智慧農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

王雪

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)獲得了很大的發(fā)展空間。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)也開始逐漸向自動化控制的智慧農(nóng)業(yè)方向發(fā)展，不但能夠解放大量的勞動力，還能提高農(nóng)作物產(chǎn)量，提高了勞動生產(chǎn)率。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到智慧農(nóng)業(yè)中，能夠解決人多土少帶來的糧食短缺問題?；谧詣踊刂萍夹g(shù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)將是未來我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向，能夠有效提高農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代水平。本文重點分析了智慧農(nóng)業(yè)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)框架設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；遠(yuǎn)程監(jiān)控；系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：S220.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190430013

前言

隨著信息科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的社會生活水平得到了前所未有的改善。同時也帶動了農(nóng)業(yè)的智慧化發(fā)展，國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)紛紛將研究重點轉(zhuǎn)向農(nóng)業(yè)智能化控制方向。我國從古至今都是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)水平程度普遍還是比較低，特別是在我國的廣大偏遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū)。如何通過科學(xué)技術(shù)生產(chǎn)出高質(zhì)優(yōu)產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品，同時解放勞動生產(chǎn)力，通過更少的人力解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問題。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)的自動化控制、智能化管理成為了研究學(xué)者研究的主題，實現(xiàn)農(nóng)作物生長的實時監(jiān)測的智慧化農(nóng)業(yè)也成為了人們重點研究的領(lǐng)域。目前智慧化農(nóng)業(yè)主要采用的是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、加上各類控制器件、傳感器器件。通過各種傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示并進(jìn)行相應(yīng)光強(qiáng)度、pH值、二氧化碳含量、土壤養(yǎng)分的控制，確保作物生長的最佳生成環(huán)境。遠(yuǎn)程控制的實現(xiàn)使技術(shù)人員能夠監(jiān)視和控制辦公室內(nèi)多個溫室的環(huán)境。利用各類傳感器來測量農(nóng)作物生長所處的環(huán)境，可以為溫室精確控制、實現(xiàn)增產(chǎn)、提高品質(zhì)等目標(biāo)提供科學(xué)依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

智慧農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是利用物聯(lián)網(wǎng)、移動傳感、互聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)等信息技術(shù)，對農(nóng)作物生長過程進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)控和自動控制，實現(xiàn)及時報警和農(nóng)作物的科學(xué)管理。智能農(nóng)產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，減少了農(nóng)業(yè)勞動力，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，加快我國現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。本系統(tǒng)的主要包括有：數(shù)據(jù)處理管理系統(tǒng)，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，生長因子監(jiān)控系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。智能農(nóng)業(yè)生長因子監(jiān)測是整個監(jiān)測系統(tǒng)的核心。智慧農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示。

1.1 信息感知技術(shù)

農(nóng)業(yè)信息識別技術(shù)是智能農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，是智能農(nóng)業(yè)的神經(jīng)末梢，是整個農(nóng)業(yè)智慧鏈中最大、最基本的需求環(huán)節(jié)。農(nóng)業(yè)信息識別技術(shù)主要涉及各類傳感器技術(shù)。傳感器技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)網(wǎng)中發(fā)揮著不可替代的作用。農(nóng)業(yè)傳感器主要收集有關(guān)各種農(nóng)業(yè)因素的信息，包括光、溫度、水、肥料和作物。同時還包括各類外界環(huán)境的空氣環(huán)境，如氨氣或二氧化硫、空氣中的粉塵、水滴、氣溶膠濃度、溫度、濕度等參數(shù)、溶解氧、酸堿度等參數(shù)。

1.2 信息傳輸技術(shù)

信息傳輸是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。其中使用最多的就是各類無線傳感器，由于農(nóng)業(yè)的特殊地理環(huán)境，無線網(wǎng)絡(luò)是智慧農(nóng)業(yè)中最常用的網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將農(nóng)業(yè)中各部分有機(jī)的結(jié)合在一起，一般需要由多個傳感器組成，將整個區(qū)域連成一片區(qū)域。在智慧農(nóng)業(yè)信息傳輸領(lǐng)域，常用的技術(shù)主要有WiFi技術(shù)、GPRS/3G/4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、ZigBee技術(shù)。智慧農(nóng)業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)和安全應(yīng)用技術(shù)，它廣泛應(yīng)用于農(nóng)田灌溉、農(nóng)業(yè)資源監(jiān)測等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。

本系統(tǒng)選擇的傳輸技術(shù)的4G技術(shù)，采用的是華為的4G芯片完成無線網(wǎng)絡(luò)的搭配，考慮到系統(tǒng)成本問題，4G芯片采用AT配置方式實行透明傳輸，通過華為云完成無線數(shù)據(jù)的組網(wǎng)功能。

1.3 信息處理技術(shù)

信息處理是遠(yuǎn)程監(jiān)控的基礎(chǔ)，是獲取數(shù)據(jù)結(jié)果的重要處理方式，它包括云計算、地理信息、專家、決策等信息系統(tǒng)?！霸朴嬎恪痹诙嗯_計算機(jī)的存儲庫中分配計算任務(wù)，并根據(jù)需要計算各種應(yīng)用程序的計算能力、存儲空間和對各種軟件服務(wù)的訪問。智能農(nóng)業(yè)中大量的認(rèn)知信息需要有效的信息處理技術(shù)。云計算可以實現(xiàn)信息存儲資源和計算能力的分布式共享，提供支持大容量信息的智能信息處理功能。地理信息主要包括農(nóng)作物的生長環(huán)境管理、作物苗木、病蟲害發(fā)生率、作物產(chǎn)量、空間信息的地理統(tǒng)計處理等空間信息數(shù)據(jù)庫。為了進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)換和表現(xiàn)，為辨證提供了有意義的分析。專家系統(tǒng)（Concept System，ES）是利用領(lǐng)域特定的專業(yè)知識，通過推理計算機(jī)代理來模擬復(fù)雜的、特定的問題，這些計算機(jī)代理可以由人類專家解決，并實現(xiàn)與專家相同的問題解決能力。發(fā)展農(nóng)業(yè)專家的目的是利用計算機(jī)技術(shù)，在農(nóng)業(yè)專家多年積累的知識和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，克服時間和空間的局限，回答、解釋、判斷需要解決的農(nóng)業(yè)問題，即作出決斷。建議計算機(jī)在農(nóng)業(yè)活動中與人類農(nóng)業(yè)專家相似。決策支持系統(tǒng)（DSS）是一種通過數(shù)據(jù)、模型和知識來進(jìn)行決策的計算機(jī)信息系統(tǒng)。農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛，無論是農(nóng)作物種植、農(nóng)業(yè)設(shè)備設(shè)計、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖信息管理等眾多領(lǐng)域。智能控制技術(shù)（ICT）是控制理論發(fā)展的新階段，它主要用于解決農(nóng)作物生長信息處理的復(fù)雜控制問題系統(tǒng)。目前，信息處理技術(shù)的主要是實時處理、精確分析、模糊控制等方面還有待技術(shù)提高。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用AT89C51為MCU。AT89C51是一種8位MCU，功耗比較低，可編程Flash存儲器達(dá)到8KB大小。AT89C51是Atmel公司生產(chǎn)的一款高效低成本單片機(jī)，通過采用了非易失性的存儲技術(shù)進(jìn)行設(shè)計制造，與工業(yè)級別80C51產(chǎn)品在程序設(shè)計方面完全可以相互交換。AT89C51在低功耗等控制功能比較簡單的領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

數(shù)據(jù)采集包括各類農(nóng)業(yè)傳感器，主要包括溫度傳感器、光傳感器、濕度傳感器、土壤成分分辨?zhèn)鞲衅鞯?，同時還包括各類控制器件，包括通風(fēng)光照、溫濕度，數(shù)據(jù)處理等控制器。

利用土壤溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、空氣溫濕度傳感器檢測相應(yīng)參數(shù)，準(zhǔn)確監(jiān)測影響作物生長的環(huán)境因素，促進(jìn)作物高效高產(chǎn)。這是提高農(nóng)業(yè)整體效益的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)傳輸模塊用于將無線收集器收集的各種環(huán)境參數(shù)上傳到服務(wù)器管理平臺。同時，從服務(wù)器發(fā)送的命令被發(fā)送到控制器?；?G網(wǎng)絡(luò)，向溫室各控制節(jié)點發(fā)出控制命令。通過對溫室電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程實時控制，創(chuàng)造了一個舒適的作物生長環(huán)境。

3 軟件設(shè)計

智能農(nóng)業(yè)將功能劃分為應(yīng)用層、管理層、基礎(chǔ)功能層和數(shù)據(jù)層，模塊化復(fù)雜系統(tǒng)的功能邏輯，明確各功能點與模塊中不同模塊之間的數(shù)據(jù)交互和調(diào)用關(guān)系。下面的數(shù)據(jù)庫設(shè)計和詳細(xì)的實現(xiàn)提供了清晰的思路。智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)是基于B/S模式的系統(tǒng)平臺。由于Internet和計算機(jī)技術(shù)的普及和推廣，C/S結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代全球網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、系統(tǒng)升級和數(shù)據(jù)共享的新挑戰(zhàn)。B/S（瀏覽器/服務(wù)器）模式是一種改進(jìn)的C/S結(jié)構(gòu)，通過訪問智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)頁來管理用戶的遠(yuǎn)程登錄、查詢和監(jiān)測系統(tǒng)。它不僅滿足了農(nóng)業(yè)信息遠(yuǎn)程實時訪問的要求，而且降低了系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)的難度。通過采集環(huán)境參數(shù)和主機(jī)指令，進(jìn)行套接字通信。因此，通信模塊是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，關(guān)系到系統(tǒng)整體運行的可靠性?？蛻舳丝梢詫⑹占降母鞣N環(huán)境因素數(shù)據(jù)分組并發(fā)送到服務(wù)器。服務(wù)器可以根據(jù)協(xié)議反轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。所分析的數(shù)據(jù)存儲在對應(yīng)于mysql數(shù)據(jù)庫表的字段中。智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中較重要的功能模塊有：用戶管理模塊、管理員管理模塊、生長因子監(jiān)測模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊、電氣設(shè)備控制模塊。連續(xù)改進(jìn)、調(diào)試、運行和智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的幾個重要功能模塊已達(dá)到預(yù)期效果；可以運行整個系統(tǒng)來發(fā)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)。

4 總結(jié)

本文是基于AT89C51控制的智慧農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。在設(shè)計過程中采用了各類農(nóng)業(yè)傳感器來采集農(nóng)作物生成環(huán)境的各種參數(shù)，并通過4G無線組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)完成區(qū)域的組網(wǎng)，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸?shù)绞覂?nèi)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行作物生成的實時生成環(huán)境監(jiān)控?；诘穆?lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計對于我國智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用，對實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)智慧現(xiàn)代化具有一定的參考價值。智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用給我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了一個方向，向人們展示了先進(jìn)科學(xué)技術(shù)對農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來的巨大經(jīng)濟(jì)效益，讓更多的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)主動選擇進(jìn)行智慧化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，增加收益。在設(shè)計過程中對智慧農(nóng)業(yè)主要的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)云技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸、實時處理保證數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，控制更加智能。隨著智慧農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷完善，通過傳感器獲取的數(shù)據(jù)處理的結(jié)果會更加精確。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用能夠極大的逐漸農(nóng)業(yè)的智能化發(fā)展，能為農(nóng)業(yè)發(fā)展方向提供便利。在目前的形勢下，智慧農(nóng)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必然選擇，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為其發(fā)展提供了難得的契機(jī)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶動我國農(nóng)業(yè)向智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展，對農(nóng)村生產(chǎn)力的提高具有積極作用，同時能夠縮小農(nóng)村與城鎮(zhèn)間的貧富差距。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展提高的可靠的技術(shù)保證，同時智慧農(nóng)業(yè)也使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有了展示強(qiáng)大生命力的舞臺，充分將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到我國智慧農(nóng)業(yè)中，爭取我國農(nóng)業(yè)早日實現(xiàn)全面現(xiàn)代化。

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