基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)

李金瑩 ， 張日升 ， 楊宏業(yè) ， 宣傳忠 ，4

（1.內(nèi)蒙古國訊富通科技有限公司 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 電力學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；4.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

我國是農(nóng)業(yè)大國[1]，農(nóng)業(yè)大棚種植農(nóng)產(chǎn)品已經(jīng)成為我國一些農(nóng)村的重要支柱型產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)大棚種植可以為低溫季節(jié)喜溫蔬菜、花卉、林木等植物提供適宜的環(huán)境參數(shù)要求，但農(nóng)產(chǎn)品對(duì)環(huán)境溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等要求很高，環(huán)境調(diào)控成為生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)，如何科學(xué)、合理地調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照、水分、氣體等生態(tài)環(huán)境因子使之能更好地促進(jìn)作物的生長發(fā)育，需要用戶具備很強(qiáng)的專業(yè)種植水平以及投入許多人力與精力全天候守候于大棚中[2]。當(dāng)前用戶的迫切需求是在減少農(nóng)業(yè)大棚人力投資與時(shí)間投入的同時(shí)，大棚仍可以為用戶繼續(xù)增值創(chuàng)收，因此大規(guī)模無人值守式的基于物聯(lián)網(wǎng)共性平臺(tái)的農(nóng)業(yè)大棚自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1 物聯(lián)網(wǎng)、設(shè)施農(nóng)業(yè)與WIFI概念

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of things）的概念是由美國麻省理工學(xué)院在1999年時(shí)提出的，物聯(lián)網(wǎng)是指通過射頻識(shí)別（RFID）、傳感器、全球定位系統(tǒng)、二維碼等信息感知識(shí)別設(shè)備，按照約定的協(xié)議進(jìn)行連接，再通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞信息與通信，能夠完成智能化識(shí)別、采集與分析數(shù)據(jù)、智能或自動(dòng)控制、定位與跟蹤監(jiān)控、管理等的一種創(chuàng)新信息化技術(shù)，其特征主要表現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)全面感知、可靠傳遞、設(shè)施處理這三方面。物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次信息浪潮，以此同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也被譽(yù)為全球一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，我國政府部門都很重視物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，在各省啟動(dòng)的十二五規(guī)劃中，已有23個(gè)省份將物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)作為重要的發(fā)展目標(biāo)。

當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用的時(shí)候，在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的的周期時(shí)間內(nèi)，可以向廣大用戶提供及時(shí)有效的服務(wù)信息、智能監(jiān)控與專家分析、科普知識(shí)等技術(shù)支持，并集中利用了信息技術(shù)、工程技術(shù)、環(huán)境技術(shù)、生物技術(shù)等一體化技術(shù)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[3]。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用首先是將所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后根據(jù)分析結(jié)果自動(dòng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控灌溉、升降卷簾、補(bǔ)光、專家會(huì)診等一系列操作。其中央控制柜與多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集器組成了兩級(jí)分布式計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)，具有分散采集和集中操作管理的特征，系統(tǒng)的配置可以根據(jù)需求進(jìn)行增加或減少的靈活設(shè)置。通過傳感器可以實(shí)時(shí)的采集溫度、濕度、二氧化碳等環(huán)境參數(shù)，并傳到各個(gè)節(jié)點(diǎn)，完成各個(gè)節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的通訊，在控制柜的顯示屏與計(jì)算機(jī)軟件界面上都可以顯示所采集到的環(huán)境參數(shù)值，可進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)定、分析、報(bào)警等功能。

WIFI（Wireless Fidelity）是一種短程無線通信（保真）技術(shù)，可以將計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)通過無線的方式連接起來，使網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與終端移動(dòng)變得更加靈活。WIFI的主要特征是：傳輸速度快、建網(wǎng)成本低、覆蓋范圍廣、可靠性高[4]。WIFI在無線局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸中，鏈路層與物理層采用的是IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)[5]，IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)是由IEEE（美國電子電氣工程師協(xié)會(huì)）定義的一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)通信的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.11系列包含了應(yīng)用廣泛的 IEEE 802.lla、IEEE 802.llb、IEEE 802.11g以及IEEE 802.lln等等新標(biāo)準(zhǔn)[6]，其中目前最常見的是IEEE 802.llb應(yīng)用于筆記本電腦與無線局域網(wǎng)的接入，IEEE 802.llb采用了2.4 GHz的ISM頻段上的無線調(diào)頻工作方式。

2 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)功能既可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，接受上位機(jī)的控制而產(chǎn)生控制決策；還可以實(shí)現(xiàn)脫機(jī)運(yùn)行功能，能夠在上位機(jī)關(guān)機(jī)的情況下進(jìn)行獨(dú)立工作，用戶或?qū)＜彝ㄟ^鍵盤預(yù)設(shè)環(huán)境參數(shù)，自主執(zhí)行下位機(jī)決策程序，實(shí)現(xiàn)溫室的自動(dòng)控制。系統(tǒng)功能的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1 Network topology

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)主要是由空氣溫濕度傳感器、光照傳感器、CQ2傳感器以及土壤溫濕度傳感器等實(shí)時(shí)檢測大棚內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)，通過RS485網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳送到田間管控中心，田間管控中心（值班室）再通過3G網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心、各級(jí)監(jiān)管、各級(jí)應(yīng)用進(jìn)行連接，在監(jiān)控中心的物聯(lián)網(wǎng)共性平臺(tái)上可以顯示與存儲(chǔ)每個(gè)時(shí)刻點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫濕度數(shù)據(jù)以及直觀的時(shí)間-溫濕度曲線圖；大棚內(nèi)部安裝的高分辨率的視頻攝像頭通過WIFI網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，在終端建立專家?guī)?，用戶可以挑選專家對(duì)棚內(nèi)作物進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析、診斷，可以及時(shí)獲得作物的預(yù)防與治療方案，完成專家遠(yuǎn)程會(huì)診應(yīng)用；用戶還可以用手機(jī)或電腦通過3G網(wǎng)絡(luò)及互聯(lián)網(wǎng)方式獲取大棚內(nèi)部實(shí)時(shí)的環(huán)境數(shù)據(jù)，當(dāng)設(shè)定的環(huán)境參數(shù)值超出了預(yù)定值，監(jiān)控中心則會(huì)通過3G網(wǎng)絡(luò)向用戶手機(jī)發(fā)送相應(yīng)的警報(bào)信息，同時(shí)向?qū)?yīng)的大棚控制柜傳輸指令，控制柜的顯示屏操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行指令所對(duì)應(yīng)的程序來啟動(dòng)繼電器，執(zhí)行及時(shí)的調(diào)節(jié)措施；監(jiān)控中心還可通過3G網(wǎng)絡(luò)及互聯(lián)網(wǎng)方式向用戶發(fā)送有關(guān)農(nóng)業(yè)大棚養(yǎng)殖管理、病蟲害預(yù)防、天氣預(yù)報(bào)、市場行情等人性化服務(wù)信息。

3 系統(tǒng)總體構(gòu)架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)總體構(gòu)架的主要組成部分有：大棚內(nèi)部模塊、田間管控中心模塊、物聯(lián)網(wǎng)共性平臺(tái)、應(yīng)用平臺(tái)，如圖2所示。系統(tǒng)總體構(gòu)架的設(shè)計(jì)既可以實(shí)現(xiàn)所有農(nóng)產(chǎn)品的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，又可以滿足用戶或研究人員根據(jù)環(huán)境狀況制定農(nóng)作物的合理生產(chǎn)管理方案，進(jìn)一步提高了農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量，促進(jìn)了農(nóng)作物品牌化的發(fā)展道路，大大的提升了農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)效益與市場競爭力。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.2 Overall system architecture diagram

3.1 大棚內(nèi)部模塊

大棚內(nèi)部模塊主要包含了調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)與視頻監(jiān)控兩部分功能。溫室大棚內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)通過空氣溫度、濕度、光照、CQ2、土壤溫濕度等傳感器進(jìn)行采集，然后通過RS485網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如果傳感器上報(bào)的參數(shù)超標(biāo)，系統(tǒng)則會(huì)出現(xiàn)閥值告警，并自動(dòng)打開或關(guān)閉農(nóng)業(yè)設(shè)備（如控制澆灌、自動(dòng)降溫、開關(guān)卷簾等）進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。此系統(tǒng)選用了北京迪輝科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的DWSCZ-T8系列數(shù)字溫度、濕度、CO2和光照傳感器四合一體的變送器，其具有測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，精度高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，將其安裝在大棚內(nèi)部中間位置采集環(huán)境參數(shù)；同時(shí)大棚內(nèi)部安裝的高清攝像頭，可以通過WIFI網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集視頻信號(hào)，通過服務(wù)器傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)作物生長進(jìn)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控。用戶也可以通過電腦登陸檢測系統(tǒng)（如圖3（a）所示）或使用手機(jī)客戶端（如圖3（b）所示）隨時(shí)隨地的觀察棚內(nèi)情況、查看現(xiàn)場溫濕度等數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程智能控制調(diào)節(jié)指定設(shè)備。

圖3 環(huán)境參數(shù)查詢平臺(tái)Fig.3 Environmental parameters query platform

3.2 田間管控中心模塊

田間管控中心系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、通信、診斷與報(bào)警等功能，而且可以在無人監(jiān)管的情況下控制設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)可靠的自動(dòng)化運(yùn)行功能。田間管控中心系統(tǒng)的核心控制器采用了北京藍(lán)海微芯科技發(fā)展有限公司的LJD-eWin系列ARM＆Window CE觸控一體機(jī)LJD-eWin7000（如圖4所示），它以32位高速ARM做為主CPU，以 Windows CE5.0系統(tǒng)作為主操作系統(tǒng)，具有友好的人機(jī)對(duì)話的能力。LJD-eWin7000通過對(duì)控制程序的編譯，本系統(tǒng)將采集到的環(huán)境參數(shù)值通過有線或者無線的網(wǎng)絡(luò)方式上傳數(shù)據(jù)給LJD-eWin7000，進(jìn)過信息匯集與信息融合以后，可以通過LJD-eWin7000的顯示屏直觀的顯示棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)與處理的數(shù)據(jù)結(jié)果，而且能夠以時(shí)間分布狀況曲線圖和棚內(nèi)空間分布狀況圖直觀的形式展示在電腦界面上（如圖5所示），使用戶更加方便查看棚內(nèi)的相關(guān)情況。

圖4 LJD-eWin7000顯示屏Fig.4 LJD-eWin7000 display

3.3 物聯(lián)網(wǎng)共性平臺(tái)模塊

圖5 田間管控中心界面Fig.5 Field Control Center interface

在物聯(lián)網(wǎng)共性平臺(tái)上可以顯示與存儲(chǔ)每個(gè)時(shí)刻點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫濕度數(shù)據(jù)以及直觀的時(shí)間-溫濕度曲線圖，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測功能；在共性平臺(tái)上用戶可以挑選專家對(duì)棚內(nèi)作物進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析、診斷，及時(shí)獲得作物的預(yù)防與治療方案，完成專家遠(yuǎn)程會(huì)診功能；通過設(shè)置環(huán)境參數(shù)閾值能夠?qū)崿F(xiàn)大棚的自動(dòng)通風(fēng)、光照、灌溉等農(nóng)業(yè)設(shè)施智能管理功能；用戶和超市采購?fù)ㄟ^共性平臺(tái)可以方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)接工作與查詢農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)的培育、生產(chǎn)、質(zhì)檢、運(yùn)輸過程等溯源信息功能；工程師可以通過數(shù)據(jù)倉庫功能進(jìn)一步完成數(shù)據(jù)挖掘工作，作出一個(gè)較為合理、準(zhǔn)確的農(nóng)業(yè)大棚發(fā)展?fàn)顩r的分析與預(yù)測；用戶、專家與視察人員可以通過WebGIS功能方便的查看大棚與設(shè)備所在位置，了解其詳細(xì)的地理信息?？梢钥闯鑫锫?lián)網(wǎng)共性平臺(tái)（如圖6所示）主要具有對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測、遠(yuǎn)程視頻專家會(huì)診、農(nóng)戶與超市對(duì)接、農(nóng)產(chǎn)品溯源、農(nóng)業(yè)設(shè)施智能管理、數(shù)據(jù)倉庫和WebGIS（與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，如圖7所示）查詢功能等。

圖6 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)共性平臺(tái)Fig.6 Agricultural things in common platform

圖7 與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合Fig.7 Combined with geographic information systems

3.4 應(yīng)用平臺(tái)模塊

通過應(yīng)用平臺(tái)，用戶可以在任何的時(shí)間、地點(diǎn)通過任意能上網(wǎng)終端（PC、Ipad、3G手機(jī)等）實(shí)時(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚內(nèi)部各種設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制（例如噴淋、卷簾、風(fēng)機(jī)）。系統(tǒng)允許用戶制定自定義大棚環(huán)境的數(shù)據(jù)范圍，若是超出范圍的錯(cuò)誤情況發(fā)生，將以短信的方式把報(bào)警信息發(fā)送到用戶手機(jī)上，并會(huì)在系統(tǒng)中進(jìn)行標(biāo)注。農(nóng)戶還可以借助農(nóng)業(yè)專家電話服務(wù)熱線、彩信、短信的方式，咨詢農(nóng)業(yè)專家在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面遇到的問題，同時(shí)獲得更多的及時(shí)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息。

4 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚的應(yīng)用，使農(nóng)戶擺脫了憑經(jīng)驗(yàn)、依賴天氣、粗放型的的農(nóng)業(yè)種植管理方式，也提高了農(nóng)產(chǎn)品的疫情疫病防控能力，確保了農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全，促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)更加精細(xì)化生產(chǎn)；促使運(yùn)營商加速利用無線網(wǎng)絡(luò)拓展無線城市的應(yīng)用方向，一旦此應(yīng)用在農(nóng)業(yè)中得到了普及，運(yùn)營商便可獲得源源不斷的收益；也促使當(dāng)?shù)卣玫姆?wù)于三農(nóng)，塑造了地方農(nóng)業(yè)品牌與產(chǎn)業(yè)升級(jí)，提高了農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與品質(zhì)的同時(shí)，惠及了廣大農(nóng)戶。

[1]宣傳忠，武佩，馬彥華，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)智能管理系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程，2013，3（2）22-26.XUAN Chuan-zhong，WU Pei，MA Yan-hua，et al.Networking technology based agricultural facilities intelligent management system[J].Agricultural Engineering，2013，3（2）：22-26.

[2]曲廣明.基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚多參數(shù)檢測控制終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2013.

[3]李金瑩，楊宏業(yè)，呂文娟.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（19）8344-8346.LI Jin-ying，YANG Hong-ye，LV Wen-juan.IOT technology facilities and agricultural development in China[J].Anhui Agricultural Sciences，2013，41（19）：8344-8346.

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[6]吳紅舉，沈建華.嵌入式WiFi技術(shù)研究與通信設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005，（6）5-7.WU Hong-ju，SHEN Jian-hua.Embedded WiFi technology research and communication design[J].Microcontrollers&Embedded Systems，2005（6）：5-7.