基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王英杰　鄭明輝

摘要：為解決目前土地荒漠化嚴(yán)重、土地資源緊缺的問題，在分析我國實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，利用無土栽培技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)將硬件系統(tǒng)檢測與調(diào)節(jié)功能、軟件系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)算功能與控制功能等相結(jié)合，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行農(nóng)作物培育，為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化提供新的解決方案。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè);管理系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2019.06.015

Abstract： In order to solve the problems of serious land desertification and shortage of land resources， an intelligent agricultural management system was designed by using soilless culture technology and Internet of Things technology on the basis of analyzing the actual situation in China. This system combined the detection and regulation functions of hardware system and the automatic calculation functions and control functions of software system， and cultivated crops by relying on the Internet of Things technology， thus to provide new solutions for the industrialization of modern agriculture.

Key words： Agriculture;Management system;Internet of Things technology

目前我國設(shè)施農(nóng)業(yè)面積增長幅度大，集成化程度低，災(zāi)害應(yīng)對能力差，其中設(shè)施園藝絕大部分用于蔬菜、花卉生產(chǎn)，主要依賴經(jīng)驗(yàn)和單因子定性調(diào)控，智能化程度低。蔬菜設(shè)施種植茬口安排存在單一、生產(chǎn)率低下的情況，重茬、連作問題較為突出，導(dǎo)致病蟲害頻發(fā)，栽培環(huán)境惡化，品質(zhì)難以保證。在設(shè)施農(nóng)業(yè)中，土壤結(jié)構(gòu)逐年變差，土壤長期處于覆蓋狀態(tài)，沒有雨水淋溶作用，加之施肥不合理，尤其是過量施用氮肥，使土壤中的鹽濃度超標(biāo)，出現(xiàn)不同程度的酸化或鹽堿化[1-2]。

智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)根據(jù)農(nóng)作物的實(shí)際情況而采用與之相適應(yīng)的傳感器與調(diào)節(jié)設(shè)備，對農(nóng)作物的生長進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控與采集，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對其進(jìn)行統(tǒng)籌管理、自動(dòng)控制，以達(dá)到合理利用土地、減少資源浪費(fèi)與環(huán)境污染的目的。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)系統(tǒng)是一種統(tǒng)籌軟硬件，代替?zhèn)鹘y(tǒng)農(nóng)業(yè)中人對農(nóng)作物生長及生產(chǎn)控制的綜合管理系統(tǒng)。選擇一個(gè)合適的培養(yǎng)空間，將植物放入，以無土栽培為基礎(chǔ)，通過手機(jī)或電腦控制端對植物的生命周期、生長速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并實(shí)時(shí)收集培養(yǎng)空間內(nèi)濕度、溫度、光照強(qiáng)度及營養(yǎng)攝取情況，遙控培養(yǎng)空間提供所需條件。圖1為系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1營養(yǎng)液自動(dòng)調(diào)配灌溉

王英杰等：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)2019年第6期2019年第6期王英杰等：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)營養(yǎng)液調(diào)配回路由營養(yǎng)液母液儲(chǔ)藏部分、電磁閥、水泵、濃度檢測裝置、取樣管道、攪拌器等部分組成，水泵通過取樣管道將養(yǎng)液池內(nèi)已用過的部分營養(yǎng)液進(jìn)行取樣，輸送到濃度檢測裝置，檢測營養(yǎng)液中營養(yǎng)物質(zhì)所剩含量，檢測后的營養(yǎng)液經(jīng)回收管道流回到養(yǎng)液池?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)，控制電磁閥通斷向已有營養(yǎng)液中輸送適量的營養(yǎng)液母液，并運(yùn)行攪拌器使已有的營養(yǎng)液與母液充分混合。攪拌完成后，水泵再次通過取樣管道將養(yǎng)液池內(nèi)部已充分混合好的營養(yǎng)液輸送到濃度檢測裝置，進(jìn)行取樣，檢測營養(yǎng)液中營養(yǎng)物質(zhì)含量，達(dá)標(biāo)后養(yǎng)液池內(nèi)的營養(yǎng)液可供下次灌溉使用，若不達(dá)標(biāo)，再次執(zhí)行營養(yǎng)液調(diào)配的程序，直至達(dá)標(biāo)。在實(shí)際中測得的數(shù)據(jù)顯示，本裝置可以一次性調(diào)配4.25 L營養(yǎng)液，溶解性固體總量TDS的絕對增量可以保持在2500以上，這使得本裝置可以適應(yīng)絕大多數(shù)作物生長時(shí)的營養(yǎng)要求[3]。

營養(yǎng)液灌溉回路由養(yǎng)液池、養(yǎng)液泵、供液管道、培養(yǎng)皿及養(yǎng)液回收管道等部分組成，到達(dá)設(shè)定的時(shí)間后，控制系統(tǒng)控制養(yǎng)液泵通過供液管道將已經(jīng)調(diào)配好的營養(yǎng)液輸送到各栽培床中，不達(dá)標(biāo)的營養(yǎng)液將經(jīng)養(yǎng)液回收管道回到養(yǎng)液池，進(jìn)行再次調(diào)配，提高利用率。營養(yǎng)液的灌溉采用間歇供液，能使作物根系較長時(shí)間暴露在空氣中，促使作物根系生長發(fā)達(dá)，同時(shí)養(yǎng)液泵處于間歇的工作狀態(tài)下可大大地節(jié)約電能，一般說來，供液時(shí)間約是15 min·h-1。在設(shè)定中，默認(rèn)供液15 min，停45 min，但在不同的植物生長期或不同季節(jié)，供液時(shí)間可以作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。圖2為營養(yǎng)液自動(dòng)調(diào)配灌溉的工作流程圖。

2.2溫濕度控制

溫濕度控制包括營養(yǎng)液溫度和植株生長環(huán)境的溫濕度控制。

冬天營養(yǎng)液溫度需要加以調(diào)節(jié)，由液溫傳感器檢測營養(yǎng)液溫度，將測得的溫度輸入控制系統(tǒng)。若液溫低于設(shè)定值，由控制系統(tǒng)輸出控制信號經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路接通液溫加熱器進(jìn)行加熱;當(dāng)檢測溫度達(dá)到機(jī)內(nèi)設(shè)定的上限值時(shí)輸出信號斷開加熱器停止加熱。系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置營養(yǎng)液的溫度值保持在20℃，但在不同的季節(jié)之中，面對不同的情況，營養(yǎng)液溫度可以在一定范圍內(nèi)自由調(diào)整。

植株生長環(huán)境的溫濕度控制主要由溫度檢測模塊、濕度檢測模塊、通風(fēng)扇、微型暖風(fēng)機(jī)、加濕器等部分構(gòu)成，由溫度傳感器檢測溫度，輸入控制系統(tǒng)。若溫度低于設(shè)定值，由控制系統(tǒng)接通暖風(fēng)機(jī)進(jìn)行加熱;當(dāng)檢測溫度達(dá)到機(jī)內(nèi)設(shè)定的上限值時(shí)輸出信號斷開加熱器停止加熱。濕度檢測同理，若濕度低于設(shè)定值，由控制系統(tǒng)接通加濕器進(jìn)行加濕;當(dāng)檢測濕度達(dá)到或高于系統(tǒng)設(shè)定的上限值時(shí)接通通風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)降低濕度，使植株終處在一個(gè)適宜生長的環(huán)境中。圖3為溫濕度控制的工作流程。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程獲取種植環(huán)境內(nèi)部的空氣溫濕度、營養(yǎng)液溫度、營養(yǎng)液濃度等信息，遠(yuǎn)程或自動(dòng)控制營養(yǎng)液循環(huán)、加溫補(bǔ)光等設(shè)備，保證種植環(huán)境內(nèi)環(huán)境最適宜作物生長，為作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全創(chuàng)造條件。本系統(tǒng)還可以通過手機(jī)、筆記本等移動(dòng)信息終端進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，實(shí)現(xiàn)集約化、網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程管理，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用。在本部分的設(shè)計(jì)中，主要包括下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。

3.1下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件部分的設(shè)計(jì)對于整個(gè)系統(tǒng)而言起著至關(guān)重要的作用，為了保證控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確進(jìn)行控制，在本系統(tǒng)采用了以ARM公司的高性能“CortexM3”為內(nèi)核的STM32F03ZET6芯片為主控芯片，這個(gè)芯片上集成32 kB的Flash存儲(chǔ)器和64 kB的SRAM存儲(chǔ)器，最高工作頻率可以達(dá)到72 MHz，能夠滿足系統(tǒng)的控制要求[4]。

下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要包括以下3個(gè)方面：

（1）數(shù)據(jù)的采集模塊，主要是農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的采集，包括溫度、濕度、光照強(qiáng)度等參數(shù)，將所采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)STM32微控制器整合處理。

（2）控制模塊的軟件設(shè)計(jì)，主要是單片機(jī)收到上位機(jī)傳送過來的信號，對設(shè)備進(jìn)行控制，包括水泵和溫度調(diào)節(jié)設(shè)備的控制。

（3）無線模塊的軟件設(shè)計(jì)，STM32微控制器將采集到的數(shù)據(jù)通過串口傳輸至3G模塊。

3.2上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)包含數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)和界面的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)庫主要是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)部分、設(shè)備管理和用戶管理部分，將STM32微控制器所檢測到的數(shù)據(jù)按照設(shè)備編號和時(shí)間進(jìn)行存儲(chǔ)，設(shè)備管理部分可以控制設(shè)備的狀態(tài)，并可以實(shí)時(shí)查看，用戶管理主要是可以設(shè)定各個(gè)參數(shù)的閾值，在超出閾值范圍內(nèi)，發(fā)出有效的控制信號，對設(shè)備進(jìn)行控制。

在本系統(tǒng)中利用LABVIEW進(jìn)行上位機(jī)的開發(fā)，LABVIEW與C和BASIC一樣都是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。LABVIEW的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。LABVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等，便于程序的調(diào)試[5]。

上位機(jī)以ESP8266WiFi模塊為接口與服務(wù)器進(jìn)行連接，上位機(jī)的主要工作流程：服務(wù)端接收到數(shù)據(jù)之后，通過運(yùn)行Java接口函數(shù)將收到的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫中，監(jiān)控中心通過函數(shù)調(diào)用數(shù)據(jù)庫里邊的數(shù)據(jù)顯示在界面上，寫入相應(yīng)的控制指令，改變設(shè)備的工作狀態(tài)。圖4為上位機(jī)的數(shù)據(jù)顯示界面。圖5為上位機(jī)的任務(wù)管理界面。

4小結(jié)

智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)系統(tǒng)具有營養(yǎng)液自動(dòng)調(diào)配、定時(shí)灌溉、加熱、溫濕度檢測、自動(dòng)補(bǔ)光等功能，可以提高資源利用率，增加農(nóng)作物的單位面積產(chǎn)量，降低農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，具有價(jià)格低廉、實(shí)時(shí)控制、易于維護(hù)、多方面調(diào)控、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)的應(yīng)用可節(jié)約勞動(dòng)力成本，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，增加產(chǎn)量、提高設(shè)施農(nóng)業(yè)水平，具有很高的推廣價(jià)值，基于傳感器技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)將是未來發(fā)展現(xiàn)代化高效農(nóng)業(yè)和特色農(nóng)業(yè)的必經(jīng)之路。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬秀飛.基于物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算的智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)研究[J].河南農(nóng)業(yè)，2018（11）：54-56.

[2]韓秀燕，孫濤.我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展路徑設(shè)計(jì)及其優(yōu)化策略研究[J].陜西農(nóng)業(yè)科學(xué) ，2016（12）：98-101.

[3]秦琳琳，孫德敏，王勇，等.無土栽培營養(yǎng)液循環(huán)控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19（4）：264-266.

[4]盧有亮.基于STM32的嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[5]陳樹學(xué)，劉萱.LABVIEW寶典（第2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.

（責(zé)任編輯：柯文輝、張磊）