淺析基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制

李林峰

（河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451191）

0 引言

如今，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，通過融入“互聯(lián)網(wǎng)+”、自動(dòng)化、人工智能等技術(shù)，更精細(xì)化地實(shí)施農(nóng)田管理。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的新技術(shù)創(chuàng)新是非常重要的，也引領(lǐng)了農(nóng)業(yè)的未來(lái)發(fā)展。在農(nóng)業(yè)各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展中，筆者發(fā)現(xiàn)了需求的技術(shù)與方向，這些需要一個(gè)實(shí)時(shí)的系統(tǒng)來(lái)解決，該系統(tǒng)可以自動(dòng)化控制并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，也可以進(jìn)行溝通交流。系統(tǒng)具有友好的用戶界面，易操作，易維護(hù)，任何人都可以很容易地操作。系統(tǒng)由主控制器和若干傳感器組成，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳遞數(shù)據(jù)，農(nóng)民和科技人員可以很容易得到農(nóng)田的情況，并實(shí)時(shí)獲得數(shù)據(jù)，而不需要親自到田間地頭[1]。

事實(shí)上，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，任何一個(gè)機(jī)械化問題都是有可能出現(xiàn)的。出現(xiàn)問題的原因可能是某些自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備的參數(shù)來(lái)源問題，許多源參數(shù)是從其他領(lǐng)域獲得的，可能在實(shí)際操作過程中不太適合農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，這就需要重新獲取相應(yīng)參數(shù)，應(yīng)用到自動(dòng)化設(shè)備中[2]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)具有顛覆性，其具有的連接功能，使其具有可以連接任何類型設(shè)備的能力。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用可以收集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)程云端。物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)是將低功耗和低內(nèi)存的設(shè)備與其他類似的設(shè)備相連，這種通信和效率在近距離環(huán)境中的應(yīng)用，主要集中在可穿戴設(shè)備、智能家庭、智能醫(yī)療、家電、交通控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)檢測(cè)等。目前，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)逐步使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，涉及灌溉系統(tǒng)、水檢測(cè)系統(tǒng)、土壤檢測(cè)系統(tǒng)等，可以科學(xué)地為農(nóng)民和科技人員提供參考幫助[3]。

1 實(shí)現(xiàn)

物聯(lián)網(wǎng)被用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，將基于農(nóng)業(yè)的傳感器連接到控制器，互相協(xié)調(diào)并通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。收集的數(shù)據(jù)用于分析和決策。市場(chǎng)上有各種傳感器可以用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，可以用于自動(dòng)化檢測(cè)溫度、濕度、pH值、環(huán)境值等，這種自動(dòng)化可以被優(yōu)化，以減少人工調(diào)查。結(jié)果表明，通過傳感器參數(shù)的設(shè)置，可以通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通知用戶。筆者主要介紹以下幾種在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中使用的設(shè)備[4]，如圖1所示。

圖1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

1.1 控制器

Atmega328p板卡是一個(gè)控制器，它是一個(gè)主控設(shè)備，作為系統(tǒng)啟動(dòng)的控制單元，對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行控制，并通過物聯(lián)網(wǎng)接口發(fā)送實(shí)時(shí)信號(hào)。Arduino板卡是一個(gè)有用的微控制器，作為主設(shè)備。這是一個(gè)處理單元，完成所有的內(nèi)部操作。它可以獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳遞給運(yùn)算器，也可以將數(shù)據(jù)傳遞給終端。這些數(shù)據(jù)當(dāng)中可能存在錯(cuò)誤，板卡可以很容易地進(jìn)行修復(fù)，并同步到其他組件，同步的數(shù)據(jù)可用于傳輸和接收。陣列是有計(jì)算路徑的，可以改變數(shù)字信號(hào)。從屬方收集的傳感器數(shù)據(jù)在主控制器上被讀取。這個(gè)器件作為主控器可以依次提取數(shù)據(jù)，并有能力在控制器引腳上改變控制器引腳的優(yōu)先級(jí)。這就是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中經(jīng)常使用的第三方核心[5]。

1.2 顯示器

為了查看、了解主控制器接收的數(shù)據(jù)，需要使用顯示器。在顯示器上，每個(gè)操作都可以顯示出來(lái)。參數(shù)的傳入和傳出都是可以顯示的。它具有光調(diào)制特性，由液晶組成。顯示屏將出現(xiàn)在設(shè)備中，以便實(shí)時(shí)顯示，幫助農(nóng)民和科技人員了解實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，確定可以采取的行動(dòng)，然后再行動(dòng)。也可以使用更大像素的顯示屏，但是這種顯示屏在與Arduino的固定連接中可以更加適合。在智能化的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，像Arduino這樣的設(shè)備是十分必要的，作為農(nóng)民和科技人員了解農(nóng)作物生長(zhǎng)情況的數(shù)據(jù)收集設(shè)備，可以利用這一設(shè)備對(duì)下一步需要采取的應(yīng)對(duì)手段做出判斷。

1.3 pH傳感器

pH傳感器是一種邏輯儀器，用于檢測(cè)被測(cè)物氫離子濃度并轉(zhuǎn)化成可用的輸出信號(hào)。智慧化農(nóng)業(yè)需要這樣的傳感器為農(nóng)民和科技人員提供所需要的數(shù)據(jù)。pH傳感器可以精確地獲取被測(cè)物的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而使其成為控制器。例如，pH傳感器可以檢測(cè)水的堿度，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破?。pH傳感器作為一個(gè)從屬設(shè)備，可以產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)，其結(jié)果被輸入主設(shè)備。大多數(shù)pH傳感器設(shè)備在精度上都有局限性，但是對(duì)于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域來(lái)說，pH傳感器是綽綽有余的，可通過pH電極獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

1.4 DHT11

DHT11是一款必不可少的、簡(jiǎn)易的、已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫度和濕度傳感器。它利用電容式溫度傳感器和熱敏電阻來(lái)檢測(cè)空氣的溫濕度，并在信息引腳上發(fā)出一個(gè)高級(jí)信號(hào)。DHT11傳感器每2 s輸出一次數(shù)據(jù)，傳輸給主設(shè)備，使主設(shè)備立即獲得更新的值，得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和變化數(shù)據(jù)可以應(yīng)用于計(jì)算。DHT11是一個(gè)低功率的設(shè)備，但是它是一個(gè)功能強(qiáng)大的傳感器，可以將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)作為模擬電信號(hào)準(zhǔn)確地輸出。

1.5 濕度傳感器

該傳感器主要用于測(cè)量土壤中的水分含量，可直接將結(jié)果發(fā)送給主控制器，用于自動(dòng)化灌溉的參數(shù)收集。這種傳感器在測(cè)量傳感器參數(shù)方面具有高精度的特點(diǎn)，并且可自動(dòng)校準(zhǔn)，對(duì)土壤實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給主設(shè)備。當(dāng)土壤中水分較少時(shí)，可以在傳感器的幫助下確定農(nóng)田灌溉的需求，這樣可以確保土地不會(huì)缺少水分，也不會(huì)水分過多。

1.6 GSM模塊

GSM是與主設(shè)備和從設(shè)備建立通信，其中，系統(tǒng)設(shè)備作為主設(shè)備，傳感器作為從設(shè)備。數(shù)據(jù)從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)搅硗庖粋€(gè)設(shè)備，沒有任何延遲，一般用于同步通信，這樣就可以獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。使用的頻段是900 MHz，它將數(shù)據(jù)數(shù)字化，并以64 kbps的數(shù)據(jù)速率在信道中發(fā)送信息。該系統(tǒng)還可以用于發(fā)送短信，這樣農(nóng)民就可以得到實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。

1.7 能耗

基于網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)系統(tǒng)中的重要地位，因此，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性是網(wǎng)絡(luò)生存能力的最好體現(xiàn)。在生產(chǎn)、生活中，網(wǎng)絡(luò)的修改和維護(hù)延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命，但也可能對(duì)系統(tǒng)造成損失。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，有些設(shè)備需要布置在偏遠(yuǎn)地區(qū)，導(dǎo)致這些設(shè)備無(wú)法頻繁充電，一些低功率傳感器的應(yīng)用能增加設(shè)備的續(xù)航能力，但是解決不了充電問題。筆者期望在整個(gè)架構(gòu)中的每一層都有輕量級(jí)協(xié)議設(shè)備，這樣在運(yùn)轉(zhuǎn)中需要消耗的電量會(huì)減少很多。傳輸數(shù)據(jù)時(shí)消耗的電量比設(shè)備接收數(shù)據(jù)時(shí)消耗的電量要多。由于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)時(shí)需要與云端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要消耗電量。因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，解決硬件和軟件設(shè)備功耗問題是一個(gè)重點(diǎn)。

1.8 安全

設(shè)備數(shù)據(jù)的安全性和設(shè)備位置的隱私性是至關(guān)重要的方面。由于篡改或泄露數(shù)據(jù)導(dǎo)致的自動(dòng)化系統(tǒng)故障，會(huì)在許多方面對(duì)系統(tǒng)造成威脅。隨著感知數(shù)據(jù)和設(shè)備的安全，數(shù)據(jù)上游和下游的安全也應(yīng)該得到保障[1]。

2 工作流程

1）下面利用水系統(tǒng)管理來(lái)描述基于遠(yuǎn)程控制的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。農(nóng)業(yè)中的用水量根據(jù)以下因素而變化：作物類型、季節(jié)、一天中的時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、氣候、地面坡度的變化和耕作方法等。農(nóng)作物的需水量可以統(tǒng)稱為消耗性用水，消耗性用水是指植物在生長(zhǎng)過程中的用水量，另外還有不可避免的水損失和特殊需要的水，可能是由于滲水、深層滲水和水在其儲(chǔ)存區(qū)的蒸發(fā)。農(nóng)業(yè)所需的水由降雨、灌溉、地下水和露水滿足。如果降雨量少，地下水位很低，露水量不大，那么就必須依靠灌溉。這就需要一個(gè)高效的供水系統(tǒng)，以便在灌溉中合理利用水資源，不造成任何浪費(fèi)，并保障水質(zhì)[6]。

如圖2所示為水管理流程框架圖。①檢查土壤和土壤的水分含量和污染物。如果沒有達(dá)到最小值的標(biāo)準(zhǔn)，則檢查灌溉系統(tǒng)。②如果灌溉系統(tǒng)不工作，那么控制器和管理組會(huì)收到有關(guān)該問題的警報(bào)，提醒管理組采取措施解決這個(gè)問題，并修正框架系統(tǒng)。如果灌溉系統(tǒng)工作正常，那么框架系統(tǒng)會(huì)檢查供水量，通過傳感器隨時(shí)檢測(cè)水分含量。③如果水位太低，農(nóng)民和技術(shù)人員要向管理組說明情況，及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)。如果水位正常，則實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的灌溉。

圖2 水資源的自動(dòng)化管理

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被用于連接基于農(nóng)業(yè)的傳感器和控制器，以便互相協(xié)調(diào)，并通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。所收集的數(shù)據(jù)可用于分析和決策活動(dòng)。在決策應(yīng)用的情況下，通過網(wǎng)絡(luò)中智能傳感端調(diào)控環(huán)境。這種自動(dòng)化可以被優(yōu)化，以簡(jiǎn)化農(nóng)場(chǎng)的水、空氣和土壤的質(zhì)量監(jiān)測(cè)工作，提高作物產(chǎn)量，節(jié)省農(nóng)業(yè)資源。

2）土壤護(hù)理的流程。該流程分為幾個(gè)階段，主要是檢查有機(jī)肥料的有效性，不同類型的肥料是否充足，后續(xù)應(yīng)該使用哪種肥料，通過傳感器給出結(jié)論。在檢查中需要使用兩種傳感器，一個(gè)傳感器主要負(fù)責(zé)篩查土壤pH值情況，以及檢查補(bǔ)充劑的情況；一個(gè)傳感器對(duì)土壤水含量及肥料含量做出篩查，如果水含量不達(dá)標(biāo)，灌溉系統(tǒng)會(huì)告知管理組并啟動(dòng)；如果沒有到達(dá)臨界值，灌溉系統(tǒng)會(huì)告知管理組并提前結(jié)束。這就是傳感器在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的智能化設(shè)備被用在農(nóng)業(yè)中，這樣的工作流程是十分必要的[7]。

3）pH值的算法：?jiǎn)?dòng)程序——監(jiān)測(cè)土壤成分——土壤pH值超過閾值——檢查過量的肥料——顯示傳感器返回值——檢查參數(shù)——顯示傳感器返回值——pH值<閾值——檢查缺肥情況——顯示傳感器返回值。

3 結(jié)論

自古以來(lái)，農(nóng)民遇到各種問題時(shí)，都是依靠經(jīng)驗(yàn)判斷解決。如今，利用物聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以解決很大一部分農(nóng)業(yè)領(lǐng)域遇到的問題，而且可以根據(jù)大數(shù)據(jù)技術(shù)得出的結(jié)論，指導(dǎo)農(nóng)民計(jì)劃種什么以及如何進(jìn)行科學(xué)種植?？梢越ㄔ煲粋€(gè)智能農(nóng)業(yè)企業(yè)框架，它不需要人工進(jìn)行干預(yù)，可以在沒有人工的情況下實(shí)現(xiàn)種植與收割。綜上，利用智能化技術(shù)，可以更高效地發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)。