一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)場大棚系統(tǒng)的開發(fā)

陳瑞志

（湛江科技學(xué)院，廣東 湛江 524094）

0 引 言

很多農(nóng)村建起了溫室塑料大棚，給果蔬的生長創(chuàng)造更適宜可控的環(huán)境條件；但是沒有從根本上改變農(nóng)民的耕種方式，仍然主要依靠人力檢測作物的生長環(huán)境和狀況，并實(shí)施耕種，這會消耗大量的人力、物力，增加成本；同時，還會因?yàn)閯趧訌?qiáng)度大、檢測精度低等缺陷帶來差錯。在現(xiàn)有的智能大棚系統(tǒng)中，采用各種各樣高精度傳感器和ZigBee技術(shù)在大棚環(huán)境中組網(wǎng)，利用各種傳感器采集大棚環(huán)境數(shù)據(jù)，并科學(xué)合理地調(diào)節(jié)大棚內(nèi)包括溫濕度、二氧化碳、氧氣、雨露、光照、氣壓、土壤PH值、重要鹽離子等環(huán)境參數(shù)指標(biāo)，及時反饋給農(nóng)戶，為確保大棚內(nèi)農(nóng)作物更加優(yōu)質(zhì)、高效地產(chǎn)出提供良好條件。因此，智能農(nóng)場大棚系統(tǒng)的搭建和持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行，勢必會在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、資源合理利用、推動和改善大棚農(nóng)戶的生產(chǎn)經(jīng)營狀況中發(fā)揮重要作用。

目前，智能溫室大棚得到了很大程度的研究與應(yīng)用。已有的大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究中通過不同的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對智能溫室大棚的監(jiān)測和控制，主要以單片機(jī)或開發(fā)板為獲取數(shù)據(jù)終端。其中文獻(xiàn)[1]介紹了一種以DSP芯片為核心的系統(tǒng)，通過采集大棚中的溫度、濕度、光照度等數(shù)據(jù)，進(jìn)行控制調(diào)整，以滿足大棚內(nèi)農(nóng)作物生長的實(shí)際需要。文獻(xiàn)[8]中介紹了一種以MSP430單片機(jī)為核心的智能大棚系統(tǒng)，并闡述了系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)過程。也有一些研究在利用傳感器和ZigBee組網(wǎng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)手機(jī)APP監(jiān)測系統(tǒng)，方便用戶隨時隨地監(jiān)測。另外，文獻(xiàn)[9]介紹了一種基于Android手機(jī)的智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。文獻(xiàn)[10]介紹了一種基于移動互聯(lián)網(wǎng)和Web服務(wù)的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，文中描述了對該系統(tǒng)中的Android客戶端和Web Service 服務(wù)端的設(shè)計(jì)與開發(fā)?？傊?，關(guān)于智慧大棚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究，主要通過單片機(jī)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控管理；或基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和Android手機(jī)及Web服務(wù)端的設(shè)計(jì)與開發(fā)來實(shí)現(xiàn)。但是，缺乏一個從農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)到銷售的整個產(chǎn)業(yè)鏈上包括科學(xué)智能監(jiān)控種植、產(chǎn)品上市銷售及運(yùn)輸服務(wù)、農(nóng)作物種植交流等功能的一體化系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)場大棚系統(tǒng)，試圖解決傳統(tǒng)大棚系統(tǒng)實(shí)時性不強(qiáng)、檢測集成度不高、不能隨時隨地遠(yuǎn)程監(jiān)控等問題，實(shí)現(xiàn)從科學(xué)智能監(jiān)控種植、產(chǎn)品上市銷售及運(yùn)輸服務(wù)到農(nóng)事交流一體化。

1 系統(tǒng)分析

（1）滿足農(nóng)戶需求，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等改造傳統(tǒng)大棚的生產(chǎn)方式，使大棚生產(chǎn)管理更加科學(xué)有效率、安全可靠；同時，節(jié)省大量的人力、物力。

（2）傳感器的傳感數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器中心，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)化的智能管理和控制。云服務(wù)器中心雙向管理智能APP端和遙控傳感器端的數(shù)據(jù)，做到數(shù)據(jù)的安全獲取、傳輸、存儲與備份。

（3）云服務(wù)數(shù)據(jù)處理和智能云端APP控制，能遠(yuǎn)距離控制生產(chǎn)，便捷農(nóng)戶隨時隨地進(jìn)行生產(chǎn)監(jiān)控，及時避免蟲害、環(huán)境污染等因素對蔬菜作物生長的不利影響。

（4）智能APP運(yùn)用Python爬蟲集中收集和推廣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，給用戶推薦高質(zhì)量、高品質(zhì)的生產(chǎn)技術(shù)及資料。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

系統(tǒng)貫穿整個物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中：感知層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集監(jiān)測和終端的控制，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸與接收，應(yīng)用層負(fù)責(zé)Web服務(wù)器和手機(jī)端APP開發(fā)及應(yīng)用。本文的智能大棚系統(tǒng)不僅要提高整個系統(tǒng)的自動化程度，同時也要提高整個大棚生產(chǎn)和銷售的區(qū)域鏈融合能力。

感知層以CC2530為核心，通過ZigBee、WiFi等模塊對傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。各個傳感器采集不同的環(huán)境數(shù)據(jù)，例如：大棚內(nèi)的溫度、濕度，空氣中一氧化碳、二氧化碳、氧氣等的含量，土壤的含水量、酸堿度等。通過本地或遠(yuǎn)程控制棚內(nèi)的燈、風(fēng)機(jī)、遮陽板、澆灌設(shè)備等的開關(guān)，從而及時調(diào)整棚內(nèi)的果蔬生長環(huán)境。

網(wǎng)絡(luò)層通過信息接收盒和WiFi等無線通信技術(shù)接入Internet，并與云服務(wù)器通信，把環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。

第一，語言文字工作與政策制定對于社會發(fā)展的重要價值與緊迫性。這是認(rèn)識問題，認(rèn)識清楚了，發(fā)展才能少走彎路。認(rèn)識的高度決定重視的力度。

應(yīng)用層則分為兩部分：一是在手機(jī)控制端開發(fā)基于Android 的APP程序；二是部署在云服務(wù)器上的Web程序，包括通過爬取互聯(lián)網(wǎng)果蔬生產(chǎn)過程中的種子、肥料、市場價格等相關(guān)大數(shù)據(jù)以及個性化地向用戶智能推薦相關(guān)信息等功能。根據(jù)棚內(nèi)果蔬生長實(shí)況，分析和估計(jì)各個棚區(qū)果蔬產(chǎn)量，并提供地域銷售及運(yùn)輸?shù)慕ㄗh和策略等。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件主要涉及開發(fā)板、繼電器、溫濕度傳感器、光強(qiáng)度傳感器、二氧化碳傳感器、雨露檢測傳感器、土壤濕度檢測傳感器、ZigBee模塊、路由器、加濕機(jī)、電動機(jī)、風(fēng)機(jī)、顯示儀等。以下介紹幾個主要部件：

（1）CC2530開發(fā)板：利用CC2530芯片的較強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力和高效運(yùn)行速度且功耗低的特點(diǎn)，將其作為物聯(lián)網(wǎng)信息處理的核心。

（2）繼電器：利用繼電器實(shí)現(xiàn)隔離電子線路和電氣電路，以保護(hù)電子電路和人身安全；同時，利用低壓的電子電路控制信號控制高壓電氣電路的執(zhí)行元件，如電動機(jī)、電磁鐵、電燈、風(fēng)扇等。

（3）ZigBee模塊：智能大棚系統(tǒng)最關(guān)鍵的是大棚環(huán)境數(shù)據(jù)的采集是否準(zhǔn)確以及數(shù)據(jù)能否被及時處理，這主要取決于傳感器網(wǎng)絡(luò)、傳感器的性能和芯片處理數(shù)據(jù)的性能。

（4）傳感器：智能大棚系統(tǒng)需要用到溫濕度傳感器、煙霧傳感器、光強(qiáng)度傳感器等。不同種類的傳感器連接到CC2530的不同I/O接口上。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和電壓值，并將采集到的數(shù)值傳遞給采集節(jié)點(diǎn)或開發(fā)板，采集節(jié)點(diǎn)把收集的信息通過串口發(fā)送給PC端：數(shù)據(jù)接收端的模塊將與電腦端遠(yuǎn)程通信連接，并將信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后將數(shù)據(jù)傳輸至電腦端的監(jiān)控端。

2.3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)分為Web服務(wù)器和手機(jī)APP。手機(jī)APP主要是為了讓大棚的生產(chǎn)管理者能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控大棚的生產(chǎn)環(huán)境。Web服務(wù)器主要提供農(nóng)產(chǎn)品的市場時訊、農(nóng)場生產(chǎn)要素動態(tài)信息、大棚的生產(chǎn)和預(yù)測數(shù)據(jù)，為大棚生產(chǎn)者的決策提供參考。

手機(jī)APP：采用了Android SDK+Java+MySQL等進(jìn)行開發(fā)，頁面設(shè)計(jì)使得整個大棚的溫度、濕度等農(nóng)作物生長環(huán)境的數(shù)據(jù)可以實(shí)時被監(jiān)測并以圖形化顯示。在Android APP上能自動或者手動地遠(yuǎn)程控制大棚內(nèi)的加濕機(jī)、電動機(jī)、通風(fēng)機(jī)等，調(diào)整溫濕度、光照強(qiáng)度等指標(biāo)。

Web服務(wù)器：后臺采用PHP+MySQL、前端采用HTML+JavaScript+jQuery等對界面進(jìn)行設(shè)計(jì)；相關(guān)數(shù)據(jù)既可以手動輸入，也可以通過Python爬蟲對外網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和篩選；交互方式主要采用Ajax；數(shù)據(jù)傳輸格式為JSON格式。服務(wù)器端主模塊界面采用九宮圖設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 主模塊界面

2.3.1 首頁設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的首頁采用九宮圖的設(shè)計(jì)，主要放置農(nóng)場員工、生產(chǎn)原料、實(shí)時庫存、預(yù)計(jì)產(chǎn)出、環(huán)境數(shù)據(jù)、市場價格、用藥信息、終端控制、農(nóng)事交流等功能模塊。在底部，設(shè)置了“首頁”“參數(shù)”“新聞”“我的”等快捷功能鍵，如圖1所示，其中“首頁”鍵便于返回本頁。

2.3.2 環(huán)境數(shù)據(jù)模塊

環(huán)境數(shù)據(jù)模塊需要通過相應(yīng)傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)指標(biāo)，并傳輸至物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。當(dāng)環(huán)境數(shù)據(jù)異常時，不僅可以自動處理，也能通過PC或APP手機(jī)控制端遠(yuǎn)程監(jiān)控大棚。如：氣體異常時，通過開發(fā)板內(nèi)置程序判斷條件、自動打開送風(fēng)機(jī)等設(shè)備；光照過低時，打開光照燈等操作。環(huán)境數(shù)據(jù)模塊還應(yīng)記錄各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)的歷史數(shù)據(jù)，便于管理員查看。棚區(qū)溫濕度和環(huán)境歷史數(shù)據(jù)的手機(jī)訪問頁面分別如圖2、圖3所示。

圖2 棚區(qū)溫濕度界面

圖3 環(huán)境歷史數(shù)據(jù)訪問界面

2.3.3 農(nóng)場基本信息管理

農(nóng)場基本信息包括員工、實(shí)時庫存、用藥信息、預(yù)計(jì)產(chǎn)出等。農(nóng)場員工模塊：對員工信息進(jìn)行增、刪、改、查等操作；生產(chǎn)原料模塊：為相關(guān)行業(yè)用戶提供交易信息和平臺；實(shí)時庫存模塊：生產(chǎn)者可以對果蔬庫存信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和搜索，如圖4所示；用藥信息模塊：幫助用戶記錄整個溫室大棚的用藥信息，并具有提醒功能，如圖5所示；預(yù)計(jì)產(chǎn)出模塊：用戶通過輸入常見的種植信息，然后服務(wù)器通過相應(yīng)的計(jì)算對產(chǎn)量和產(chǎn)出時間進(jìn)行估計(jì)，為農(nóng)戶提供科學(xué)的預(yù)計(jì)方法，以便農(nóng)戶為銷售做好準(zhǔn)備，如圖6所示。

圖4 實(shí)時庫存界面

圖5 用藥信息界面

圖6 預(yù)計(jì)產(chǎn)出界面

2.3.4 農(nóng)場擴(kuò)展信息模塊

農(nóng)場擴(kuò)展信息模塊包括如下具體信息：

（1）市場價格：通過調(diào)用電商平臺對果蔬的市場價格進(jìn)行實(shí)時的抓取，如圖7所示，為不同的用戶提供實(shí)時數(shù)據(jù)并顯示果蔬的歷史價格和相關(guān)的市場分析、評價、標(biāo)簽信息等（這里需要用到爬蟲技術(shù)對互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、提取、篩選等）。

圖7 市場價格界面

（2）生產(chǎn)原料：該功能模塊應(yīng)用智能推薦系統(tǒng)供用戶查詢和推薦農(nóng)場所需的原料和種子等農(nóng)資信息，如圖8所示，智能推薦相關(guān)算法和實(shí)現(xiàn)方法參見文獻(xiàn)[11]。

圖8 農(nóng)資信息推薦界面

（3）農(nóng)事交流-博農(nóng)論壇：為農(nóng)業(yè)相關(guān)用戶提供經(jīng)驗(yàn)交流平臺，讓不同行業(yè)的用戶能夠更方便地了解各個行業(yè)的行情趨勢和資訊信息，如圖9所示。

圖9 博農(nóng)論壇界面

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)場大棚系統(tǒng)，能夠幫助農(nóng)戶實(shí)現(xiàn)大棚的升級，減輕農(nóng)戶的工作強(qiáng)度、提高果蔬產(chǎn)量，還可以在智能大棚管理、產(chǎn)品運(yùn)輸與銷售、農(nóng)資物料的購買等方面為農(nóng)戶提供幫助，共享種植信息與經(jīng)驗(yàn)，共同解決種植問題，快速地實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)場大棚系統(tǒng)與多平臺的交流，促進(jìn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。