智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)探究

劉光偉

（衡水學(xué)院數(shù)計(jì)學(xué)院 河北衡水 053000）

農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的智能化發(fā)展是我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略發(fā)展的重要導(dǎo)向之一，特別是社會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量需求逐漸加大的情況下，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展必須結(jié)合信息技術(shù)、智能技術(shù)來實(shí)現(xiàn)一體化的運(yùn)營模式，以提高我國農(nóng)業(yè)自身的生產(chǎn)質(zhì)量。溫室大棚作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要形式，通過智能農(nóng)業(yè)大棚的建構(gòu)，可有效改變?cè)修r(nóng)作物生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，通過智能化溫控條件為農(nóng)作物生產(chǎn)創(chuàng)造出一種良好的生態(tài)環(huán)境，這對(duì)于現(xiàn)階段傳統(tǒng)機(jī)械化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來講，可實(shí)現(xiàn)智能化管理，降低經(jīng)濟(jì)成本的投入[1]。為此在建構(gòu)智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)時(shí)，必須針對(duì)系統(tǒng)本身的運(yùn)營環(huán)境以及農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況等來建立多維度的控制系統(tǒng)，保證系統(tǒng)內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)的整合、設(shè)定與執(zhí)行可滿足系統(tǒng)的實(shí)際操控需求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置的監(jiān)控，擴(kuò)大農(nóng)業(yè)智能大棚的實(shí)際應(yīng)用范疇。

1 智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)方案分析

農(nóng)業(yè)大棚的設(shè)定是針對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)以及外界環(huán)境進(jìn)行智能系統(tǒng)的參數(shù)分析與建構(gòu)，保證智能大棚所建立出的生產(chǎn)環(huán)境與外部生態(tài)環(huán)境的形成相貼合，以此來為農(nóng)作物本身提供一個(gè)良好的生產(chǎn)空間。本次大棚設(shè)計(jì)由兩部分組成，外部用來種植蔬菜與水果等農(nóng)作物，其具有獨(dú)立的進(jìn)水口，大棚內(nèi)部則是以水產(chǎn)類為主，其具有獨(dú)立的給排水渠道。大棚內(nèi)的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中的水分可流經(jīng)到農(nóng)作物種植區(qū)域，對(duì)農(nóng)作物本身進(jìn)行灌溉，且水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中各種魚類的排泄物可做成有機(jī)肥料進(jìn)行施肥。由于智能大棚本身屬于半封閉系統(tǒng)，其內(nèi)部生態(tài)環(huán)境主要是由氧氣與二氧化碳維系農(nóng)作物以及魚類的生態(tài)平衡問題[2]。

在建立基于云平臺(tái)為核心的大棚控制系統(tǒng)時(shí)，為保證整個(gè)系統(tǒng)的可集成操控功能，其以plc 作為主操控系統(tǒng)，將傳感器作為信息采集設(shè)備，以對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)各類物質(zhì)的生長(zhǎng)環(huán)境以及設(shè)備使用狀態(tài)進(jìn)行信息錄取，然后由信息反饋技術(shù)，將傳感器所采集到的內(nèi)部生態(tài)信息同步傳輸回plc 系統(tǒng)中，再由plc 系統(tǒng)依據(jù)相關(guān)參數(shù)的核定來下達(dá)指令，對(duì)內(nèi)部各類智能元件進(jìn)行操控。這樣一來，在plc 邏輯性運(yùn)算模式下，可有效實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)大棚的協(xié)調(diào)化運(yùn)作。

2 智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 環(huán)境采集系統(tǒng)

環(huán)境采集系統(tǒng)主要是對(duì)大棚內(nèi)的溫度環(huán)境以及濕度環(huán)境進(jìn)行相關(guān)測(cè)控，通過傳感器設(shè)備在大棚內(nèi)進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)的布局，以此來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)的均衡性。當(dāng)數(shù)據(jù)信息采集以后，呈現(xiàn)出的信號(hào)形式將由系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)接模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變，然后數(shù)據(jù)信息將由plc 主操控系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)算模塊進(jìn)行分析，通過系統(tǒng)內(nèi)基準(zhǔn)參數(shù)與實(shí)際測(cè)量參數(shù)之間的比對(duì)，分析出當(dāng)前大棚內(nèi)各類環(huán)境地址是否滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)需求[3]。例如，當(dāng)溫濕度高于基準(zhǔn)參數(shù)值時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)將做出指令反饋，對(duì)承接降溫降濕的設(shè)備進(jìn)行控制，降低農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境中的溫濕度，傳感器系統(tǒng)本身處于一個(gè)實(shí)時(shí)化、動(dòng)態(tài)化的測(cè)量機(jī)制，即通過系統(tǒng)與傳感器的連接形式，將生態(tài)環(huán)境內(nèi)的各類信息同步傳輸?shù)街鞑倏叵到y(tǒng)中，當(dāng)生態(tài)環(huán)境中溫濕度降低到一定值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)停止相關(guān)溫濕度的調(diào)控，以保證農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境維系在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)然，從傳感器本身而言，如果想提高設(shè)備的實(shí)際使用性能，必須保證設(shè)備本體在整個(gè)大棚系統(tǒng)中的定位符合設(shè)備使用基準(zhǔn)。這樣一來，通過系統(tǒng)進(jìn)行正確化定位，可有效提高大棚系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)信息的收集與處理能力。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)定是對(duì)大棚內(nèi)生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行可視化分析，通過交互設(shè)備對(duì)大棚內(nèi)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)化的呈現(xiàn)，可保證管理人員及時(shí)掌握到大棚環(huán)境中的各類信息。與監(jiān)控系統(tǒng)呈現(xiàn)出對(duì)接形式的為報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)大棚環(huán)境內(nèi)氣體溫度值的權(quán)重差較大時(shí)，例如二氧化碳的含量高于基準(zhǔn)參數(shù)，則系統(tǒng)內(nèi)傳感器將觸發(fā)報(bào)警設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警。此類報(bào)警系統(tǒng)則是由繼電器與開關(guān)組成的串聯(lián)接入形式來實(shí)現(xiàn)，通常情況下報(bào)警器為常斷聯(lián)狀態(tài)，只有當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)異常情況所觸發(fā)的信息指令，才會(huì)令報(bào)警器轉(zhuǎn)變?yōu)殚]合狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)工作人員提供相應(yīng)的報(bào)警信息。此時(shí)交互界面可對(duì)報(bào)警位置進(jìn)行定位，然后通過空間結(jié)構(gòu)映射為管理人員提供精準(zhǔn)的信息服務(wù)，保證管理人員能在第一時(shí)間確認(rèn)出報(bào)警發(fā)生地點(diǎn)及通過監(jiān)控設(shè)備了解周邊情況，制定出相關(guān)的解決措施。監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)可有效保證智能大棚在運(yùn)行過程中的各類參數(shù)采集與核對(duì)的精準(zhǔn)性，通過數(shù)據(jù)信息的二次確認(rèn)，令內(nèi)部專家系統(tǒng)及時(shí)下達(dá)指令，以完成數(shù)據(jù)化調(diào)控，這樣便可有效保證系統(tǒng)本身功能化的實(shí)現(xiàn)，以對(duì)內(nèi)部植物的生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)化分析，進(jìn)一步查證出植物生長(zhǎng)狀態(tài)是否滿足其預(yù)期設(shè)定需求，創(chuàng)造出更好的生長(zhǎng)環(huán)境，提高農(nóng)業(yè)智能大棚的運(yùn)營效率。

2.3 云平臺(tái)

云平臺(tái)的建設(shè)主要是將智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以建立起基于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，保證內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)形成有效對(duì)接，為遠(yuǎn)程訪問提供權(quán)限服務(wù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。云平臺(tái)的建設(shè)是以“組態(tài)王”軟件為實(shí)現(xiàn)載體，將瀏覽器功能與網(wǎng)頁進(jìn)行有效連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)相連，為遠(yuǎn)程操控的實(shí)現(xiàn)提供服務(wù)。這樣一來，管理人員便可通過終端服務(wù)器對(duì)大棚內(nèi)的各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行獲取，同時(shí)可通過網(wǎng)頁下達(dá)指令來對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行操控。從組成結(jié)構(gòu)來看，云平臺(tái)是承接數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)整合的重要載體，通過對(duì)局域網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，保證智能大棚所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)同步映射到云平臺(tái)中，在云平臺(tái)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的條件下，可有效避免系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。且平臺(tái)所提供的操控功能，可最大限度保證數(shù)據(jù)信息在處理時(shí)向其提供一定的輔助功能，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的高效化處理，提高系統(tǒng)決策能力。

3 智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在對(duì)智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于此類系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要是以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過內(nèi)部設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建立對(duì)接傳輸載體，令主系統(tǒng)通過傳感器設(shè)備來實(shí)時(shí)了解到當(dāng)前智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)的運(yùn)作模式，當(dāng)然此類系統(tǒng)運(yùn)行中只可能以其固定的參數(shù)來機(jī)械化執(zhí)行指令，缺乏一定的人性化功能。為保障系統(tǒng)在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可對(duì)信息進(jìn)行有效交換，在設(shè)計(jì)云平臺(tái)框架時(shí)，首先應(yīng)建立事件觸發(fā)機(jī)制，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)將相關(guān)函數(shù)的界定與傳感器內(nèi)的觸發(fā)裝置進(jìn)行對(duì)接，通過參數(shù)值設(shè)定的上下限，將觸發(fā)機(jī)制與平臺(tái)之間的聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)形成整合，進(jìn)而保證終端設(shè)備的報(bào)警功能同步到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，以此來實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景的同步觸發(fā)機(jī)制，其對(duì)于智能農(nóng)業(yè)大棚來講，可建立安全有效的立體化防護(hù)。[4]從數(shù)據(jù)傳輸角度來看，檢測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際工作過程中，一般是搭載多個(gè)傳感器進(jìn)行操作的，通過各個(gè)傳感點(diǎn)的配合，實(shí)現(xiàn)大棚的整體化監(jiān)控。為此，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，可采用與終端模塊相對(duì)接的無線傳感技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)口的設(shè)定，令數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)效率化傳輸。傳感器模塊所對(duì)接的數(shù)據(jù)口，是由蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)所提供的，在內(nèi)部硬件系統(tǒng)的支持下，可令云平臺(tái)下的大棚系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主化信息傳遞，提高系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的效率。

其次，應(yīng)建立協(xié)同多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。要想云平臺(tái)在農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)中發(fā)揮一定的協(xié)同功能，必須依據(jù)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)各類運(yùn)作環(huán)境來建立分化式的任務(wù)操控單元，將各類信息技術(shù)的實(shí)現(xiàn)建立在異源數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)之上，這樣一來，可有效實(shí)現(xiàn)信息資源的整合，以此來提高云平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理能力。此部分主要是對(duì)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定，通過對(duì)承接系統(tǒng)處理的服務(wù)器進(jìn)行設(shè)定，保證協(xié)調(diào)裝置與數(shù)據(jù)接收裝置之間具備一個(gè)信息聯(lián)動(dòng)關(guān)系，這樣便可有效保證不同結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)可精準(zhǔn)地執(zhí)行數(shù)據(jù)指令需求。這對(duì)于系統(tǒng)本身而言，則可有效為系統(tǒng)提供一個(gè)集成平臺(tái)，令整體數(shù)據(jù)處理方案更加多元化。

最后，在程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確地將智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)的溫度閾值、濕度閾值以及相關(guān)參數(shù)閾值等進(jìn)行分析，然后將此類閾值能接收的最大耦合數(shù)據(jù)進(jìn)行界定，并針對(duì)相關(guān)承載系統(tǒng)來建立對(duì)接的輸出控制單元，保證當(dāng)外界信息出現(xiàn)變動(dòng)時(shí)，此控制系統(tǒng)可及時(shí)依據(jù)系統(tǒng)變化形式來做出相關(guān)指令。承接程序指令傳輸?shù)妮d體，則是內(nèi)部系統(tǒng)為主，通過搭載計(jì)算機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、指令下達(dá)等，進(jìn)而保證各類設(shè)備在運(yùn)行過程中的有序性，防止不同設(shè)備載體出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余與交互的問題。[5]例如，風(fēng)速傳感器以及濕度傳感器在對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，如果出現(xiàn)信息產(chǎn)生的異常變化，則傳感器本身將對(duì)系統(tǒng)起到報(bào)警作用，且通過系統(tǒng)內(nèi)計(jì)算參數(shù)核定的相關(guān)操控行為，可自動(dòng)執(zhí)行相關(guān)指令對(duì)農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行智能化控制，以此來降低人力資源的投入，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的成本管控，提高農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)的智能化實(shí)現(xiàn)質(zhì)量。

4 小結(jié)

云平臺(tái)與農(nóng)業(yè)大棚的結(jié)合，可建立一個(gè)立體化、空間化的運(yùn)行環(huán)境，依托于信息技術(shù)將各類設(shè)備與系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有序性、邏輯性操作等。本文則是通過硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)兩方面，對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的智能化實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究，僅供參考。