基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

成世龍，覃 喜

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學院，廣西 南寧 530023)

0 引言

21世紀是互聯(lián)網(wǎng)時代，時代在進步.在過去的20年，全球農(nóng)業(yè)的發(fā)展十分迅速，隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，縱然傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)歷史悠久，但也無法滿足我們現(xiàn)在的生活節(jié)奏.因而，我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化，現(xiàn)代智慧物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的位置，智能農(nóng)業(yè)正欣欣向榮.在農(nóng)業(yè)種植應(yīng)用和溫室大棚中，傳統(tǒng)的人工控制無法適應(yīng)時代的要求，單片機智能控制系統(tǒng)已漸漸得到廣泛的應(yīng)用.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將眾多的傳感器作為一系列的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)基站，我們可以通過不同類型的傳感器，提煉和獲取我們所需要的信息.隨時隨地監(jiān)測基地，我們就能較為及時的發(fā)現(xiàn)種植過程中所存在的問題，并能提出合適方案，解決農(nóng)戶難題.農(nóng)業(yè)也就從最原始的人力、固定機械化的生產(chǎn)模式逐步走向了一條微型化、信息化、自動化的人工智能生產(chǎn)模式的道路.所以，可以通過遠程監(jiān)測、控制的方法完成農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)化，達到高質(zhì)高產(chǎn)的目的.

近些年來，由于不受空間和時間的限制，溫室大棚技術(shù)已經(jīng)得到越來越多人的青睞.冬天，在北方也可以吃到大量反季節(jié)的蔬菜，不僅僅是城里人養(yǎng)生之道，亦是農(nóng)民的發(fā)財之道，而只有成熟完備的溫室大棚技術(shù)才能成為農(nóng)民走上脫貧致富道路上的護航者.可是，目前的大棚技術(shù)尚未成熟，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模過于小型化，管理方式粗放化，系統(tǒng)設(shè)計不全面，實用性不高，無法滿足人民大眾的日常生活需求；如果投入的成本過高，收益過低，農(nóng)民得不償失；我國疆土遼闊，南北兩邊的生活環(huán)境差異較大，對于所栽種的農(nóng)作物來說，生存環(huán)境將會是個巨大的挑戰(zhàn).為了解決此類問題，本系統(tǒng)采用了以嵌入式系統(tǒng)為主控制中心的大棚溫室種植遠程控制系統(tǒng)，把各類傳感器放置于大棚內(nèi)部，比如溫濕度傳感器，氣體傳感器，光傳感器等，不定時的收集大棚中環(huán)境的溫濕度，氣體濃度以及土壤的酸堿程度.此外，監(jiān)控中心如果接收到外部光照過強和室內(nèi)溫度過低的信號，我們會用提前安置好的保溫層比如卷簾機，適當?shù)亟档较鄳?yīng)的高度，保證室內(nèi)維持在一個恒定的溫度，以及避免光照過強所給農(nóng)作物帶來的傷害，使其健康快速成長.值得一提的是，此次設(shè)計中加入了GPRS通信系統(tǒng)，通過遠程監(jiān)控，管理者就可以如有千里眼一般在臺后進行操控，實現(xiàn)了農(nóng)作物生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、精準化，自動化，很大程度上解放了生產(chǎn)力，高效合理地利用資源，提高經(jīng)濟效益，能夠減輕我國作為人口大國的壓力，給農(nóng)民帶來了福音，對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展起著一定程度的促進作用.[1]

1 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)針對現(xiàn)在溫室大棚蔬菜技術(shù)的現(xiàn)狀，對現(xiàn)有的溫室大棚進行了深度的調(diào)查和分析，設(shè)計出了一套遠程監(jiān)控系統(tǒng)來監(jiān)測蔬菜大棚內(nèi)的環(huán)境變化，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)多個溫室大棚內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)控，并做出調(diào)整或通知用戶，用戶可以通過遠程控制軟件實時對多個大棚進行實時監(jiān)控和管理.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件部分主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、嵌入式主控系統(tǒng)、大棚環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由單片機結(jié)合傳感器組成，主要負責感知溫室大棚中的溫濕度、光照情況；而無線通信系統(tǒng)則采用NRF24L01模塊，該模塊在2.4～2.5 G的ISM頻段工作，可以方便與各種嵌入式控制板進行組合完成無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ?；嵌入式主控板則負責接收各個無線傳輸模塊的數(shù)據(jù)，經(jīng)過壓縮處理后通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸至云服務(wù)器，同時還將服務(wù)器下發(fā)的命令進行解析并執(zhí)行對應(yīng)的控制動作.[2]譬如：當大棚內(nèi)部溫度明顯升高時，溫度感應(yīng)器接受已經(jīng)達到甚至是超出到預設(shè)的最高溫度時，它會把這一危險信號傳給嵌入式主控核心板上，嵌入式主板獲取這一信號后，立即分析處理，及時打開排風的開關(guān)，進行散熱降溫操作.與此同時，利用了系統(tǒng)中的激光掃描儀、濕度傳感器、pH酸堿度傳感器等裝置收集土壤中信息，然后利用科技人員在智能系統(tǒng)中設(shè)置的優(yōu)化技術(shù)獲得最佳的決策，制定合理的方案，來滿足農(nóng)作物的生長需求.本系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)圖

大棚終端數(shù)據(jù)收集模塊包括了STC12C4052AD單片機、光照強度、土壤濕度、空氣溫濕度、CO2濃度傳感器、GPRS通信模塊和太陽能供電系統(tǒng).大棚數(shù)據(jù)收集板主要是收集大棚內(nèi)部的各類信息，比如說光照強度、土壤濕度、空氣溫濕度、CO2濃度，可以定時不定點地采取多方位的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳達給大棚控制板.同時，大棚終端數(shù)據(jù)收集模塊把兩個數(shù)據(jù)收集板上傳的信息統(tǒng)一處理，送達云服務(wù)端.該模塊是重要的中轉(zhuǎn)站，它負責云服務(wù)端和各個大棚之間的連接，保證信息的正常傳遞.[3]大棚采集板硬件組成結(jié)構(gòu)見圖3.

圖3 大棚采集板硬件組成結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計

在設(shè)計之前主要從人力資源和管理監(jiān)控兩個方面考慮：一方面，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對某些周期較長，生長緩慢的植物，如果使用人工實時監(jiān)測，那就會導致大量的時間損耗以及人工的不準確性所帶來的誤差.而對于傳統(tǒng)監(jiān)控工藝來說，使用本地工控機監(jiān)控在一定程度上還是無法完全擺脫人工監(jiān)控的困境.另一方面，由于農(nóng)產(chǎn)業(yè)布局廣泛而分散，勢必會給管理工作者造成工作上的困難，比如無法對所有產(chǎn)業(yè)進行及時有效的動態(tài)追蹤與合理監(jiān)控，此外，如果所有產(chǎn)業(yè)都采取人工監(jiān)控的形式也會造成人力資源成本的浪費.因此，對農(nóng)產(chǎn)業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)采取遠程的互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控模式，而服務(wù)器在這個系統(tǒng)中就充當了互聯(lián)網(wǎng)的中心地位，還可以滿足遠程監(jiān)控、管理便捷、節(jié)省人力資源等需求.[4]

該系統(tǒng)整體由四個部分組成，包括服務(wù)器軟件、終端采集板、大棚主控制板和采集板.

服務(wù)器的軟件使用中移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺所提供的工具進行開發(fā)設(shè)計，溫室大棚的主控制板與云服務(wù)器采用TCP透傳的方式進行通信，該方式可以快速地響應(yīng)APP端及數(shù)據(jù)服務(wù)器的各項請求.云端服務(wù)器的網(wǎng)卡通過與大棚終端采集板的信息傳遞，得到溫室大棚內(nèi)的具體環(huán)境變量的數(shù)據(jù)并按照實際需要或者是以人為意志對大棚施加反饋，控制相應(yīng)的設(shè)備運作起來，進行控制，以實現(xiàn)溫室大棚內(nèi)部設(shè)施的智能控制和環(huán)境的合理優(yōu)化.與此同時，傳感器所采集到信息諸如溫度、濕度等參數(shù)信息均被保存起來，作為備案，為后期查詢做好準備工作.下面是用戶端部分控制界面如圖4所示.

圖4 用戶端部分控制界面

系統(tǒng)主控板采用的是基于Cortex-M3內(nèi)核的單片機進行設(shè)計開發(fā)，故采用KEIL MDK環(huán)境進行軟件開發(fā)，采用的是官方提供的ST集成庫，極大地縮短了開發(fā)者的開發(fā)周期.當主控板接收到大棚數(shù)據(jù)采集終端上傳的數(shù)據(jù)時，第一時間是要確認數(shù)據(jù)的發(fā)送位置來自哪個大棚，這個工作是通過獲取寄存器的值來完成的.

通常在無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊中，MAC地址的差異是區(qū)分各個模塊的重要依據(jù)，也就是說想要實現(xiàn)該監(jiān)控系統(tǒng)的預期功能即雙方向多通道接收傳送數(shù)據(jù)，主控制系統(tǒng)需要通過分析MAC地址來判斷數(shù)據(jù)是由那個大棚發(fā)出的，反過來，主控制系統(tǒng)根據(jù)實際需求調(diào)節(jié)大棚內(nèi)設(shè)備工作時，也是通過MAC地址的區(qū)別來實現(xiàn)具體控制某一個大棚.主控制板程序流程圖如圖5所示.

圖5 主控制板程序流程圖

該系統(tǒng)的大棚控制板和采集板是通過程序控制的，具體操作是在Keil開發(fā)環(huán)境下單片機C程序完成的，控制程序比較簡單，分兩部分，一方面是搜集大棚內(nèi)傳感器參數(shù)，另一方面是將數(shù)據(jù)發(fā)送出去.

4 系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計

該系統(tǒng)的創(chuàng)新主要體現(xiàn)：

(1)系統(tǒng)利用無線通信模塊組成小型局域網(wǎng)，省去了現(xiàn)場布線，使用方便；

(2)主控制系統(tǒng)使用簡潔，實時性好，并且可以跨平臺數(shù)據(jù)共享，既可以在PC端進行監(jiān)控數(shù)據(jù)，也可以在移動端進行監(jiān)控；

(3)所得數(shù)據(jù)可以存儲，方便以后提取和查詢.

5 測試結(jié)果分析

經(jīng)過具體實地調(diào)查之后，把該遠程監(jiān)控系統(tǒng)布局到實際應(yīng)用中，通過一段時間的測試，觀察記錄下通過傳感器所搜集到的各項指標參數(shù)，并記錄下各個模塊的性能.

大棚采集板采用單晶太陽能板、超級電容及鋰電池組合供電，所以在需要考慮其低功耗的工作方式，大棚采集板實測工作電壓為3.27 V，休眠時，靜態(tài)電流為0.5 mA，發(fā)送數(shù)據(jù)時，其峰值電流為25 mA.其具體功耗如表1所示.

表1 數(shù)據(jù)采集板功耗數(shù)據(jù)

采集板正常工作30天后，連續(xù)48小時監(jiān)測鋰電池的電壓情況如圖 6所示.

圖6 鋰電池的電壓變化圖

經(jīng)過長時間的測試，整個供電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)充放電循環(huán)，鋰電池的電壓未出現(xiàn)虧電狀況，為采集板的工作穩(wěn)定性提供了保障.

無線數(shù)據(jù)傳輸模塊之間通信速率為1 Mbps,發(fā)射功率1 mW,32字節(jié)長度的數(shù)據(jù)包，并開啟CRC校驗，其通信距離與傳輸數(shù)據(jù)包的準確率關(guān)系見表2.

表2 傳輸距離與傳輸準確率關(guān)系

嵌入式主機通過4 G GPRS模塊傳輸至云服務(wù)器端，既要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測，也要實現(xiàn)設(shè)備的遠程的控制，所以在傳輸命令的響應(yīng)速度上也有一定的要求.其主要命令相應(yīng)速度如表3所示.

表3 命令傳輸響應(yīng)時間

6 結(jié)語

溫室大棚種植技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，形勢大好.本文分析了我國溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，設(shè)計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遠程監(jiān)控管理系統(tǒng).隨著科學技術(shù)水平的飛速發(fā)展，城鄉(xiāng)一體化建設(shè)的穩(wěn)步推進，人工智能技術(shù)的日趨成熟與廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)也應(yīng)時而生.本文以物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展為背景，對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢做出了分析，檢測農(nóng)作物在環(huán)境中的多項生存因素，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作了充足的科學管理準備，保證了農(nóng)作物的正常生長生產(chǎn)，并在一定程度上促進了農(nóng)業(yè)的智能發(fā)展.

該系統(tǒng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中融入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將自動控制系統(tǒng)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施相結(jié)合，通過采集溫室大棚中的光照度、溫濕度等環(huán)境參數(shù)，然后結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將采集信息上傳至服務(wù)器端，從而實現(xiàn)遠程云服務(wù)端的存儲和監(jiān)控.系統(tǒng)功能測試結(jié)果良好，可以幫助農(nóng)戶提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量，增加農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量，節(jié)省人力資源和水土資源，形成生態(tài)友好型的大棚經(jīng)濟，是目前農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一種趨勢.因此，在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展上具有一定的推廣價值.