基于物聯(lián)網(wǎng)的智能大棚系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

文/徐文起 李小紅 呂向風

目前，溫室大棚已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的種植蔬菜和非時令作物，集觀光旅游、休閑度假為一體，因此大棚面積較大，環(huán)境監(jiān)測和管理則需要大量人力、物力，為了解決以上問題提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能大棚的設計。該大棚能實現(xiàn)對大棚內土壤溫濕度以及空氣溫濕度進行監(jiān)測、空氣質量監(jiān)測、土壤PH值監(jiān)測以及卷簾機和風機以及燈光的控制等，通過獲取相關數(shù)據(jù)來檢測大棚環(huán)境以及作物的生長環(huán)境來實現(xiàn)精細化管理，通過智能控制來實現(xiàn)集約化管理。

1 系統(tǒng)功能需求分析

通過到武清某蔬菜、花卉種植大棚和漢沽某草莓大棚等實地調研，發(fā)現(xiàn)家庭型的大棚面積較小但是數(shù)量較多，智能監(jiān)控基本沒有；通過對用于觀光和科普型企業(yè)大棚走訪，發(fā)現(xiàn)該類型大棚一般具有監(jiān)測空氣溫濕度、含氧量、PM值監(jiān)測功能。因此根據(jù)實際調研情況和大棚管理者提出的要求，得出系統(tǒng)需要實現(xiàn)如下功能。

基礎數(shù)據(jù)采集功能：系統(tǒng)需要實現(xiàn)對大棚空氣環(huán)境和土壤環(huán)境的數(shù)據(jù)進行采集和上傳到云平臺；遠程智能控制功能：用戶需要根據(jù)實際情況遠程控制卷簾機的收放、燈光控制以及風機的開閉；相關數(shù)據(jù)查看功能：用戶需要通過手機就能夠查看相關數(shù)據(jù)；硬件設備要求：設備初始化以及管理、更換簡單、易用，設備要防塵、防水等。

2 系統(tǒng)設計

根據(jù)需求分析，需要對智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)進行設計。首先對系統(tǒng)總體架構進行設計，由于系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)，因此根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)架構將智能大棚系統(tǒng)分為三層：感知層、傳輸層和應用層。其中系統(tǒng)架構圖如圖1所示。

其中感知層需要進行硬件設計，硬件設計采用了較高性價比、設備較強穩(wěn)定性和抗干擾能力等原則，進行農業(yè)盒子的設計；該盒子設計為通用型，能搭載傳感器只需要購買芯片即可。設計的主板統(tǒng)一接口、統(tǒng)一的程序，可以搭載不同傳感器芯片，無需二次編程和設置，實現(xiàn)了即插即用。同時在主板外自主設計了防塵、防水不銹鋼盒子。

表1：自主研發(fā)盒子出廠設置表

圖1：智能大棚系統(tǒng)架構圖

圖2：智能大棚APP監(jiān)控界面

傳輸層主要能實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)上傳功能，主要針對大棚用戶需求以及實際情況設計為Wi-Fi、GPRS傳輸技術，可以選擇通信方式。對于普通家庭用戶采用GPRS，因為價格低廉，也比較適合沒有連接Wi-Fi的農村；而對于企業(yè)而言，則可以選擇已有的Wi-Fi傳輸方式。

應用層主要實現(xiàn)軟件設計，主要是由后臺管理系統(tǒng)和手機APP組成，通過后臺管理系統(tǒng)可以完成對獲取的大棚環(huán)境數(shù)據(jù)的查看，存儲等操作。管理員對后臺終端系統(tǒng)進行系統(tǒng)維護和日常管理；移動終端用戶可以通過APP完成對大棚中環(huán)境數(shù)據(jù)的查看和對大棚中部署的硬件設備的控制。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

在硬件實現(xiàn)上，傳感器芯片采購其他廠商，連接主板和傳感器芯片的電路板則是自主研發(fā)。該電路板（農業(yè)盒子）作用于傳感器與主板之間，主要使用RS485有線數(shù)據(jù)通信，其他部分采用無線數(shù)據(jù)通信，最后將傳感器與電路板進行封裝，由于前期已經(jīng)對傳感器等與電路板的連接進行了設置，所以在后期出現(xiàn)傳感器更換時也可以直接進行更換，無需再進行調試或設置。硬件實現(xiàn)了農業(yè)盒子，同時還有自動灌溉模塊、土壤濕度檢測、PH值傳感器以及AT89C51單片機等設備。

自主研發(fā)盒子搭載傳感器之后，首先需要進行出廠設置（該設定不對客戶開放）如表1所示。

軟件實現(xiàn)包括手機APP和系統(tǒng)后臺。本系統(tǒng)采用SQL Server為后臺數(shù)據(jù)庫,以ASP.NET進行網(wǎng)頁開發(fā)軟件設計，使用Android Studio進行手機APP開發(fā)。

系統(tǒng)后臺管理系統(tǒng)為管理員提供日志信息的存儲與分析等服務，后臺管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)對接收到的數(shù)據(jù)進行存儲、顯示和查詢的功能，可以將感知層中采集到的空氣溫濕度、土壤基質溫濕度和二氧化碳濃度數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，以便用戶可以通過手機APP端從數(shù)據(jù)庫中調取并查看歷史數(shù)據(jù)記錄。后臺把感知層采集來的數(shù)據(jù)通過傳輸層傳輸后進行分析，根據(jù)預設的數(shù)據(jù)范圍，在實際測得的數(shù)據(jù)不在預設范圍內時，進行自動控制硬件設備的開啟和關閉，比如控制卷簾機的正轉與反轉。卷簾或放簾一定程度，觸發(fā)設定好的行程開關，電機停止運行。

手機APP端實現(xiàn)了用戶對大棚環(huán)境數(shù)據(jù)的查看和硬件設備的調控；實現(xiàn)了大棚的空氣溫濕度、光照，土壤的溫濕PH值等信息的監(jiān)看；同時還會實現(xiàn)對照明、通風口以及卷簾機、風機、澆水等控制。手機APP如圖2所示。

4 運行

目前主要推廣對象也是節(jié)能智慧大棚的試點—大棚較多的武清區(qū)的河西務鎮(zhèn)。同時，也將設計的盒子修改傳感器（只要溫濕度傳感器），應用于塘沽糧庫，該糧庫一共60個糧倉，每個糧倉都需要對溫濕度檢測，原來使用傳統(tǒng)的人為測量并多次不同地點采樣進行測量，這樣工作效率勢必會低。因此在糧庫中使用智能農業(yè)盒子，每個糧庫安裝10個溫濕度傳感器，其中9個放置在內部，1個放糧倉外。需要通過判斷糧庫外的溫濕度和庫內溫濕度對比開控制是否開關風扇，首先濕度權值重，如果室外濕度高于糧庫內，即使庫內溫度再高也不能開通風。另外一個應用主要應用于塘沽鹽場，應用效果較好。