基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)智能溫室控制系統(tǒng)

郗艷華　張娜　張芊睿

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智慧農(nóng)業(yè)；溫室控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）03-0008-03

0 引言

隨著社會和科技的進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。農(nóng)業(yè)作為支撐我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，目前處于向智慧農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型期[1]。由于可以實(shí)時、精確監(jiān)測溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)并進(jìn)行智能化調(diào)控，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)信息化和智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有著卓越的技術(shù)優(yōu)勢， 是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的動力[2-3]。本文設(shè)計(jì)一種智慧農(nóng)業(yè)智能溫室控制系統(tǒng)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物從種植到收獲的各生長階段進(jìn)行監(jiān)測和智能化管控，提高農(nóng)作物的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)。

1 物聯(lián)網(wǎng)與智慧農(nóng)業(yè)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是指通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、GPS、攝像頭等各種傳感器設(shè)備，按既定的協(xié)議，將相關(guān)的對象與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行對象信息共享，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種新型網(wǎng)絡(luò)[4]。物聯(lián)網(wǎng)是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人、所有物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識別、管理與控制。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)是互聯(lián)網(wǎng)[5，6]。通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把環(huán)境監(jiān)測設(shè)備和控制設(shè)備用物聯(lián)網(wǎng)連接起來，可以實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境信息的智能監(jiān)測、控制以及管理，對于改善農(nóng)作物的生長環(huán)境起到十分重要的作用。目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已涉及人們?nèi)粘Ｉ畹脑S多領(lǐng)域。

1.2 智慧農(nóng)業(yè)

智慧農(nóng)業(yè)是指將現(xiàn)代計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的高級階段。它是綜合應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、智能控制、智能決策、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、衛(wèi)星遙感等現(xiàn)代信息技術(shù)，依托部署在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的各種傳感器（如溫濕度傳感器、土壤水分、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度等傳感器）和無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的感知、分析、預(yù)警、決策及專家在線指導(dǎo)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供可視化管理及智能化決策[7-11]。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤干濕度和二氧化碳濃度等環(huán)境因素對作物生長起著非常重要的作用。本研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了由物理感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成的3層結(jié)構(gòu)的智慧農(nóng)業(yè)的溫室智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合傳感器設(shè)備、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、云平臺和手機(jī)App等，通過對溫室環(huán)境參數(shù)實(shí)時采集、監(jiān)測分析、決策管理和執(zhí)行模塊的遠(yuǎn)程控制來調(diào)節(jié)溫室環(huán)境，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的高質(zhì)高產(chǎn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

感知層：負(fù)責(zé)溫室環(huán)境信息采集與執(zhí)行模塊的控制，作為溫室控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)層，由環(huán)境信息采集模塊和執(zhí)行模塊組成。環(huán)境信息采集模塊由各類傳感器和攝像機(jī)組成，主要用于采集植物生長環(huán)境信息和監(jiān)測溫室環(huán)境狀況，并通過通信網(wǎng)絡(luò)層上傳給平臺；執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過接收上層下發(fā)的控制命令，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境的調(diào)節(jié)。

網(wǎng)絡(luò)層：主要負(fù)責(zé)信息穩(wěn)定可靠的傳遞與交換，是數(shù)據(jù)信息交互的承載體，主要由有線和無線的通信網(wǎng)絡(luò)或傳感網(wǎng)組成。接收感知層采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，通過通信網(wǎng)絡(luò)或傳輸網(wǎng)絡(luò)將其上傳到應(yīng)用層，同時將從應(yīng)用層接收到的控制命令下發(fā)，驅(qū)動感知層中執(zhí)行機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)溫室環(huán)境。

應(yīng)用層：主要負(fù)責(zé)信息處理與決策，是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的窗口，一般由云平臺、控制平臺、PC機(jī)和手機(jī)App組成。經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層對信息分析處理后，通過云平臺再次分析處理后信息將會上傳并保存。用戶可根據(jù)需要，通過手機(jī)App、PC機(jī)控制端在云端儲存或?qū)С霾榭?，還可進(jìn)行信息搜索、信息展示、決策管理與指令發(fā)送，實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境數(shù)據(jù)和終端設(shè)備實(shí)時監(jiān)測、遠(yuǎn)程監(jiān)控、信息管理和可控設(shè)備管理等。

3 系統(tǒng)各個模塊和功能

該系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)、云平臺、無線傳感器和智能控制等技術(shù)綜合應(yīng)用，用戶通過手機(jī)或計(jì)算機(jī)可遠(yuǎn)程調(diào)控作物生長環(huán)境，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物高質(zhì)高產(chǎn)的效果。其可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時檢測、采集顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢及參數(shù)設(shè)置功能、監(jiān)測功能、設(shè)備調(diào)控和視頻監(jiān)控等功能。

3.1 信息采集和監(jiān)測模塊

以ZigBee、Wi-Fi或藍(lán)牙等技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，完成對溫室內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)中空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤干濕度、二氧化碳濃度、風(fēng)速風(fēng)向等環(huán)境信息采集，采集數(shù)據(jù)被送給物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程服務(wù)器終端后進(jìn)行分析和存儲。當(dāng)采集信息超過其控制范圍時，將發(fā)出預(yù)警信號并將其信息實(shí)時顯示在控制面板、電腦端界面和手機(jī)App上，此時用戶可以根據(jù)需要使用現(xiàn)場控制功能，也可以使用控制端或手機(jī)App進(jìn)行遠(yuǎn)程控制來實(shí)現(xiàn)對溫室內(nèi)環(huán)境的智能化控制和信息監(jiān)測，存儲的數(shù)據(jù)可用于歷史數(shù)據(jù)信息的查詢。

3.2 信息分析及決策模塊

該模塊通過對空氣溫濕度、土壤的干濕度、二氧化碳濃度和光照度等溫室內(nèi)作物生長環(huán)境信息的監(jiān)測后，一方面會將數(shù)據(jù)傳輸?shù)窖芯恐行倪M(jìn)行處理來制定控制終端設(shè)備運(yùn)行規(guī)則，通過這些規(guī)則條件約束來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的管理；另一方面這些數(shù)據(jù)會組成溫室內(nèi)作物生長情況監(jiān)測、異常生長預(yù)測警報(bào)和決策支持的數(shù)據(jù)來源。通過分析處理這些數(shù)據(jù)可以獲得作物生長環(huán)境信息的實(shí)時變動、最優(yōu)生長參數(shù)設(shè)定值范圍，預(yù)測作物生長趨勢，也可以進(jìn)行病蟲害預(yù)警等。這些數(shù)據(jù)會形成溫室信息處理專家?guī)?，通過該專家?guī)熘袛?shù)據(jù)可直觀性地掌握溫室中作物的生長情況，準(zhǔn)確判斷作物的生長特征，達(dá)到作物的高質(zhì)高產(chǎn)。

3.3 執(zhí)行模塊

系統(tǒng)通過執(zhí)行模塊可實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的調(diào)節(jié)。執(zhí)行模塊一般由遮陽簾、加熱器、補(bǔ)光燈、換氣扇、灌溉設(shè)備和警報(bào)器等組成。系統(tǒng)依據(jù)作物類別與環(huán)境參數(shù)的研究，構(gòu)建作物生長環(huán)境參數(shù)模型，確定不同作物的最佳溫濕度、光照強(qiáng)度和土壤濕度等參數(shù)信息。一旦環(huán)境參數(shù)超過其最佳參數(shù)范圍，系統(tǒng)將會提醒。這時用戶將依照系統(tǒng)警示，通過手動或自動模式驅(qū)動對應(yīng)執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行工作，以使環(huán)境參數(shù)回歸最佳值。一般來講，溫室環(huán)境信息的調(diào)節(jié)是根據(jù)參數(shù)的特點(diǎn)，由多種執(zhí)行設(shè)備分別控制實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，同時還要考慮季節(jié)等其他因素，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行綜合考慮。如表1所示[12]。

可以看出，某個環(huán)境參數(shù)會和多種環(huán)境因素有關(guān)，因此信息分析系統(tǒng)會進(jìn)行綜合分析控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)環(huán)境調(diào)節(jié)。例如溫度調(diào)控將通過通風(fēng)窗、保溫設(shè)備、濕簾風(fēng)機(jī)以及加熱系統(tǒng)的調(diào)控來實(shí)現(xiàn)，同時也會參考季節(jié)和溫室內(nèi)、外溫度的情況進(jìn)行綜合控制。

3.4 視頻監(jiān)測和病蟲害監(jiān)測模塊

為了對溫室中作物的生長狀態(tài)與各種設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行全面了解，一般可以通過安裝攝像機(jī)來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控與檢測。攝像機(jī)能實(shí)時捕獲溫室內(nèi)作物生長狀況，并將溫室內(nèi)部的畫面?zhèn)鬏斀o控制中心進(jìn)行分析處理。管理人員、農(nóng)業(yè)專家和用戶利用攝像機(jī)可以近距離查看作物生長情況，同時溫室內(nèi)的視頻、圖片等信息傳輸給物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器中心，通過相關(guān)算法對作物葉片病蟲害識別。如果一旦發(fā)現(xiàn)有病蟲害，將會啟動執(zhí)行模塊進(jìn)行病蟲害的防治和消殺。而且基于視頻監(jiān)測平臺，配合數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)專家也可以遠(yuǎn)程查看溫室內(nèi)的各種數(shù)據(jù)（溫度、濕度、光照、水量、作物生長視頻記錄），實(shí)時查看作物病蟲害情況，實(shí)現(xiàn)專家在線指導(dǎo)診斷。

3.5 監(jiān)控平臺模塊

1） 數(shù)據(jù)分析、匯總和專家數(shù)據(jù)庫建立。系統(tǒng)在工作過程中將自動保存采集的數(shù)據(jù)，并依據(jù)相關(guān)的算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。因此用戶可在操作界面查看歷史數(shù)據(jù)，可以比較同一作物在不同種植環(huán)境中的生長情況，分析空氣溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度等種植環(huán)境因素對作物生長和產(chǎn)量的影響，形成作物低成本種植、高產(chǎn)、高質(zhì)的科學(xué)規(guī)律。并通過總結(jié)、匯總的規(guī)律可以建立作物品種選擇、生長狀況、病蟲害診斷和作物知識查詢的專家數(shù)據(jù)庫，用戶可以隨時查詢作物種植技術(shù)，實(shí)時診斷各種作物狀況，實(shí)時解決作物問題，提高作物產(chǎn)量。

2） 分析預(yù)警和控制。當(dāng)系統(tǒng)不斷進(jìn)行溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集、分析和處理時，也在自動完成數(shù)據(jù)分析、預(yù)警和自動控制功能。當(dāng)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)超過或低于報(bào)警值時，系統(tǒng)將會進(jìn)行報(bào)警，并自動開啟或關(guān)閉指定設(shè)備，以調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部環(huán)境，如果出現(xiàn)特別情況時，將會通過手機(jī)App提醒用戶進(jìn)行診斷。系統(tǒng)設(shè)置有手動控制和自動控制2種控制功能模式。手動控制模式需使用控制平臺、手機(jī)App或者PC端等進(jìn)行的遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)會根據(jù)控制信息利用繼電器等控制執(zhí)行模塊。自動控制模式是系統(tǒng)根據(jù)采集到溫室的環(huán)境參數(shù)，通過進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理后，自動控制執(zhí)行模塊實(shí)現(xiàn)溫度控制、補(bǔ)光和滴灌等功能，遠(yuǎn)程進(jìn)行溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)調(diào)控，使作物能生長在最佳環(huán)境中。

3） 管理功能。該系統(tǒng)管理功能包括實(shí)現(xiàn)用戶登錄以及相關(guān)權(quán)限的管理、環(huán)境信息采集與查詢、信息傳輸、監(jiān)控監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理以及系統(tǒng)參數(shù)管理等。其中，用戶權(quán)限管理包括管理員用戶和普通用戶權(quán)限，管理員用戶負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的管理、溫室參數(shù)的控制和系統(tǒng)維護(hù)，具有較高權(quán)限；普通用戶僅具有對溫室狀態(tài)和數(shù)據(jù)的查詢權(quán)限。環(huán)境信息采集與查詢的主要功能是將感知層的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢并儲存，用戶可以查詢環(huán)境參數(shù)歷史數(shù)據(jù)和分析信息；監(jiān)控檢測模塊功能為對溫室環(huán)境參數(shù)檢測和溫室內(nèi)部各執(zhí)行模塊工作情況的監(jiān)控；數(shù)據(jù)管理模塊的功能為對溫室環(huán)境信息的收集、分析和處理。

4 結(jié)束語

本文構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)智能控制系統(tǒng)，給出了其基本框架結(jié)構(gòu)，并對系統(tǒng)各個模塊及其功能進(jìn)行了詳細(xì)分析。該系統(tǒng)可對溫室內(nèi)環(huán)境信息檢測與查詢、信息傳輸和分析、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理以及系統(tǒng)參數(shù)管理，由檢測數(shù)據(jù)形成專家?guī)?，?shí)現(xiàn)農(nóng)作物整個種植、生長過程各個階段情況的預(yù)測、監(jiān)測、調(diào)控和視頻檢測和病蟲害預(yù)警等，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，產(chǎn)生非常好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效應(yīng)。該系統(tǒng)經(jīng)過適當(dāng)改造也可應(yīng)用于動植物養(yǎng)殖等方面，同時在智能交通、智能醫(yī)療、智能家居等行業(yè)均有非常重要的借鑒作用。

【通聯(lián)編輯：唐一東】