基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)大棚設(shè)計與應(yīng)用

趙佰平

(甘肅省商業(yè)設(shè)計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

引言

長期以來，我國農(nóng)作物保持高產(chǎn)量的主要因素之一就是大量的農(nóng)藥化肥投入。放眼于傳統(tǒng)種植過程中，由于水資源以及化肥未得到高效利用，由此致使養(yǎng)分被大量的損失，同時還極大污染了環(huán)境。截至目前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式還是以傳統(tǒng)生產(chǎn)模式為主，這種模式只是單純依賴農(nóng)民自身經(jīng)驗來開展施肥灌溉工作，不僅導致大量物力、人力浪費，也極大威脅了水土以及環(huán)境安全，這對于我國農(nóng)業(yè)的長久穩(wěn)定發(fā)展起到了阻礙作用。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展以及興起，使得智慧農(nóng)業(yè)也得以進步，出現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)”。以實時動態(tài)農(nóng)作物種植環(huán)境有關(guān)的信息采集工作作為基礎(chǔ)，采用快速和多維為主的監(jiān)測工作來完成，在種植專家知識系統(tǒng)基礎(chǔ)上保證作物種植，可以完成智能澆灌以及智能施肥等。

1 系統(tǒng)實現(xiàn)手段及方法

1.1 大棚中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

詳細了解大棚環(huán)境感知子系統(tǒng)內(nèi)容，其一般涉及到的環(huán)境指標包含2個，大棚內(nèi)部的土壤環(huán)境和大氣環(huán)境，這2類指標的檢測都是依賴無線傳感網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的。在充分對無線傳感網(wǎng)展開分析的過程中了解到，其主要是基于ZigBee協(xié)議作為前提的自組織無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。該技術(shù)的優(yōu)勢是傳輸速率低且功能較強，并且成本低。網(wǎng)絡(luò)憑借感知節(jié)點以及協(xié)調(diào)器節(jié)點來共同實現(xiàn)完成，所有的感知節(jié)點都涵蓋了感知數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)也都是憑借多跳傳輸方式，最終在協(xié)調(diào)器節(jié)點上得以匯集實現(xiàn)向上傳輸?shù)墓ぷ?，這樣同大棚環(huán)境所需的實時檢測要求具有高度一致性。

將關(guān)注對象放到感知層面，具體涵蓋的部分有4個方面，即控制模塊、傳感器模塊、電源模塊、通信模塊。信息模塊以及節(jié)點控制都采用MCU來完成。MSP430F1611本身是16非處理器，該處理的特色就是功耗較小，并且具有較快的模式轉(zhuǎn)換能力，同時其外設(shè)接口能力也非常強。CC2530本身屬于能夠同SOC兼容的芯片，能夠?qū)igBee PRO以及ZigBee 等標準進行支持。其中心工作的頻率可達到2.4GHz，同時其能夠提供4種供電模式，具有較強的抗干擾性以及靈敏度。在CC2530以及MSP430F1611間，借助SPI接口完成有關(guān)的通信工作，針對協(xié)調(diào)器節(jié)點來看，其中并未設(shè)置傳感器模塊，主要是增加了同上位機完成通信的模塊，其能夠借助RJ45以及串行接口通信等方法來完成，具體的節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

大棚中的大氣環(huán)境檢測工作包含CO以及空氣溫濕度等。想要確保農(nóng)作物在大棚中穩(wěn)定生長，就需要保證大棚中溫濕度及光照等因素都處于合適的狀態(tài)。需要注意的是，當開展大棚農(nóng)業(yè)時，如CO的濃度達到一定數(shù)值，會嚴重影響大棚中作物生長情況，并且會產(chǎn)生損害；當CO含量超標，還會致使人體受到損害。因此，應(yīng)該對CO進行實時檢測。大棚中土壤環(huán)境檢測標準具體涵蓋2方面，土壤pH值及溫濕度。辨別土壤具有肥力的標準就是溫濕度，而肥力主要取決于土壤氮化程度。土壤的酸堿度在很大程度上會對土壤肥力以及植物生長造成巨大的影響。在開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作時需要關(guān)注土壤酸堿度的數(shù)值，并且借助有效方法對其進行調(diào)整。智慧大棚內(nèi)部包含的傳感器種類超過7種，具體涵蓋了CO和空氣溫濕度以及土壤溫濕度等。為了保證自動灌溉功能能夠有效實現(xiàn)，可以增設(shè)智能水泵控制節(jié)點，以對水泵進行控制。

詳細了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件能夠看出，其具體包含2部分，協(xié)調(diào)器控制程序和終端節(jié)點控制程序。終端節(jié)點完成搜索同時添加到網(wǎng)絡(luò)中，這個時候其將協(xié)調(diào)器傳輸至此的數(shù)據(jù)幀接收到，由此將傳感器數(shù)值讀取到。終端節(jié)點借助對繼電器進行控制從而也達到對水泵開關(guān)進行控制的目的，具體的重點節(jié)點工作程序見圖2。

圖2 終端節(jié)點程序流程

將節(jié)點循環(huán)進行協(xié)調(diào)并且等待從Mesh節(jié)點發(fā)出的命令，同時向Mesh節(jié)點發(fā)送網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。當完成所有的初始化工作以后，假如終端節(jié)點要在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)添加，那么應(yīng)該創(chuàng)建連接。

1.2 無線寬帶網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)設(shè)計

Mesh網(wǎng)絡(luò)不只具有自組網(wǎng)技術(shù)，還包含WiFi技術(shù)，并且還有分布式多跳功能，在傳輸速率方面能夠達到54Mbps的最大數(shù)值，而其跳數(shù)的最大數(shù)值是5，可以最快時間完成無線覆蓋，并且具有較強的抗干擾能力以及較快的移動速度、傳輸速度等，其能夠在具有較高網(wǎng)絡(luò)要求以及復雜標準的環(huán)境下，完成傳輸無線數(shù)據(jù)以及監(jiān)控無線視頻圖像等業(yè)務(wù)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)IP音視頻電話和IP視頻會議等。其被普遍使用到無線網(wǎng)絡(luò)接入中。該系統(tǒng)的構(gòu)成涵蓋了3部分，蓄電池、無線Mesh設(shè)備、太陽能供電系統(tǒng)。智慧大棚內(nèi)部全部傳感器信息均能夠匯集于協(xié)調(diào)器節(jié)點中，并且協(xié)調(diào)器以及Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以完成通信，同時將其在終端中完成顯示工作。

同軟件功能有效結(jié)合在一起，Mesh節(jié)點自組網(wǎng)所相關(guān)的通信覆蓋直徑能夠參照需求完成調(diào)控。安裝Mesh網(wǎng)絡(luò)的步驟非常簡單，但需要大量基站的參與，不需要選取合適的位置以及進行精確的規(guī)劃就能夠確保得到穩(wěn)定的通訊。將某個節(jié)點進行簡單移動就能夠確保某個無信號，或是信號較弱的區(qū)域得到完善。因此，其具備超強的網(wǎng)絡(luò)覆蓋靈活性。

1.3 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計

智慧大棚視頻監(jiān)控，是憑借先進技術(shù)實現(xiàn)對大棚的持續(xù)報警及監(jiān)控任務(wù)，不僅有無線智能攝像頭，同時還有視頻數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)等，攝像頭能夠?qū)D像進行轉(zhuǎn)換及搜集，視頻監(jiān)控借助Mesh無線高速骨干網(wǎng)將部署的難度下滑，從而使得靈活性得以提升。采用視頻實時智能分析能夠使得視頻監(jiān)控的穩(wěn)定性以及時效性得到全面提升，并且減少人工操作步驟，從而減少儲存資源的消耗速率，極大提升數(shù)據(jù)查詢率。傳統(tǒng)視頻監(jiān)控一般都是采用人力對多路視頻進行監(jiān)視，監(jiān)控人員的工作壓力巨大，并且也容易出現(xiàn)疏漏。

2 系統(tǒng)整體性設(shè)計

關(guān)于系統(tǒng)邏輯層面，本系統(tǒng)具體包含3方面。感知層，能夠?qū)⑶岸烁兄畔崟r獲取，同時憑借傳感器對大棚中的大氣環(huán)境及土壤環(huán)境情況進行實時監(jiān)測；傳輸層，把實時獲得的監(jiān)視視頻信息、全部信息，憑借Mesh高速網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)處理中心完成傳遞；應(yīng)用層，針對以上所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完成儲存以及處理。基于土壤以及大氣感知信息作為依據(jù)對水泵啟動灌輸進行控制，針對涵蓋所有視頻信息的眾多數(shù)據(jù)展開綜合性的處理。

系統(tǒng)是通過4個子系統(tǒng)構(gòu)成，視頻實時監(jiān)控子系統(tǒng)、環(huán)境感知子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心、無線寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。借助了解以及分析大棚環(huán)境感知子系統(tǒng)，其內(nèi)部最為核心的應(yīng)用就是新型傳感器，實時監(jiān)測大棚內(nèi)部大氣溫濕度、CO含量、光照強度等，同時可以針對土壤溫濕度等相關(guān)的參數(shù)開展實時監(jiān)控工作。詳細了解視頻實時控制子系統(tǒng)，其通常采用的是無線高清視頻監(jiān)控技術(shù)，憑借該技術(shù)能夠確保趨于全天候監(jiān)控工作的實現(xiàn)。本次智慧大棚系統(tǒng)主要使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，所有的信息都會借助無線Mesh網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心進行處理，并將其反饋以及顯示。

3 智慧大棚實際部署應(yīng)用

將某個區(qū)域的智慧農(nóng)業(yè)園區(qū)作為觀察對象，并且對其進行詳細的闡述說明。將面積為667m2的大棚作為具體部署環(huán)境，具體細分成6個不同的區(qū)域。全部區(qū)域均能夠部署環(huán)境感知節(jié)點，即土壤pH值節(jié)點以及CO節(jié)點等，并且在其中添加自動灌溉控制節(jié)點。由此可以看出，其搭配的終端節(jié)點總數(shù)為42個。在大棚內(nèi)部涵蓋的視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)量為2套，包含1個sink節(jié)點，2個Mesh節(jié)點。在大棚內(nèi)部配置數(shù)據(jù)服務(wù)器，移動設(shè)備終端數(shù)量2臺，同時數(shù)據(jù)中心1個套件，大棚中設(shè)置36個環(huán)境感知節(jié)點、6個控制節(jié)點，同時還包含1個sink節(jié)點。

將環(huán)境感知節(jié)點安裝在大棚的木制骨架及金屬骨架中。具有垂直固定架的大棚中，將感知節(jié)點安裝到固定架上；沒有垂直固定架的大棚就需要將其安裝到金屬固定架上。安裝感知節(jié)點時，需要確保其安裝高度比全部植物高，以避免大棚灌溉過程中將感知節(jié)點淋濕的情況出現(xiàn)。在安裝土壤類感知節(jié)點時，其所參照的部署方式同以上闡述內(nèi)容，所有的土壤感知節(jié)點的位置都應(yīng)該放置在土中，便于對土壤pH參數(shù)以及溫濕度數(shù)值的檢測。

在大棚入口處統(tǒng)一部署視頻監(jiān)控套件，應(yīng)用可旋轉(zhuǎn)式無線高清攝像機，不僅能夠?qū)Υ笈飪?nèi)的植物成長狀況進行密切關(guān)注，同時還能夠?qū)ο嚓P(guān)人員的出入情況進行24h監(jiān)控。

在大棚外部署Mesh節(jié)點，在數(shù)據(jù)中心監(jiān)控室部署Mesh節(jié)點，這2臺Mesh節(jié)點在部署的過程中需要確保距離在1km之內(nèi)，并且中間沒有較為顯著的遮擋物，以確保通信穩(wěn)定性及高速性。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器安裝到數(shù)據(jù)中心，所有的設(shè)備單元在供電方式方面主要以市電供電為主，無市電情況下，主要借助太陽能供電以及蓄電池供電相融合的方式來完成。

整個系統(tǒng)在某個大棚中完成試用，經(jīng)過有關(guān)的檢測發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測大棚中的土壤環(huán)境參數(shù)以及大氣環(huán)境，同時將相關(guān)的信息進行實時性反饋，由此使得信息預(yù)警以及水泵灌溉工作得以有效控制。系統(tǒng)本身具備的擴展性是較強的，并且達到的效果也絕佳，這能夠同大棚管理工作相適應(yīng)，進而使得大棚經(jīng)濟效益以及生態(tài)效益得到全面提升。

4 結(jié)束語

近年來，為了全面提升人們生活質(zhì)量以及水平，同時也為了盡可能豐富食物品種，溫室大棚發(fā)揮了重大作用。影響種植作物環(huán)境的因素包含濕度、溫度以及光照度等，所以依賴傳統(tǒng)人工控制方式來確保種植工作的高效性是非常困難的。截至目前，我國能對以上所有環(huán)境因素完成自動監(jiān)控的系統(tǒng)非常少，而外國在此方面的系統(tǒng)價格非常昂貴，并且同我國情況不相吻合。參照我國當下的具體狀況來看，經(jīng)由有效且合理的分析，最終把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)全面且高效地融合起來，由此使得智慧農(nóng)業(yè)大棚信息化系統(tǒng)具有智能監(jiān)測、智能決策以及實時控制等功能。本文主要對農(nóng)業(yè)大棚智能化展開了細致的分析及研究，將傳統(tǒng)大棚在生產(chǎn)方式上的落后性進行優(yōu)化和改善。借助物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部的無線寬帶網(wǎng)、無線傳感器以及視頻監(jiān)控等技術(shù)確保實時檢測農(nóng)業(yè)大棚土壤及大氣環(huán)境情況，確保有關(guān)人員能夠?qū)Υ笈飪?nèi)部的環(huán)境情況進行有效檢測，并且借助數(shù)據(jù)做出科學決策，實現(xiàn)大棚智能化管理進程。