基于lOT 架構(gòu)的智慧云農(nóng)業(yè)

葉佳男 白 娜 陳鑫博 韓 琪 趙雪崧 李金發(fā) 張青華

（哈爾濱石油學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150027）

1 研究的意義

創(chuàng)新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，從根本上改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展模式，通過(guò)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)等使我國(guó)農(nóng)業(yè)從原來(lái)看天吃飯的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式轉(zhuǎn)變?yōu)楦弋a(chǎn)、高效、低耗、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)和安全的智慧農(nóng)業(yè)模式，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，全面感知，數(shù)據(jù)上云等方式使得智慧農(nóng)業(yè)的傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步擴(kuò)大，更進(jìn)一步的進(jìn)階為“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧農(nóng)業(yè)模式。

2 功能設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，本項(xiàng)目工作主要分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

在感知層中，光照傳感器、空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、pH 值監(jiān)測(cè)傳感器會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境各參數(shù)數(shù)據(jù)，通過(guò)利用NB-IOT 模塊采用4G 通信方式實(shí)時(shí)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)絡(luò)層的服務(wù)器接收端。

網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)器會(huì)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次比對(duì)做出更準(zhǔn)確的判斷，也可以長(zhǎng)期儲(chǔ)存感知層傳送的數(shù)據(jù)，為以后的數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)。

應(yīng)用層中用戶可以通過(guò)微信用戶端、PC 端查看植物所屬環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)，用戶也可以根據(jù)所查看到的數(shù)據(jù)做出判斷后對(duì)環(huán)境中制動(dòng)設(shè)備換氣設(shè)備裝置、灌溉裝置等進(jìn)行控制。本項(xiàng)目具體的工作流程圖如圖1 所示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 感知層設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集部分采用485 型的溫濕度變送器、二氧化碳變送器、光照度變送器、土壤溫濕度水分傳感器、空氣質(zhì)量（轉(zhuǎn)下頁(yè)）送變器完成相關(guān)數(shù)據(jù)采集。傳感器主要通過(guò)485 通信利用NB-IOT 模塊將采集到的農(nóng)作物信息傳送至服務(wù)器端口，用戶主要通過(guò)4G 通信將服務(wù)器中的數(shù)據(jù)傳送至手機(jī)微信端后查看農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境信息。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

3.2 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)

3.2.1 云端與底層數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)

鑒于NB-IOT 的優(yōu)良特性，我們的底層數(shù)據(jù)通信采用的NB-IOT 承載底層數(shù)據(jù)的通信功能。在底層我們通過(guò)485 底層傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)采集，然后利用NB-IOT 模塊接入附近的網(wǎng)絡(luò)基站，將底層數(shù)據(jù)入網(wǎng)發(fā)送給我們的云端。

3.2.2 云端與用戶微信數(shù)據(jù)交互

在我們的云端后臺(tái)有我們自主設(shè)計(jì)的第三方程序，這可以讓云端時(shí)刻監(jiān)控我們手機(jī)微信程序的信息交互。當(dāng)識(shí)別到手機(jī)微信端發(fā)送出的指令時(shí)，云端可以對(duì)該指令進(jìn)行判斷，然后按指令內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的操作，從而達(dá)到云端與用戶的數(shù)據(jù)交互。

3.2.3 云端獲取作物養(yǎng)植數(shù)據(jù)

我們?cè)谠贫酥屑尤胱詣?dòng)網(wǎng)絡(luò)爬取百度百科程序，通過(guò)云端識(shí)別的微信用戶指令內(nèi)容，將用戶想要獲取的農(nóng)作物名稱截取出來(lái)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)爬取去獲得其在百度百科中的各種農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的數(shù)據(jù)，并且將這些重要數(shù)據(jù)結(jié)果反饋給我們的用戶微信端，同時(shí)這些數(shù)據(jù)也將保存在我們的云端數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便于以后植物生長(zhǎng)時(shí)云端去判定當(dāng)前環(huán)境是否為農(nóng)作物的最適合生長(zhǎng)環(huán)境。

3.3 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初，以給用戶最簡(jiǎn)便的操作為宗旨。用戶在使用我們的智慧云農(nóng)業(yè)時(shí)，只需要添加我們的微信官方指定賬號(hào)即可。免去傳統(tǒng)的各種下載綁定問(wèn)題，一切的操作在智慧云農(nóng)業(yè)的官方微信聊天框內(nèi)便可全部實(shí)現(xiàn)。不同的功能實(shí)現(xiàn)只需要在內(nèi)容前加入相對(duì)應(yīng)的功能前標(biāo)。

3.4 控制層設(shè)計(jì)（供水水泵控制與通風(fēng)系統(tǒng)控制）

該微型電動(dòng)隔膜水泵泛應(yīng)用于各種農(nóng)田，該防水排風(fēng)風(fēng)扇廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境通風(fēng)使用,本項(xiàng)目中主要由服務(wù)器通過(guò)4G通信傳送數(shù)據(jù)至NB-IOT ，由NB-IOT 發(fā)送信號(hào)直接控制24V繼電器，從而控制水泵和風(fēng)扇的狀態(tài)。

4 用戶交互設(shè)計(jì)

用戶界面采用微信終端，用戶無(wú)需安裝任何軟件。用戶只需像日常登錄微信，添加我們的智慧云農(nóng)業(yè)賬戶好友后，即可訪問(wèn)用戶界面。該第三方操作程序支持現(xiàn)在所有的移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)，如安卓系統(tǒng)和蘋果的IOS 系統(tǒng)。

4.1 天氣查詢功能

在微信聊天框內(nèi)只需向我們智慧農(nóng)業(yè)賬號(hào)發(fā)送指令1.XXX（XXX 為地區(qū)名稱）。例如1.哈爾濱，則可以出現(xiàn)未來(lái)七天內(nèi)哈爾濱地區(qū)內(nèi)的天氣情況。并且后臺(tái)程序還會(huì)對(duì)這些天氣情況做一個(gè)判斷，進(jìn)而做出一些相對(duì)應(yīng)的改變。

4.2 農(nóng)作物當(dāng)前生長(zhǎng)環(huán)境的參數(shù)查詢

農(nóng)作物環(huán)境狀態(tài)：輸入2.溫濕度顯示農(nóng)作物現(xiàn)在環(huán)境的空氣溫度信息和土壤濕度狀態(tài)信息。

4.3 網(wǎng)絡(luò)搜集農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中所需的環(huán)境參數(shù)

在微信窗口處，輸入3.查詢XXX(XXX為農(nóng)作物的名稱)。并且該網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)搜集后，獲取的信息內(nèi)容，程序還能自動(dòng)截取其中的溫濕度參數(shù)數(shù)據(jù)，傳輸?shù)胶笈_(tái)控制程序中，做一個(gè)植物生長(zhǎng)的最適環(huán)境調(diào)控的參數(shù)值。

4.4 微信控制大棚內(nèi)通風(fēng)與農(nóng)田灌溉系統(tǒng)

發(fā)送指令，4.開(kāi)啟/關(guān)閉通風(fēng)?？刂平K端檢測(cè)到信號(hào)指令后選擇對(duì)大棚內(nèi)的風(fēng)扇進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)閉。

發(fā)送指令，5.開(kāi)啟/關(guān)閉灌溉?？刂平K端檢測(cè)到信號(hào)指令后選擇對(duì)大棚內(nèi)的灌溉進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)閉。

5 未來(lái)智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)系統(tǒng)是由前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線傳輸系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和“專家”系統(tǒng)組成。以農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)、全過(guò)程智能化的泛在化為特征，以全面感知、可靠傳輸和智能處理等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐和手段，以自動(dòng)化生產(chǎn)、最優(yōu)化控制、智能化管理、系統(tǒng)化物流和電子化交易為主要生產(chǎn)方式的高產(chǎn)、高效、低耗、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)和安全的一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展模式與形態(tài)。智慧農(nóng)業(yè)所具備的功能有無(wú)線采集、無(wú)線控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)灌溉、自動(dòng)施肥、自動(dòng)噴藥等。