基于物聯(lián)網(wǎng)的智能大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盛彬 王舒瑋

（山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 山西省大同市 037000）

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)狀

作為戰(zhàn)略性的新興產(chǎn)業(yè)之一，物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of Things，IOT)已被國家正式列為重點(diǎn)發(fā)展對象，是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動網(wǎng)絡(luò)通信之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)革命[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在美、歐、日、韓等傳統(tǒng)高科技發(fā)達(dá)地區(qū)起步較早，總體實(shí)力一直處于領(lǐng)先地位，但中國在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展方面并不落后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)具備一定的基礎(chǔ)，研發(fā)水平基本與國際同步，在構(gòu)建系統(tǒng)體系、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、軟件算法等方面，一直不斷更新、改進(jìn)，提出了許多兼顧技術(shù)性、實(shí)踐性與創(chuàng)新性的思想和理論，經(jīng)過成果轉(zhuǎn)化后，廣泛應(yīng)用于我國交通、電力、金融、物流等行業(yè)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字世界、信息世界、真實(shí)物理世界的三方融合，全面推進(jìn)了產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提高了企業(yè)的核心競爭力，提升了人民生產(chǎn)、生活水平。

2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般準(zhǔn)則

2.1 進(jìn)行調(diào)研，確定是否能立項(xiàng)

通過收集國內(nèi)外文獻(xiàn)、資料、書籍、調(diào)查問卷等內(nèi)容，研究擬立項(xiàng)課題的發(fā)展與現(xiàn)狀，掌握擬立項(xiàng)課題的前沿知識、技術(shù)及實(shí)際成功案例，結(jié)合現(xiàn)有資源及條件，分析項(xiàng)目實(shí)施的可行性，確定是否立項(xiàng)。

2.2 設(shè)計(jì)總體框架，確定系統(tǒng)總體方案

對于項(xiàng)目實(shí)施的重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)放在技術(shù)難度這一塊，此時需要進(jìn)一步深入課題，查找相關(guān)更具體、更詳細(xì)的資料，參考國內(nèi)外同類型產(chǎn)品的實(shí)際特性，確定本次課題項(xiàng)目需拆分成幾大模塊，各自模塊要實(shí)現(xiàn)的功能，進(jìn)而規(guī)劃設(shè)計(jì)思路，提出合理且可行的設(shè)計(jì)方案，撰寫首次任務(wù)報告書，給出系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案[2]。

2.3 細(xì)化設(shè)計(jì)方案，確定最終模塊功能

細(xì)化方案是設(shè)計(jì)過程中最重要的一步，需要明確系統(tǒng)中每一模塊的具體功能，進(jìn)而根據(jù)實(shí)際需求選管、選器件，定制硬件、軟件方案，然后在保障功能正常使用的前提下，考慮到成品、故障率等現(xiàn)實(shí)條件，盡量用軟件實(shí)現(xiàn)相關(guān)模塊功能。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)智能大棚系統(tǒng)的立項(xiàng)依據(jù)

3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是新工科專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)

當(dāng)今社會，工業(yè)程度日趨提高，工業(yè)水平快速發(fā)展，對高素質(zhì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)已經(jīng)成為在新工科發(fā)展背景下十分重要的一環(huán)，只有不斷構(gòu)建并更新新工科人才培養(yǎng)的方案和體系，方能為社會發(fā)展源源不斷地輸出具有創(chuàng)新及實(shí)踐能力的高科技、高素質(zhì)人才，而作為社會經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中提供強(qiáng)大新生動力的人才培育重點(diǎn)機(jī)構(gòu)，高校必須更加積極地進(jìn)行應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)路徑的研究與拓展[3]。

圖1：智能大棚系統(tǒng)總體框架圖

3.2 物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高技術(shù)規(guī)范、高效益的生產(chǎn)

我國在世界范疇內(nèi)，一直處于農(nóng)業(yè)大國而非農(nóng)業(yè)強(qiáng)國之列，生產(chǎn)方式一直以傳統(tǒng)模式為主，提高產(chǎn)量也主要是靠化肥農(nóng)藥的使用，農(nóng)民依靠經(jīng)驗(yàn)種植，費(fèi)時費(fèi)力，智能化程度偏低，還易造成水資源浪費(fèi)、土壤污染等環(huán)境問題，對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重威脅。

傳統(tǒng)大棚以農(nóng)民承包或是利用自家土地為主要擁有方式，以種植各種非時令作物為主，以農(nóng)民為生產(chǎn)主體，產(chǎn)量、質(zhì)量依靠農(nóng)民經(jīng)驗(yàn)，大棚相對各自孤立，基本無智能手段介入，導(dǎo)致浪費(fèi)大量人力、物力、農(nóng)民收入受限?，F(xiàn)實(shí)社會高速發(fā)展，科技日新月異，傳統(tǒng)大棚也從過去單純的種植功能，轉(zhuǎn)換成新的集觀光、旅游、休閑、娛樂 的度假模式，特別是對水果、蔬菜的現(xiàn)場采摘需求日盛，人民更愿意在假期時間，進(jìn)入鄉(xiāng)村，體驗(yàn)采摘樂趣，因此，如何更科學(xué)、合理、高效地保障作物質(zhì)量及產(chǎn)量，就成為亟待解決的目標(biāo)，智能化大棚的建設(shè)也就成為必然。

針對這一現(xiàn)實(shí)問題，本次設(shè)計(jì)提出在傳統(tǒng)大棚模式下引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將智能檢測、智能檢測、智能監(jiān)控報警、智能綜合處理等操作模塊引入到大棚種植系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)大棚種植自動化，且園區(qū)內(nèi)每個大棚均部署一套裝置，棚與棚之間建立聯(lián)系，數(shù)據(jù)互通，再通過無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時控制化，最終減少人力因素，提高作物產(chǎn)量及質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)園區(qū)大棚人工智能化。

4 系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能大棚系統(tǒng)主要分為四大部分，分別是：大棚現(xiàn)場、數(shù)據(jù)采集傳輸、現(xiàn)場平臺、終端顯示[4]。系統(tǒng)總體框架如圖1 所示。

圖2：數(shù)據(jù)上傳模塊框圖

大棚現(xiàn)場由傳感器網(wǎng)絡(luò)、各種控制器和執(zhí)行裝置組成，傳感器結(jié)合MCU(單片微型計(jì)算機(jī)Microcontroller Unit)主要用于采集大棚現(xiàn)場的各項(xiàng)參數(shù)；集成一體化控制器可由用戶近端或遠(yuǎn)程控制，通過執(zhí)行裝置（如灌溉閥門等），實(shí)施各項(xiàng)功能操作。

數(shù)據(jù)采集傳輸是連接現(xiàn)實(shí)參數(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)字世界的媒介，負(fù)責(zé)將現(xiàn)場采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)經(jīng)藍(lán)牙模塊傳輸給工作平臺，計(jì)算機(jī)經(jīng)分析判斷后，將控制指令傳回現(xiàn)場，由控制器操作執(zhí)行裝置，實(shí)現(xiàn)例如調(diào)整現(xiàn)場室溫、噴淋、灌溉、調(diào)整卷簾升降、控制風(fēng)機(jī)通風(fēng)等功能。

現(xiàn)場平臺用于展示此智能控制系統(tǒng)的全部功能，需要由專門的開發(fā)人員設(shè)計(jì)界面，布局功能，將實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報警裝置、遠(yuǎn)程控制這四方面內(nèi)容集成于軟件中。對于小型大棚區(qū)，每間大棚可現(xiàn)場配置一臺計(jì)算機(jī)，通過界面切換實(shí)現(xiàn)功能顯示、功能執(zhí)行；對于大型棚區(qū)，可在每間大棚現(xiàn)場設(shè)置顯示設(shè)備，再通過視頻設(shè)備的組合，建立專門的棚區(qū)監(jiān)控設(shè)備控制間，同時顯示上述功能，再根據(jù)具體情況，給出執(zhí)行命令，實(shí)現(xiàn)全區(qū)監(jiān)控智能化、集成化。

終端顯示用于用戶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，方便用戶實(shí)時通過手機(jī)、計(jì)算機(jī)的客戶端、瀏覽器等裝置監(jiān)測大棚現(xiàn)場，觀測各項(xiàng)參數(shù)，對比實(shí)時、歷史數(shù)據(jù)差異，需要時及時作出響應(yīng)，控制現(xiàn)場。

5 系統(tǒng)方案模塊細(xì)化

5.1 數(shù)據(jù)采集模塊

傳感器技術(shù)作為現(xiàn)代信息科技的三大支柱技術(shù)之一，是獲取信息的重要手段，在國內(nèi)外得到了迅速發(fā)展，其水平的高低已經(jīng)公認(rèn)成為判斷國家科技實(shí)力的重要標(biāo)志之一，特別是在當(dāng)今各類高科技控制系統(tǒng)中，作為感知現(xiàn)實(shí)世界信息的核心檢測機(jī)構(gòu)，傳感器已經(jīng)成為人們認(rèn)知世界、改造世界的重要工具。

在對智能大棚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，需嚴(yán)格考量各種作物對于環(huán)境的需求，例如高品質(zhì)的葡萄酒會對一些參數(shù)，如土壤的溫度、濕度等非常敏感，超過某一閾值范圍后，葡萄的甜酸度會發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致酒的品質(zhì)嚴(yán)重下降，因此設(shè)計(jì)出合理、可行的傳感器網(wǎng)絡(luò)，對需求參數(shù)進(jìn)行實(shí)時檢測監(jiān)控，進(jìn)一步利用執(zhí)行裝置有效灌溉，可實(shí)現(xiàn)提高作物品質(zhì)、產(chǎn)能、節(jié)水的目標(biāo)。本次方案的數(shù)據(jù)采集模塊預(yù)對溫度（包括空氣與土壤）、濕度（包括空氣與土壤）、濃度（包括空氣中的含氧量、CO2濃度）、光照等數(shù)值進(jìn)行檢測監(jiān)控[5]。

5.2 數(shù)據(jù)上傳模塊

智能大棚希望實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控，進(jìn)而通過控制器控制各種執(zhí)行裝置，例如灌溉系統(tǒng)、新風(fēng)凈化系統(tǒng)等。但是大棚現(xiàn)場布置的數(shù)據(jù)采集模塊只能用于輸出各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時數(shù)據(jù)，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，做到人工智能，因此，為了遠(yuǎn)程調(diào)用現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能化，本次方案的數(shù)據(jù)上傳采用如下方式實(shí)現(xiàn)：大棚現(xiàn)場數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器采集后，結(jié)合MCU，將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊上傳至電腦終端，再通過無線傳輸方式，將數(shù)據(jù)經(jīng)服務(wù)器上傳至遠(yuǎn)程終端，用戶通過電腦或手機(jī)的客戶端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控。如圖2 所示。

5.3 軟件監(jiān)控模塊

此次智能大棚系統(tǒng)在軟件方面實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

5.3.1 用戶操作系統(tǒng)

關(guān)于用戶賬號：

（1）身份驗(yàn)證。用戶登錄軟件界面時，只有提供正確的賬戶名和密碼，才能進(jìn)入系統(tǒng)界面。

（2）密碼管理。當(dāng)用戶忘記或想修改登錄密碼時，軟件提供密碼找回、修改功能。

（3）授權(quán)查看。用戶可登錄系統(tǒng)查看自己被授權(quán)的設(shè)備清單。

關(guān)于系統(tǒng)功能：

（1）報警顯示。軟件包含閾值設(shè)置和報警處理兩項(xiàng)功能，在系統(tǒng)中可以設(shè)置各種傳感器參數(shù)的上下限，進(jìn)而根據(jù)此范圍來判定參數(shù)是否合理，若超過預(yù)設(shè)閾值，則系統(tǒng)給出報警提示，并以錯誤日志的方式記錄，用戶還可將報警信息標(biāo)為已讀，表明此條報警已被處理。

（2）功能顯示。軟件中可以顯示從大棚現(xiàn)場采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，進(jìn)而形成數(shù)據(jù)分布，還可做階段數(shù)據(jù)比較。

（3）視頻顯示。軟件能夠直接連接大棚現(xiàn)場，除顯示所布攝像頭的拍攝內(nèi)容外，還可遠(yuǎn)程遙控?cái)z像頭。

5.3.2 系統(tǒng)管理系統(tǒng)

廠商可對客戶實(shí)現(xiàn)添加、刪除、控制權(quán)限、違約后設(shè)成黑名單等常見功能，還可根據(jù)客戶具體需求實(shí)現(xiàn)一戶一訂制。

6 結(jié)論

與常規(guī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)不同，現(xiàn)今社會對于“物物相連”的互聯(lián)網(wǎng)需求越來越多，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，相關(guān)人工智能、智能制造、模式識別等產(chǎn)業(yè)都可融合構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)智能系統(tǒng)，因此，培養(yǎng)適合社會需求的新工科應(yīng)用型人才就成為高校人才培養(yǎng)的重要目標(biāo)。本文從智能農(nóng)業(yè)出發(fā)，對智能大棚系統(tǒng)進(jìn)行了總體規(guī)劃和方案細(xì)化，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集檢測、數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸、平臺監(jiān)控報警、用戶終端控制的具體功能，再經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證產(chǎn)品功能后，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以幫助提高作物的產(chǎn)能與質(zhì)量，減少投入人力物力，保護(hù)土壤環(huán)境安全，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化，除此，還能促進(jìn)農(nóng)業(yè)良性發(fā)展，不斷提升產(chǎn)業(yè)競爭力。