智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)研究

楊一凡

（山西應(yīng)用科技學(xué)院，山西 太原 030062）

農(nóng)業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式發(fā)生了翻天覆地的變化，智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐步替代了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)呈現(xiàn)出了新面貌、新氣象。在溫室大棚種植過程中，農(nóng)業(yè)工作人員都認(rèn)識到了構(gòu)建智慧型監(jiān)控系統(tǒng)的重要性，因此全力推動大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與革新，該技術(shù)目前已成為智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)人員關(guān)注的重點。未來的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)將不僅擁有空氣環(huán)境參數(shù)傳感功能，而且還擁有土壤環(huán)境傳感及光照強(qiáng)度傳感等各項功能，可以為未來的農(nóng)作物耕種和發(fā)育提供更好的外部環(huán)境與生長條件。

1 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)概述

所謂物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)指的是用計算機(jī)模擬人腦來感知周圍事物，通過模擬信息由神經(jīng)系統(tǒng)傳遞到大腦的整個路徑，來完成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的革新與研發(fā)，使得計算機(jī)能夠模仿人類大腦的信息處理方式，來進(jìn)行信息的快速存儲和篩選。在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的使用過程中，智能化機(jī)械設(shè)備需要與外界信息進(jìn)行交互，充分感知外界具體信息，由于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此針對不同領(lǐng)域的信息獲取，其在功能和規(guī)模上有不同的實現(xiàn)方式，但不論何種方式，物聯(lián)網(wǎng)都需要使用正確的技術(shù)架構(gòu)來完成分層模型的構(gòu)造，以完成信息傳輸，促進(jìn)智慧化信息處理工作順利開展[1]。就目前而言，物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成了對人類日常生活的全覆蓋，不僅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)可通過完全智慧化的技術(shù)來進(jìn)行改革與創(chuàng)新，城市建設(shè)、家居建設(shè)、交通建設(shè)甚至醫(yī)療體系建設(shè)都可以通過物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)來得到進(jìn)一步優(yōu)化。

2 智慧農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)形式

智慧農(nóng)業(yè)是指在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)的過程中添加物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷研發(fā)與完善，讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在結(jié)構(gòu)模型上發(fā)生改變，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量得到進(jìn)一步提升。在智慧型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式運行過程中，大部分工作人員都會使用各類智能化的感知設(shè)備和控制設(shè)備來獲取農(nóng)作物耕種和成長發(fā)育過程中的各項關(guān)鍵信息，并通過信息分析和信息整理等方式，掌握當(dāng)前農(nóng)作物的實際種植情況，來制定針對性的措施以應(yīng)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中可能存在的風(fēng)險，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量得到提升。除此之外，工作人員還會利用智能化設(shè)備獲取關(guān)鍵信息，完成對當(dāng)前農(nóng)業(yè)市場環(huán)境的分析和預(yù)測，讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)在某一農(nóng)作物的生產(chǎn)周期內(nèi)作出關(guān)鍵性的決策，為企業(yè)發(fā)展和建設(shè)爭取更高的經(jīng)濟(jì)收益，從而帶動農(nóng)業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新[2]。

3 智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 總體需求分析

在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)過程中，存在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率不高、生產(chǎn)經(jīng)營模式落后等問題，因此極易受到外部自然環(huán)境等因素影響。為此，技術(shù)人員需要在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中滲透智慧信息技術(shù)，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展方式，全面推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)效率的提升[3]。

智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和運用能有效解決上述問題，種植人員在監(jiān)控系統(tǒng)運用的過程中，能隨時隨地獲知農(nóng)作物的實際生長情況，預(yù)測農(nóng)作物生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的各類風(fēng)險性因素，從而制定有針對性的風(fēng)險預(yù)警機(jī)制，降低風(fēng)險發(fā)生概率，極大地提升了農(nóng)作物耕種和生長的質(zhì)量。較傳統(tǒng)種植而言，大棚種植能夠人為改變外部環(huán)境和條件因素，配合監(jiān)控系統(tǒng)的使用，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)效率達(dá)到最佳狀態(tài)[4]。

3.2 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

在具體監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計過程中，大部分技術(shù)人員會通過云平臺、傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的相互融合與應(yīng)用來實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的各項功能，使工作人員明晰溫室大棚內(nèi)具體作物的生長環(huán)境，工作人員可通過云平臺來及時獲取現(xiàn)階段農(nóng)作物的生長信息和數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)分析的方式，來制定調(diào)節(jié)大棚內(nèi)部溫度和其他參數(shù)的具體方案。若在數(shù)據(jù)收集和整理的過程中，云平臺所反饋的具體參數(shù)出現(xiàn)異常，工作人員也可通過實時反饋數(shù)據(jù)信息來對當(dāng)前作物的生長狀況進(jìn)行及時判斷。全面推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和建設(shè)，也能夠讓工作人員根據(jù)當(dāng)前農(nóng)作物生長過程中出現(xiàn)的問題，及時調(diào)整溫室大棚的整體布局，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)達(dá)到最佳狀態(tài)[5]。

3.3 信息數(shù)據(jù)監(jiān)控流程

1）數(shù)據(jù)采集。在監(jiān)控系統(tǒng)運用過程中，工作人員需使用放置在溫室大棚內(nèi)的各類傳感器設(shè)備，完成一手?jǐn)?shù)據(jù)信息的采集工作。監(jiān)控系統(tǒng)需要監(jiān)督和回傳的數(shù)據(jù)不僅包括溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度及光照強(qiáng)度，還包括溫室大棚內(nèi)的具體土壤濕度、土壤酸堿度等信息，通過全面分析數(shù)據(jù)參數(shù)，從而掌握農(nóng)作物的生長情況[6]。

2）數(shù)據(jù)傳輸。在通過傳感器獲取了一線數(shù)據(jù)后，可在Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的助力下，通過modbus現(xiàn)場總線協(xié)議技術(shù)，將一線數(shù)據(jù)回傳到云平臺。在傳輸過程中，大部分構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)人員會使用RS-485雙絞線來完成數(shù)據(jù)上傳，以此保證數(shù)據(jù)順利傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，供工作人員進(jìn)行查閱和運用。

3）數(shù)據(jù)處理。在完成數(shù)據(jù)傳輸工作后，后臺農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)人員需要根據(jù)回傳到云端服務(wù)器的關(guān)鍵信息和視頻錄像來完成數(shù)據(jù)信息的融合處理工作，對現(xiàn)場回傳的信息進(jìn)行相關(guān)分析，判定當(dāng)前農(nóng)作物在大棚中的生長效果，并最終作出是否通過監(jiān)控系統(tǒng)完成報警和控制指令輸出的決定[7]。

4）數(shù)據(jù)反饋。在數(shù)據(jù)分析工作完成后，監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)維護(hù)人員需要及時進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)運行環(huán)境的監(jiān)督和管理工作，一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸存在異常情況，就需要及時通過下達(dá)控制指令等方式來處理各類突發(fā)性事故，確?？刂葡到y(tǒng)能夠正常發(fā)揮作用。

4 采集與控制單元設(shè)計

4.1 采集與控制單元的部署

我國地域遼闊，不同地區(qū)的智慧農(nóng)業(yè)大棚設(shè)計方式和理念存在一定差異，各地主要培育耕種的農(nóng)作物也不相同，但溫室大棚結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要理念趨于一致，大部分溫室大棚使用背靠磚頭的混凝土為主要原材料，以圓弧形鋼架為主體結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計，并通過塑料棉和棉毯進(jìn)行保溫工作。實際上，溫室大棚作為智慧監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的主要對象，許多控制單元都會直接在現(xiàn)場進(jìn)行布置。因此工作人員在監(jiān)控系統(tǒng)的具體設(shè)計過程中，需要到溫室大棚現(xiàn)場來完成考察調(diào)研工作，根據(jù)溫室大棚具體的長寬高等參數(shù)，來完成溫室大棚控制單元結(jié)構(gòu)的部署，針對溫室大棚具體功能的實現(xiàn)需求，來完成控制單元的具體方位設(shè)計。如果溫室大棚的面積較為廣闊，存在參數(shù)變化不統(tǒng)一的現(xiàn)象，那么技術(shù)人員在監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建過程中，可將溫室大棚劃分為6個不同的區(qū)域，分別完成數(shù)據(jù)采集工作，每個區(qū)域部署一個采集控制單元，在每一個控制單元內(nèi)都部署監(jiān)測空氣濕度和溫度、土壤濕度和溫度以及酸堿度的傳感器。這種分區(qū)域部署的模式，能夠保障監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控力度達(dá)到理想狀態(tài)，即使在面積較大的溫室大棚中，也依然能夠發(fā)揮作用[8]。

4.2 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計

數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)是監(jiān)控系統(tǒng)運行過程中完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾獦蛄海坏?shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)計結(jié)構(gòu)方面出現(xiàn)了問題，數(shù)據(jù)傳輸工作就無法順利推進(jìn)，在后臺進(jìn)行實時數(shù)據(jù)監(jiān)測的工作人員就無法及時獲取有效信息，直接影響到監(jiān)控系統(tǒng)運行效果的落實，也會影響到農(nóng)作物的生長發(fā)育質(zhì)量。就目前而言，智慧溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)在構(gòu)建過程中，都會使用Wi-Fi通信模塊、微處理器模塊及供電模塊來完成網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)的組合設(shè)計。在具體的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，技術(shù)人員要以CPU作為核心部分來進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)處理工作，在這一部分工作逐步推進(jìn)的過程中，485串口通信模塊需要及時發(fā)揮作用，將傳感器中采集到的一手?jǐn)?shù)據(jù)上傳到微處理器上，通過指令發(fā)送的方式，順利經(jīng)過Wi-Fi模塊構(gòu)建的通信橋梁，使網(wǎng)關(guān)與云端服務(wù)器能夠?qū)崿F(xiàn)無障礙溝通。需要注意的是，Wi-Fi模塊在發(fā)揮作用時，其所傳輸給云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)只是經(jīng)過初步處理的原始數(shù)據(jù)，后臺工作人員在接收數(shù)據(jù)信息的過程中還要完成信息的二次處理工作，否則相應(yīng)信息將無法直接在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)中發(fā)揮作用。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員也需要通過云端服務(wù)器來下達(dá)控制指令，完成接收信息后的回應(yīng)工作[9]。

4.3 傳感器模塊具體選型

在監(jiān)控系統(tǒng)運行的過程中，系統(tǒng)是否擁有強(qiáng)大的信息感知力與傳感器模塊的選型密切相關(guān)。想要使大棚監(jiān)控系統(tǒng)具有智能化的決策特征，需要優(yōu)化傳感器模塊的具體選型工作，使得傳感器能夠精準(zhǔn)獲取溫室大棚種植過程中的各項參數(shù)，不斷回傳農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中會影響到最終生產(chǎn)質(zhì)量的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等各類數(shù)據(jù)。在大規(guī)模的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)搭載過程中，由于環(huán)境參數(shù)分布存在不均勻特征，所以，控制和采集單元分布點需要變得更為廣泛，從而全方位收集溫室大棚內(nèi)的各項數(shù)據(jù)。在傳感器選型過程中，工作人員需要根據(jù)以下要求來完成選型工作。首先，工作人員要盡可能降低每個節(jié)點的成本，使得監(jiān)控系統(tǒng)的日常運作成本得到合理控制。其次，工作人員在節(jié)點測量的過程中要重視功耗問題，盡可能選擇低功耗的傳感器來完成數(shù)據(jù)傳輸工作。再次，在傳感器模塊選型的過程中，工作人員需要提升信息傳輸速率和準(zhǔn)確度，使監(jiān)控系統(tǒng)在具體運用的過程中達(dá)到實時監(jiān)控的效果。最后，工作人員需要使用model bus通信協(xié)議，來完成傳感器和數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)之間的通信連接，在保證數(shù)據(jù)傳輸效率的同時，進(jìn)一步保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)木珳?zhǔn)度[10]。

4.4 Wi-Fi通信軟件的設(shè)計

智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建，最突出的系統(tǒng)特征是云平臺才是最終的數(shù)據(jù)處理服務(wù)集中地，云平臺的合理運用能夠有效解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中出現(xiàn)的問題。然而，想要讓云平臺設(shè)計發(fā)揮更大的作用，就需要在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建設(shè)過程中，提升數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)在一手環(huán)境數(shù)據(jù)參數(shù)接收方面的靈敏度，使其迅速上傳到云平臺。因此技術(shù)人員設(shè)計了ESP8266模塊，通過Wi-Fi通信方式的運用來完成公共網(wǎng)絡(luò)同云平臺之間的無障礙連接。應(yīng)用模塊軟件在設(shè)計過程中具有明顯的數(shù)據(jù)整合打造特色，且在數(shù)據(jù)傳輸過程中，會初步完成數(shù)據(jù)異常診斷工作，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在異常，會及時向云平臺發(fā)送指令，并自動完成數(shù)據(jù)異常的判別。這能大幅提升監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率和質(zhì)量，并在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中規(guī)避可能出現(xiàn)的突發(fā)狀況，讓監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和外部環(huán)境變得更為安全。這類Wi-Fi通信軟件的設(shè)計能夠讓信息在匯總后完成初始化的處理，能夠?qū)档秃笈_處理工作人員的工作壓力起到至關(guān)重要的作用。

5 結(jié)語

綜上所述，智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)過程中的重要發(fā)展趨勢。監(jiān)控系統(tǒng)功能的拓展和實現(xiàn)，能夠讓在溫室大棚中生長的農(nóng)作物實現(xiàn)產(chǎn)能和產(chǎn)量方面的提升，能夠讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)向更為高質(zhì)、高效的方向發(fā)展，為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供助力。