瀏覽器/服務(wù)器模式，用戶通過web瀏覽器、手持終端APP即可實(shí)時(shí)獲取植物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)及生長(zhǎng)視頻圖像，如圖3所示。

4.1 預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)植物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)范圍超出植物生長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)閾值時(shí)，該系統(tǒng)的預(yù)警系統(tǒng)可發(fā)送提示短信給值班管理人員或在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上提示相關(guān)預(yù)警信息。預(yù)警提示信息的模板為：

日期（‘yyyy-mm-dd）；n 號(hào)大棚異常信息如下：

土壤環(huán)境參數(shù)1 數(shù)值 參考范圍1 波動(dòng)幅度1

土壤環(huán)境參數(shù)2 數(shù)值 參考范圍2 波動(dòng)幅度2

......

4.2 傳感器節(jié)點(diǎn)及調(diào)控模塊設(shè)計(jì)

在溫室大棚等農(nóng)業(yè)種植中，傳感器網(wǎng)絡(luò)作為感知層，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)環(huán)境因素信息。此外，系統(tǒng)感知層可進(jìn)行視頻采集、人體電紅外感知，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出植物生長(zhǎng)參數(shù)閾值時(shí)，可驅(qū)動(dòng)布設(shè)的調(diào)控設(shè)備改善環(huán)境參數(shù)。

ZigBee無線通信技術(shù)，具有速率低、損耗低的特點(diǎn)，非常適合近距離通信。

感知層是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)信息采集，將感知信息反饋至上層并接受上層發(fā)來的控制指令，能按照指令完成相應(yīng)的操作[ ]。傳感器采集數(shù)據(jù)后，通過無線傳輸與監(jiān)測(cè)終端及遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。CO2傳感器用于采集CO2濃度；高清攝像頭模塊用于采集植物生長(zhǎng)視頻圖片；防火傳感模塊用于監(jiān)測(cè)大棚溫度，防范火災(zāi)，降低損失。常見的二氧化碳濃度傳感器及光照傳感器如圖4所示。

控制模塊：監(jiān)測(cè)終端根據(jù)種植環(huán)境信息可智能驅(qū)動(dòng)調(diào)控設(shè)備。嵌入式網(wǎng)關(guān)依據(jù)ZigBee 協(xié)調(diào)器傳送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理并通過局域網(wǎng)傳送至手機(jī)客戶端，并可對(duì)手機(jī)客戶端反饋的數(shù)據(jù)信息予以處理，系統(tǒng)控制相應(yīng)傳感器執(zhí)行開啟操作。生長(zhǎng)燈、灌溉裝置是常用到的協(xié)調(diào)植物生長(zhǎng)設(shè)備。

4.3 視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)

視頻采集監(jiān)控，圖像傳感設(shè)備采集圖像并通過H.264編碼壓縮處理為HDMI視頻流，在網(wǎng)絡(luò)條件下將數(shù)據(jù)發(fā)送給處理裝置，處理裝置對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并通過Internet傳送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫。在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，用戶可通過PC或手持終端登錄服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問，有效監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)狀態(tài)，避免外人闖入及火災(zāi)引擎等[ ]。同時(shí)為用戶提供植物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)及開花病蟲害等信息。視頻監(jiān)控如圖5所示。

4.4 遠(yuǎn)程管理中心設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程管理中心，由接入設(shè)備與計(jì)算機(jī)組成，完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理與顯示，環(huán)境參數(shù)信息的動(dòng)

態(tài)分析，亦可實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)視頻的遠(yuǎn)程控制查

看[9]。系統(tǒng)遠(yuǎn)程界面要實(shí)現(xiàn)靜態(tài)網(wǎng)頁和動(dòng)態(tài)CGI的相互配合。編寫相對(duì)應(yīng)的CGI程序?qū)崿F(xiàn)與HTML靜態(tài)網(wǎng)頁的交互[10]。PC瀏覽器可以實(shí)時(shí)訪問查看系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息，并實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的遠(yuǎn)程操作。系統(tǒng)遠(yuǎn)程登錄訪問及查詢?nèi)缦聢D6（a）和圖6（b）所示。

監(jiān)控系統(tǒng)的主頁面可實(shí)現(xiàn)的功能包括：實(shí)時(shí)展示環(huán)境參數(shù)信息，調(diào)控設(shè)備的開關(guān)，視頻信息訪問等。訪問智能種植監(jiān)控系統(tǒng)，截取溫室大棚中黃瓜作物的部分生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)及相應(yīng)曲線如圖7（a）和圖7（b）所示。

4.5 系統(tǒng)智能驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)布設(shè)在大棚內(nèi)的傳感器，采集該范圍內(nèi)的光照、土壤、空氣等環(huán)境信息，并自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。通過長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)記錄與分析，得到溫室植物生長(zhǎng)品質(zhì)與環(huán)境參數(shù)的相關(guān)性，獲得生長(zhǎng)的最佳條件。系統(tǒng)可自動(dòng)或管理員手動(dòng)調(diào)控遠(yuǎn)程設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，以滿足緊急場(chǎng)景的需要。圖8為，系統(tǒng)讀入土壤濕度值并與參考值對(duì)比判斷土壤濕度較低，發(fā)出灌溉指令，驅(qū)動(dòng)打開灌溉電磁閥進(jìn)行灑水作業(yè)。此時(shí)，通過查看Web客戶端，看出前后土壤濕度數(shù)據(jù)出現(xiàn)驟然上升。同時(shí)，監(jiān)控畫面展示了植物生長(zhǎng)狀態(tài)良好。此外，系統(tǒng)可給予專家決策建議，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中的智慧性。

隨著季節(jié)的變化，作物各階段對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的要求是動(dòng)態(tài)變化的，我們可通過調(diào)整作物控制區(qū)域的環(huán)境因素標(biāo)準(zhǔn)值來滿足植物生長(zhǎng)的需要。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)依據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線通信技術(shù)與數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)在架構(gòu)及功能上，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程、多參數(shù)的信息采集、實(shí)時(shí)傳輸及智能調(diào)控，成功地實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能種植上的應(yīng)用。數(shù)據(jù)通過無線通信存儲(chǔ)于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享；硬件購(gòu)置上成本較低，應(yīng)用方便；在設(shè)計(jì)上，各模塊相對(duì)獨(dú)立，易于擴(kuò)展及后期維護(hù)。本系統(tǒng)提供了智能監(jiān)控一體化，遠(yuǎn)程界面有效預(yù)警火災(zāi)引擎、外人闖入、植物生長(zhǎng)狀態(tài)，遠(yuǎn)程控制設(shè)備的開關(guān)操作，降低了農(nóng)業(yè)種植投入成本并解放勞動(dòng)力，應(yīng)用前景十分廣闊。本系統(tǒng)對(duì)有效提升溫室蔬菜的科學(xué)管理水平，但是在智能化控制及功能應(yīng)用創(chuàng)新性方面還存在一定不足。例如，增加軟件功能界面的多功能設(shè)計(jì)。后期將在系統(tǒng)自動(dòng)化控制及軟件實(shí)用性上作進(jìn)一步的研究。

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