智能農(nóng)業(yè)大棚中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用分析

摘要：農(nóng)業(yè)體系的健康蓬勃發(fā)展是社會穩(wěn)定的基本前提，隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)以及智能化軟硬件技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)代信息通信技術(shù)為農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展提供了高效率和高產(chǎn)出的基本，對此本文針對農(nóng)業(yè)大棚的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行綜合分析，從基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)入手，探討了硬件配置和軟件配置的相關(guān)設(shè)計，完善了智能農(nóng)業(yè)大棚的智能化功能的進程，本文的設(shè)計內(nèi)容為橫向的智慧農(nóng)業(yè)智能化設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè);大棚;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

農(nóng)業(yè)大棚中的監(jiān)控系統(tǒng)采用的是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)當中的感知應(yīng)用層、數(shù)據(jù)傳輸層以及傳感器感知層的基礎(chǔ)架構(gòu)。感知系統(tǒng)主要是通過對大棚室內(nèi)安裝的傳感器硬件采集的室內(nèi)溫濕度狀況以及各類環(huán)境參數(shù)進行實時的數(shù)據(jù)獲取和追蹤，最終通過無線傳感器技術(shù)將生長環(huán)境內(nèi)的信息進行綜合上傳和傳輸。其數(shù)據(jù)內(nèi)容涵蓋溫室大棚內(nèi)的土地含水量情況以及室外太陽輻射參數(shù)等基礎(chǔ)性參數(shù)。同時結(jié)合著紅外熱感攝像頭對農(nóng)作物的生長情況進行實時的監(jiān)控，實時的獲取農(nóng)作物本身的參數(shù)信息，最終統(tǒng)一鏈接到傳輸層當中，上傳至云平臺。感知層主要是對傳輸層內(nèi)獲取到的參數(shù)進行實時的分析，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)預設(shè)定的參數(shù)進行實時的對比，進而聯(lián)動控制結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)完整的系統(tǒng)控制進程[1]，實現(xiàn)綜合灌溉、施肥以及空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)等操作。

傳輸層的基本作用是對數(shù)據(jù)內(nèi)容進行實時的傳輸，通過感知層內(nèi)獲取到的信息進行加工處理分析后并存儲，最終將控制指令送回到感知層當中[2]，實現(xiàn)遠程的實時監(jiān)控，為溫室大棚內(nèi)的農(nóng)作物生長提供良好的適宜條件，為應(yīng)用層的基礎(chǔ)架構(gòu)提供準確的數(shù)據(jù)服務(wù)。

應(yīng)用層能夠?qū)崟r的對遠程使用終端進行實時的控制，通過傳輸層的數(shù)據(jù)條件來綜合控制農(nóng)作物的生長[3]，同時還可以結(jié)合著現(xiàn)場條件使用各類遠程終端進行遠程監(jiān)控，在局域網(wǎng)內(nèi)即可完成終端控制，無時間和地域的限制。同時還可以結(jié)合著現(xiàn)場的使用條件數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的綜合分析，通過數(shù)據(jù)挖掘算法和統(tǒng)計學基礎(chǔ)知識對數(shù)據(jù)進行綜合處理，判斷農(nóng)作物的生長狀態(tài)和情況，分析并預測未來產(chǎn)量以及對應(yīng)的病蟲害發(fā)生的可能性，盡可能的為農(nóng)作物的高產(chǎn)提供必要的保障。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件設(shè)計主要是基于溫室農(nóng)業(yè)的基本實際需求進行開展的，使用的設(shè)備主要有三類，一是用來監(jiān)測現(xiàn)場空氣環(huán)境和土壤環(huán)境的溫濕度傳感器，二是對于空氣調(diào)節(jié)以及燈光和排風扇等機械設(shè)備的控制裝置，三是對于系統(tǒng)終端遠程操控的手機端、電腦端等終端設(shè)備。這些硬件共同耦合，組成了系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)。

2.1傳感器模塊

在物聯(lián)網(wǎng)體系當中，獲取實時的環(huán)境參數(shù)是控制裝置和控制設(shè)備的基礎(chǔ)，這個過程中各個基礎(chǔ)傳感器是核心[4]，農(nóng)作物的生產(chǎn)需要有良好的空氣溫度和土壤溫度等基礎(chǔ)環(huán)境，本文設(shè)計的傳感器模塊能夠?qū)崟r對環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)控，時間步長為1s。

2.2燈光控制模塊

為了促進農(nóng)作更好地進行生產(chǎn)，除了有必備的溫濕度空氣環(huán)境之外，光照情況也是直接影響農(nóng)作物生產(chǎn)效率的決定性因素，除了要有基本的自然光照射之外，本文的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計架構(gòu)還補充了相應(yīng)的人工補光裝置，電路體系中設(shè)計的燈光電路有白色LED燈光源和彩色LED燈光源兩種。通過物聯(lián)網(wǎng)體系的終端發(fā)出不同的波形，最后通過驅(qū)動電路來進行綜合驅(qū)動，進而滿足不同實際需求的亮度，實時的對大棚內(nèi)的光照環(huán)境進行調(diào)控。

2.3終端自動化設(shè)備

為了促進溫室大棚內(nèi)的溫濕度情況能夠盡可能的滿足農(nóng)作物的實際生長需求，本文設(shè)計的硬件裝置在大棚內(nèi)安裝了相應(yīng)的加熱裝置，涵蓋風幕加熱設(shè)備以及滴管裝置和對應(yīng)的通風裝置等，在局域網(wǎng)當中通過網(wǎng)絡(luò)控制實現(xiàn)機械設(shè)備的自動化作業(yè)，通過上位機來實時的對各類機械設(shè)備的電信號進行綜合控制，由控制終端接受命令并最終傳遞給繼電器，最終由繼電器信號進行綜合執(zhí)行。

2.4終端控制電路

物聯(lián)網(wǎng)體系當中的核心是終端控制電路，大棚內(nèi)各個傳感器型號實時的進行信息數(shù)據(jù)采集，在大棚內(nèi)實現(xiàn)無線局域網(wǎng)的全覆蓋，模塊設(shè)備采用主流的無線WIFI模塊作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕竟ぞ?，不僅具備無線通信的功能同時還可以作為無線局域網(wǎng)的通信終端，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的核心功能。在設(shè)計架構(gòu)中，傳感器采集到的的實時信息能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)實時的傳輸?shù)娇刂平K端當中，最終將數(shù)據(jù)信息經(jīng)過上傳后傳送到OneNET平臺。

3溫室大棚系統(tǒng)軟件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)背景下，智慧型的農(nóng)業(yè)大棚與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚形式相比，其優(yōu)勢就在于能夠?qū)崟r的監(jiān)測大棚內(nèi)農(nóng)作物的生產(chǎn)進程，并營造適宜、健康的生產(chǎn)環(huán)境[5]，根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r的采取解決的措施，實現(xiàn)這個過程既需要參照著需求安裝好硬件設(shè)備，同時還有要將設(shè)備的通信模塊以及各類數(shù)據(jù)參數(shù)實時的鏈接到物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備云平臺當中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)參數(shù)的穩(wěn)定存儲和發(fā)送，采用OneNET平臺，既能夠高速的接入傳感器進而實時的收集數(shù)據(jù)，同時還能及時的將數(shù)據(jù)進行公開。

3.1通信主程序設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)平臺的大棚監(jiān)控系統(tǒng)中的傳感器和設(shè)備使用終端需要建立在智能設(shè)備的通信功能基礎(chǔ)上，結(jié)合著應(yīng)用層的數(shù)據(jù)標準進行綜合開發(fā)，并結(jié)合著WiFi無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，用戶也可以結(jié)合著終端APP進行實時的參數(shù)控制，系統(tǒng)的輸入輸出端口、內(nèi)外部時鐘等模塊的初始化將會在主程序正式啟動之后開始進行自檢，實現(xiàn)設(shè)備功能的自查。如果存在異常情況，程序會自動發(fā)出警報，并通過無線局域網(wǎng)將警報信息傳送至遠程終端。

3.2通信協(xié)議

物聯(lián)網(wǎng)端的信息客戶服務(wù)端建立信息通訊的方式與互聯(lián)網(wǎng)建立信息模式的方法相同，全部都綜合考慮了TCP協(xié)議的綜合要求，本文設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)段信息通訊信息將傳感器和智能終端設(shè)備進行連接，與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)客戶服務(wù)端通信過程較為類似，但是傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)采用HTTP協(xié)議再次將數(shù)據(jù)打包上傳至云平臺當中。

3.3系統(tǒng)監(jiān)控界面設(shè)計

采用云平臺的形式進行交互，不僅具有強大的云計算能力，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時存儲和轉(zhuǎn)發(fā)，同時還能夠有針對性的建立云端軟件監(jiān)控界面的功能，在終端設(shè)備與云平臺端銜接完成后，采集的數(shù)據(jù)將會按照特定的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議上傳到云端當中，進而生成特定信息數(shù)據(jù)流，信息數(shù)據(jù)會在顯示監(jiān)控界面的設(shè)計面板上進行數(shù)據(jù)展示，進而開發(fā)者能夠參照著設(shè)計的喜好在設(shè)計區(qū)界面上進行相應(yīng)的設(shè)計和編輯，同時設(shè)計區(qū)的UI設(shè)計更加趨向于人性化的操作，豐富的logo和簡潔的操作應(yīng)用流程能夠更加適用于農(nóng)民的日常行為習慣，功能區(qū)的分布主要為各種類型的圖表、圖片以及地圖等按鈕設(shè)計，在云平臺當中只要設(shè)置好相應(yīng)的控制組件以及數(shù)據(jù)流進行關(guān)聯(lián)即可完成信息和數(shù)據(jù)的操作。同時信息憑條還涵蓋嵌入式功能，能夠?qū)崟r的將UI設(shè)計內(nèi)容嵌入到開發(fā)者的軟件當中，使得平臺的設(shè)計進程更加靈活和便捷，實現(xiàn)了無縫的遠程操控。

3.4云服務(wù)子系統(tǒng)

云服務(wù)系統(tǒng)主要是以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行數(shù)據(jù)上傳和統(tǒng)計分析的服務(wù)功能，實現(xiàn)批量化的云計算以及數(shù)據(jù)上傳和下載業(yè)務(wù)，近年來隨著大數(shù)據(jù)相關(guān)業(yè)務(wù)的發(fā)展，云計算的資源被不斷的擴充，逐漸成為數(shù)據(jù)計算和存儲的主要載體，同時云計算不占用本地資源庫，能夠最大限度的降低對于物理資源的占用，大數(shù)據(jù)內(nèi)容涵蓋對大棚內(nèi)建筑物理環(huán)境的監(jiān)測與分析，同時還能夠?qū)D像采集資源進行數(shù)字分析，結(jié)合著攝像機的圖像資源對生長數(shù)據(jù)進行耦合，由溫室監(jiān)測系統(tǒng)收集的植物數(shù)據(jù)進行批量上傳，并最終結(jié)合著攝像機的圖像識別系統(tǒng)以及處理技術(shù)在云平臺中綜合數(shù)據(jù)信息。

3.5植物圖像識別子系統(tǒng)

結(jié)合著攝像機的實時圖像采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)完整的圖像識別進程，植物圖像識別子系統(tǒng)是取代傳統(tǒng)手動識別的有效替代手段，根據(jù)植物生長的幾何參數(shù)以及顏色狀態(tài)參數(shù)能夠?qū)崟r的準確識別植物的生長過程，結(jié)合著歷史數(shù)據(jù)和歷史資料進行綜合分析，進而最大限度的減少人工介入，穩(wěn)定專業(yè)的計算機數(shù)據(jù)庫最大限度的避免人工失誤，便于數(shù)據(jù)的存儲和數(shù)據(jù)利用。同時大棚內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)攝像機實時的記錄植物的生長進程，結(jié)合著紅外熱成像技術(shù)獲取植物成長過程中熱量的分布情況，通過數(shù)據(jù)挖掘算法來綜合判斷植物生長的特定條件和參數(shù)。

3.6植物生長模型子系統(tǒng)

植物生長模型子系統(tǒng)本身是結(jié)合著生物學的基礎(chǔ)理念和基礎(chǔ)知識，配套數(shù)據(jù)采集信息系統(tǒng)作為硬件完善，匹配以統(tǒng)計學知識和數(shù)學知識作為數(shù)據(jù)支撐和結(jié)論定性的抽象概念方法。既能夠相對簡單的結(jié)合著已有硬件設(shè)備，同時還能夠客觀的展現(xiàn)植物生長過程的數(shù)學描述模型，實現(xiàn)了準確的物理信息描述。這個過程主要依賴的就是傳感器監(jiān)測裝置以及紅外攝像頭的識別技術(shù)，通過數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器當中進行綜合分析，進而建立農(nóng)作物的生長模型，依據(jù)著植物生長規(guī)律的數(shù)學模型及時對棚內(nèi)的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)進行調(diào)控，保證其處于最優(yōu)的生長狀態(tài)環(huán)境，及時的進行供氧、通風以及滴水灌溉，為農(nóng)作物的生長提供最優(yōu)的環(huán)境基礎(chǔ)。

3.7智能決策功能

結(jié)合著農(nóng)業(yè)區(qū)內(nèi)實際的前段信息數(shù)據(jù)，同時配套以完善的數(shù)據(jù)挖掘算法和云計算平臺進行數(shù)據(jù)的分析和歸檔，系統(tǒng)內(nèi)結(jié)合著云計算等科學技術(shù)體系建立了不同的計算子系統(tǒng)，子系統(tǒng)內(nèi)能夠結(jié)合著農(nóng)作物的種植經(jīng)驗以及種植技術(shù)制定相關(guān)的智能決策功能。實現(xiàn)農(nóng)作物種植過程的分析和預測，有效的提醒管理者依據(jù)實際的農(nóng)作物生長狀況和趨勢在適當?shù)臅r間節(jié)點上進行采摘或者除害，通過這樣機器決策-人工干預的模式既保證了農(nóng)作物的科學種植，同時也做好了數(shù)據(jù)和硬件設(shè)備科學應(yīng)用的價值，管理人員也在第一時間獲取到數(shù)據(jù)情況后及時的采取決策措施，確保農(nóng)作物的健康成長。

智慧農(nóng)業(yè)大棚收集到的傳感器數(shù)據(jù)和植物不同時間節(jié)點的生長狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合著大數(shù)據(jù)平臺進行綜合分析，有利于建立植物的生長模型，實現(xiàn)科學化的種植。結(jié)合著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的軟硬件裝置能夠準確的把控制植物的生長進程，提供農(nóng)作物生產(chǎn)所需要營造的人工氣候環(huán)境，實現(xiàn)高強度的生產(chǎn)，提升了農(nóng)業(yè)智慧化水平。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)所輻射的范圍和領(lǐng)域也將會得到不斷的擴充，逐漸會從單一的溫室大棚控制技術(shù)轉(zhuǎn)向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)控制進程，進而實現(xiàn)土地資源的高度一體化集成式管理，網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)將會進一步推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面向智慧農(nóng)業(yè)的形式轉(zhuǎn)變，因此物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將擁有著巨大的引用空間，場景應(yīng)用前景非常廣闊。

4結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)溫室大棚設(shè)計體系涵蓋了中心網(wǎng)關(guān)和功能控制的基本功能，同時還實現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的智能化處理，實時的對數(shù)據(jù)進行深度挖掘，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，能夠精準的監(jiān)測農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)，在農(nóng)業(yè)溫室大棚的應(yīng)用進程中促進了農(nóng)產(chǎn)品的高質(zhì)量發(fā)展，未來結(jié)合著5G技術(shù)繼續(xù)提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量，實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。

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【作者簡介】姓名： 張軍;出生年月： ?1975年12月;性別： 男;民族： 漢;籍貫：河北省;職務(wù)/職稱：講師;學歷：碩士;研究方向： 智能控制與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用;單位信息（單位全名）：呼倫貝爾學院計算機學院;所在省市 ： 內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市海拉爾區(qū);郵編 ： 021008