物聯(lián)網(wǎng)技術支持下的智能農業(yè)自動控制系統(tǒng)

張俊玲

（銅仁職業(yè)技術學院 貴州省銅仁市 554300）

近幾年，隨著我國各項科學技術的迅速發(fā)展，農業(yè)現(xiàn)代化逐漸成為我國農業(yè)未來發(fā)展的主要趨勢。將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于我國農業(yè)的過程中，逐漸衍生出一種全新的農業(yè)發(fā)展模式，其就是智能農業(yè)。智能農業(yè)不僅可以提高我國農業(yè)的生產質量，還能優(yōu)化我國農業(yè)的實際發(fā)展以及各項資源。因此，將物聯(lián)網(wǎng)技術應用與我國農業(yè)發(fā)展中具有十分重要的意義。當前，將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于智能農業(yè)的過程中，其自動控制系統(tǒng)相關設計部分依舊需要繼續(xù)探索，從而有助于我國智能農業(yè)更好的發(fā)展。

1 物聯(lián)網(wǎng)與智能農業(yè)的相關概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術

現(xiàn)階段，物聯(lián)網(wǎng)技術雖然是一個全新的概念，但其并沒有離開我國的互聯(lián)網(wǎng)技術，通過我國多種海量傳感儀器采集的多個信息數(shù)據(jù)內容，最終通過互聯(lián)網(wǎng)技術的相關技術標準和互聯(lián)網(wǎng)技術完美融合，可以及時準確的將多個信息傳輸?shù)綄嶋H管理中心，從而滿足不同用戶的實際需求[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術中包含著射頻技術、Wi-Fi 技術等多個內容。

1.2 智能農業(yè)

智能農業(yè)具有較高的技術規(guī)范操作以及高效益的集約化生產作業(yè)模式，主要是將科研、銷售、生產以及加工融為一體的作業(yè)模式，其可以實現(xiàn)全天候、反季節(jié)的農業(yè)企業(yè)生產作業(yè)規(guī)模[2]。智能農業(yè)的最大特色就是使用物聯(lián)網(wǎng)技術展開作業(yè)，可以實現(xiàn)農作物生產環(huán)境和農業(yè)管理人員、農業(yè)大棚智能化控制的完美聯(lián)系，幫助廣大的農業(yè)生產人員實現(xiàn)信息化管理以及信息化控制的目的。

我國智能農業(yè)又被稱為智慧農業(yè)，其主要是指將計算機和網(wǎng)絡技術完美融合，并融入我國全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等多種先進的思想以及技術理念，從而實現(xiàn)我國農業(yè)迅速發(fā)展的目的[4]。

2 智能農業(yè)自動控制系統(tǒng)的國內外研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

在國外的農業(yè)發(fā)展過程中，智能化農業(yè)已然成為了全世界農業(yè)體系的發(fā)展趨勢。在德國，國家重點扶持智能化數(shù)字農業(yè)發(fā)展。比如，對于農業(yè)種植中的土地光照強度、土地適合種植哪些植物以及地點等信息，相關人員需要整合這些信息內容，并選擇適合這塊土地生長的農作物，充分發(fā)揮出土地具有的潛在價值，最終幫助農業(yè)種植人員提高種植效率以及經(jīng)濟利益。而英國則常使用數(shù)據(jù)整合對農業(yè)進行調整。這不僅需要政府實現(xiàn)農產品的寬帶覆蓋率，還需要積極建設多個不同的平臺以及途徑，對農業(yè)數(shù)據(jù)信息進行整合處理，從而提高農業(yè)作業(yè)的實際收入。除此之外，國外先進的物聯(lián)網(wǎng)技術也應用于農業(yè)領域中，對于農業(yè)的發(fā)展起到了積極的推進作用，給農業(yè)發(fā)展提供了重要的助力[5]。

2.2 國內研究現(xiàn)狀

圖1：網(wǎng)絡拓撲

截至目前為止，我國先后出臺了多個相關政策文件，全力支持我國農業(yè)的發(fā)展。隨著我國物聯(lián)網(wǎng)技術的迅速發(fā)展，越來越多的科學技術廣泛應用于農業(yè)生產中。當前，多個信息技術也逐漸成熟，像RFID 電子標簽、遠距離監(jiān)控系統(tǒng)、無線傳感器監(jiān)測等技術，也被廣泛使用于智慧農業(yè)的發(fā)展建設過程中，大幅度提高了我國的農業(yè)作業(yè)的管理效率，并逐漸加快我國智慧農業(yè)的生產建設步伐。而根據(jù)智能化農業(yè)技術相關思想所提出來的創(chuàng)新性農業(yè)技術已經(jīng)開始被大范圍的應用在實際的農業(yè)生產活動之中，例如，我國首都北京市所開展的智能化農業(yè)技術項目,其常是選擇將農業(yè)無線傳感器應用與大棚農業(yè)生產中，并通過線機內的無線傳感機器，對農作物生長的實際信息以及狀況展開實施的檢測。但是，由于我國農業(yè)信息技術發(fā)展比較晚，其依舊存在著諸多的問題，如沒有建立完善的標準信息，嚴重影響了我國智能化農業(yè)的發(fā)展[6]。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術下智能農業(yè)自動控制系統(tǒng)的設計

在物聯(lián)網(wǎng)視角下設計智能化農業(yè)自動控制系統(tǒng)時，設計人員還需要結合實際的狀況設計出合理的設計方案，設計人員需要注意以下幾點內容：首先，工作人員需要根據(jù)協(xié)議內容建立出合理的物聯(lián)網(wǎng)技術體系，保證這一系統(tǒng)中包含多個不同的節(jié)點。其次，設計人員還需要根據(jù)實際的網(wǎng)格設計出一個完整的系統(tǒng)，并允許這一系統(tǒng)在實際運行中，可以使用節(jié)點加快網(wǎng)絡的速度，最終可以實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)點處理以及指令下達的內容。并且，設計人員還需要根據(jù)網(wǎng)絡的內容，設計出合理的配置顯示器以及報警系統(tǒng)，最終實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)下多個節(jié)點的實際信息，并正確、準確的設置節(jié)點闕值，如果在運行的過程中出現(xiàn)超出節(jié)點闕值這一范圍的數(shù)據(jù)，則報警系統(tǒng)能夠及時的檢測到這些數(shù)據(jù)，并向有關人員發(fā)出相應的報警信息。并且，ZigBee 網(wǎng)絡之中包括處于獨立狀態(tài)的時鐘芯片，其可以對收集到的數(shù)據(jù)信息進行處理，嚴格按照相關數(shù)據(jù)信息對其及進行合理的劃分措施，便于及時對其他的不同節(jié)點發(fā)出有效的指令。最終，自動控制系統(tǒng)必須要擁有高水平的擴展性，這樣才能夠給傳感器以及控制器可以順利網(wǎng)絡關口提供有效的保障。

3.1 系統(tǒng)設計

設計人員在結合物聯(lián)網(wǎng)技術設計智能化農業(yè)控制系統(tǒng)的時候，經(jīng)常會選擇使用CC2530，并依據(jù)IEEE802.15.4 相關標準中的協(xié)議部分進行設計。此外，CC2530 具有的典型特點就是，芯片的內部存在一個高性能、低消耗的內部核心處理器，這一核心部分需要具有2.4Hz IEEEE802.15.4 的收發(fā)器天線設備。另外，給予CC2530設計的通訊板塊中，還需要具有配套的數(shù)模轉化儀器以及串行接口設備，并為其配置合理的定時一起，最終添加一個具有較高密度的處理器以及引腳部分，保證最終設計的電路具有合理性。

圖2：協(xié)調器節(jié)點

圖3：終端節(jié)點

本系統(tǒng)硬件使用的是S7-200 系統(tǒng)PLC。它提供了4 種不同基本單元以及6 種型號不同的擴展單元，本文選用的CPU224，包含14 輸入/10 輸出共24 個數(shù)字量I/O 點，并連接7 個擴展模板，促使其可以擴展至168 路數(shù)字量I/O 點或者35 路模擬量I/O 點。

其次，需要重視對數(shù)據(jù)采集這一部分的設計，這樣才可以提升采集模塊的工作效果。對于農作物而言自身的生長會受到多個因素的影響，例如土壤中水分含量、天氣引起的溫度變化等，因此在設計數(shù)據(jù)采集模塊的過程中也需要按照影響農作物生長因素來進行設計：

3.1.1 土壤水分

根據(jù)調查結果表明，土壤中包含的水分對農作物的生長發(fā)育具有直接的聯(lián)系，所以相關工作人員在實際采集信息數(shù)據(jù)的時候，需要屬于土壤的水分含量，再加上土壤的構成比較復雜，需要將系統(tǒng)中包含的傳感器長期放置于土壤內，充分保證最終接收到的數(shù)據(jù)信息真實、穩(wěn)定、有效，降低傳感器發(fā)生腐蝕、破損的可能性。因此，大部分設計人員常選擇使用鎳物質涂抹在傳感器上，不僅可以提高傳感器的測量靈敏度，還能顯著解決傳感器生銹的情況。

3.1.2 大氣溫濕度

由于農作物的生長發(fā)育和外部環(huán)境溫度都存在著密切的關系，一旦環(huán)境發(fā)生變化會對其產生直接的影響，尤其是農作物的生長環(huán)境超過正常范圍之后，將會顯著影響農作物的生長發(fā)育以及最終的產量，甚至發(fā)生農作物死亡的情況。因此，設計人員需要保證農作物的生長環(huán)境適宜，并注意農作物種植地區(qū)的濕度，避免由于空氣濕度導致農作物的氣孔開閉，從而影響到病菌的繁殖，最終對農作物的生長發(fā)育產生影響。因此，在設計這一模板時，需要選擇DHT11 溫濕度空氣傳感器，其具有兩個不同的參數(shù)，屬于一種集成程度比較高的處理模板。

此外，則是執(zhí)行器處理模塊。當物聯(lián)網(wǎng)技術采集到的相關信息之后，其需要執(zhí)行器對周圍的數(shù)據(jù)進行執(zhí)行處理。在這一系統(tǒng)的執(zhí)行處理器中，其主要包含兩個部分：電磁水閾以及排風扇的相關設備。此外，執(zhí)行其處理模塊中所包含的電流較多，常以小信號和小電流電路常見，且執(zhí)行器在實際控制階段的驅動壓力以及電壓電流比較大。由于儀器電壓電流較大的時候，會對周圍的信號電路產生相關影響，極易影響人員后續(xù)使用繼電器的方法，而對于保護信號以及電路的穩(wěn)定而言，其主要的內容及時使用繼電器實現(xiàn)控制以及保護措施。因此，執(zhí)行器在收集到相關信息數(shù)據(jù)之后，當其超過原本的閾值時，需要通過下達相關指令以及信號內容，可以實現(xiàn)控制三極管的作用，最終保證繼電器可以順利運行或者斷開，有效保證繼電器可以正常運行。

最后，則是系統(tǒng)中的通信模板中電源部分，在實際系統(tǒng)的執(zhí)行器過程中，其在電磁水閾電路電壓系相關要求比較高，其主要的輸入信息常為20V，并滿足系統(tǒng)驅動的實際電源。因此，設計人員在設計系統(tǒng)的時候需要選擇則輸出的開關電壓，其電源開關主要包括雙組輸出部分，從而滿足系統(tǒng)中大部分的電流實際需求。

3.2 網(wǎng)絡設計

ZigBee屬于目前存在的一種新型的網(wǎng)絡技術，具有較多的優(yōu)勢，如距離較短、速率較低、應用方式簡便、頻段靈活、功耗較低、成本較低、可靠性較高的特點，ZigBee 是在無線標準的基礎之上所研發(fā)出來的，可以自主組成網(wǎng)絡，同時還具有自恢復的能力，已經(jīng)得到了廣泛的應用。

3.2.1 網(wǎng)絡結構

在ZigBee 的網(wǎng)絡系統(tǒng)中有路由器部分、終端節(jié)點部分以及協(xié)調器部分，資這三個組成部分使ZigBee 擁有了更加優(yōu)越的功能。協(xié)調器負責構建網(wǎng)絡系統(tǒng)、存儲信息節(jié)點以及管理節(jié)點等內容。路由器部分則是通過將新加入的節(jié)點添加至網(wǎng)絡拓撲中，再對其展開維護工作、管理工作以及通信工作等內容。而終端階段通常并不具有維護網(wǎng)絡系統(tǒng)的能力，其主要的工作內容就是發(fā)送信息、接收信息內容，網(wǎng)絡拓撲也包括多個不同的內容，詳細見圖1。

表1：土壤濕度效果

表2：大氣溫度效果

表3：空氣濕度效果

3.2.2 軟件設計

根據(jù)我國ZigBee 聯(lián)盟所發(fā)布的技術相關標準信息內容，大部分生產芯片的企業(yè)也根據(jù)這一標準設置了合理的協(xié)議內容，這些生產企業(yè)包括多個TI 公司、AVR 公司、Microchip 公司等，其中的IT 公司選擇自主研發(fā)源代碼內容，并對其設置合理的協(xié)議內容，而ZigBee 協(xié)議則是由企業(yè)內的領導層公共協(xié)商后定義，并將函數(shù)數(shù)據(jù)庫的作用充分發(fā)揮出來，為公司內的編程人員提供根本的數(shù)據(jù)信息。

ZigBee 協(xié)議常選擇使用和CC2530 配套的相關配置，ZStack-CC2530-2.5.1a。并且，ZStack 協(xié)議可以充分實現(xiàn)ZigBee 協(xié)議內容，編程人員只需要合理編寫實際的使用程序就可以。所以，大部分企業(yè)的實際設計過程中，常選擇使用IAR FOR 8051 8.10.3 展開后續(xù)的研發(fā)工作，而且其可以之處單片機開發(fā)，便于設計人員合理開發(fā)應用軟件。

部分回路輸出的過程中，由于其輸出值并沒有下一周期的加熱時間，回路的輸出值常是在0.0-1.0 內，其屬于標準化的實數(shù)，在輸出變量中傳送D/A 模擬量單元的時候，需要將回路輸出變量轉換成對應的證書，在這一過程中常是實數(shù)值標準化的過程。R，（M,OFF）Span（3-7）scalnest

S7-200 并不直接提供實數(shù)轉化的質量，需要將實數(shù)轉變成雙整數(shù)，再將雙整數(shù)轉變成證書，其程序代碼如下：

系統(tǒng)中協(xié)調器節(jié)點常位于網(wǎng)絡節(jié)點中，由于協(xié)調器不僅承擔著組建網(wǎng)絡以及維護網(wǎng)絡的工作，其還需要承擔和PC 端口交互數(shù)據(jù)的工作內容。所以，協(xié)調器屬于整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的中樞部分，詳細見圖2 所示。

系統(tǒng)中的路由器節(jié)點常和初始化的協(xié)調器相似，其在實際啟動的過程中，會發(fā)送相關的入網(wǎng)請求，并由協(xié)議棧的網(wǎng)絡層次實現(xiàn)相關工作內容。當系統(tǒng)完成初始化工作之后，可以監(jiān)聽系統(tǒng)中的無線數(shù)據(jù)請求信息，并識別即將跳轉的網(wǎng)絡地址。因此，網(wǎng)絡系統(tǒng)中的終端節(jié)點不僅需要收集諸多的數(shù)據(jù)環(huán)境信息，還需要對執(zhí)行器實現(xiàn)局部的控制措施，詳細見圖3 所示。

3.3 系統(tǒng)測試

3.3.1 組網(wǎng)測試

組網(wǎng)測試主要是一個模擬組網(wǎng)，其是由協(xié)調器以及終端節(jié)點共同組合而成，并通過連接PC 端口接受數(shù)據(jù)信息，可以實現(xiàn)我國網(wǎng)絡安全的管理以及監(jiān)控措施，且其進行實際數(shù)據(jù)處理的結果可以讓PC 端口的串口測試軟件，促使其可以充分出自身的作用，并滿足人員的實際需求。組網(wǎng)測試中的主要命令部分就是系統(tǒng)中的十六進制指令內容，當系統(tǒng)內輸入相關的數(shù)據(jù)節(jié)點后，一旦節(jié)點發(fā)生問題可以實現(xiàn)自動關閉節(jié)點電源，幫助系統(tǒng)順利找回丟失的數(shù)據(jù)信息內容。

3.3.2 執(zhí)行控制功能測試

設計人員想要保證測試結果后的最終數(shù)據(jù)端口可以順利采集信息并實現(xiàn)自動化的控制功能，可以讓其模擬不同的系統(tǒng)對土壤濕度以及大氣濕度的控制效果。首先，對于土壤控制方面，設計人員想要通過系統(tǒng)設計出土壤濕度的實際控制情況，需要將不同的土壤濕度分別放置干濕度不同的土壤中。設計人員通過上位機可以發(fā)現(xiàn)參與測試土壤的濕度分別是02D0 以及05E9（十六進制），設計人員還需要將電磁水閥的實際閾值參數(shù)設置為05DC，最終測試結果見表1。

空氣濕度若高于原本設定的閾值時，風扇會自動進行降溫處理。通過設置上位機設備風扇的相關閾值參數(shù)為指定的27℃后，可以使用加熱器設備模擬空氣溫度逐漸上升的情況，詳細請見表格2。

最后，則是空氣濕度的控制效果測試，相關人員可以使用加濕器對其進行人為的干預措施，其使用原理和降溫大致相同，同時使用排風扇對空氣的實際濕度進行合理的控制措施。本次實驗測試過程中，主要將排風扇的實際閾值參數(shù)設置為75，詳細見表格3。

4 結束語

簡而言之，智能農業(yè)是我國未來科技發(fā)現(xiàn)的主要趨勢，隨著我國科學技術以及農業(yè)迅速發(fā)展的同時，物聯(lián)網(wǎng)技術也廣泛應用于農業(yè)發(fā)展中。本文主要介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術下智能農業(yè)的相關設計，通過數(shù)據(jù)信息采集、自動控制等相關方面，使物聯(lián)網(wǎng)技術下的智能農業(yè)可以穩(wěn)定運行，極大的促進了我國農業(yè)的發(fā)展。我國不僅開展了智能農業(yè)，同時還實施了智能制造的發(fā)展戰(zhàn)略，由此可見在未來的社會發(fā)展進程中，每個行業(yè)都會向著智能化的趨勢發(fā)展。