智能農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)

劉 燦，朱曉坤，丁 奇，邢康慧，伍 剛

（西安工程大學(xué) 理學(xué)院，西安 710048）

近年來(lái)，隨著全球氣候異常多變和農(nóng)產(chǎn)品需求的快速增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)大棚數(shù)量不斷增多，但其中多數(shù)大棚管理模式還停留在全憑感覺(jué)的人工管理階段[1]，隨著科技的不斷發(fā)展，國(guó)家對(duì)新農(nóng)村建設(shè)投入的力度也越來(lái)越大。

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，解決人工管理費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問(wèn)題，能大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，幫助農(nóng)民提高收益，為促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供技術(shù)支撐的同時(shí)帶動(dòng)新農(nóng)村的改革建設(shè)[2]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

智能大棚生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用“感知—傳輸—應(yīng)用”模式[3]。大棚監(jiān)測(cè)終端實(shí)時(shí)采集大棚內(nèi)的CO2氣體含量、氣溫、土壤濕度和pH及光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)并上傳至云平臺(tái)，云平臺(tái)會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并根據(jù)實(shí)際情況發(fā)布指令，再通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)及無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)將這些指令發(fā)布到各個(gè)農(nóng)業(yè)設(shè)備的控制節(jié)點(diǎn)上進(jìn)而控制對(duì)農(nóng)作物的灌溉、施肥、遮光、補(bǔ)光及通風(fēng)等操作，同時(shí)管理人員也可遠(yuǎn)程對(duì)大棚內(nèi)的環(huán)境情況實(shí)時(shí)觀測(cè)及對(duì)監(jiān)測(cè)終端下發(fā)指令，以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)的全天候監(jiān)測(cè)、標(biāo)準(zhǔn)化種植和智能化管理，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，智能大棚系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。氣象監(jiān)測(cè)模塊和土壤監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)，通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳輸至騰訊云平臺(tái)，云平臺(tái)分析處理后，通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)下達(dá)調(diào)控指令至氣象調(diào)控模塊和土壤調(diào)控模塊，來(lái)完成對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的生長(zhǎng)環(huán)境調(diào)控。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 數(shù)據(jù)采集

吳曉斌[4]將NB-IoT技術(shù)應(yīng)用于窨井蓋及井下工況遠(yuǎn)程監(jiān)控，NB-IoT技術(shù)具有功耗低、覆蓋面廣等特點(diǎn)，提高了區(qū)域覆蓋能力，解決了農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝較為廣泛不易監(jiān)控的問(wèn)題，且其功耗低的特點(diǎn)使得一塊5 Wh的電池可以供終端使用長(zhǎng)達(dá)10 a的時(shí)間（理論層面），滿(mǎn)足智能農(nóng)業(yè)大棚的監(jiān)測(cè)終端常年處于溫?zé)岢睗竦膼毫迎h(huán)境。本文智能農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集由氣象監(jiān)測(cè)模塊和土壤檢測(cè)模塊完成，監(jiān)測(cè)模塊和云平臺(tái)通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)測(cè)模塊由空氣溫度傳感器、空氣溫度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、CO2氣體傳感器、土壤濕度傳感器、pH傳感器和NB-IoT通信模塊等組成。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室大棚內(nèi)部的空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2氣體含量和土壤濕度及pH等數(shù)據(jù)。該模塊主要負(fù)責(zé)大棚內(nèi)部生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和傳輸。土壤監(jiān)測(cè)模塊架構(gòu)如圖2所示，氣象監(jiān)測(cè)模塊架構(gòu)如圖3所示。

圖2 土壤監(jiān)測(cè)模塊

圖3 氣象監(jiān)測(cè)模塊

3 云平臺(tái)

騰訊云云服務(wù)器可以在智能移動(dòng)終端上隨時(shí)隨地對(duì)環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控[5]。智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)云平臺(tái)基于騰訊云云開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，預(yù)先在云端建立已知農(nóng)作物的最佳生長(zhǎng)環(huán)境相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖4所示。在農(nóng)作物參數(shù)菜單頁(yè)內(nèi)可以添加不同農(nóng)作物的生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)，根據(jù)實(shí)際農(nóng)作物適宜的生長(zhǎng)環(huán)境設(shè)置如溫度、空氣濕度和土壤pH等參數(shù)的范圍數(shù)值，以此作為智能農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)種植的農(nóng)作物調(diào)用適合農(nóng)作物的生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)，以此作為傳感器的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、上傳之后，云平臺(tái)會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)環(huán)境調(diào)控模塊發(fā)布調(diào)控指令。農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)情況如圖5所示。

圖4 云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)

圖5 農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)情況

4 環(huán)境調(diào)控

環(huán)境調(diào)控由土壤調(diào)控模塊和氣象調(diào)控模塊完成，調(diào)控模塊和云平臺(tái)通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。土壤調(diào)控模塊依據(jù)云平臺(tái)的調(diào)控指令對(duì)不同作物生長(zhǎng)需求進(jìn)行滴澆灌溉和施肥處理，改變土壤的溫濕度和酸堿度，以達(dá)到最適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的土壤環(huán)境；氣象調(diào)控模塊依據(jù)云平臺(tái)的調(diào)控指令對(duì)不同作物生長(zhǎng)需求進(jìn)行加濕、通風(fēng)和補(bǔ)光等處理，改變空氣的溫濕度，CO2氣體含量和光照強(qiáng)度，以達(dá)到最適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的氣候環(huán)境。土壤調(diào)控模塊和氣象調(diào)控模塊依據(jù)云平臺(tái)的調(diào)控指令可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境的實(shí)時(shí)調(diào)控，能大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。土壤調(diào)控模塊架構(gòu)如圖6所示，氣象調(diào)控模塊架構(gòu)如圖7所示。

圖6 土壤調(diào)控模塊

圖7 氣象調(diào)控模塊

5 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一種智能農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，包括氣象監(jiān)測(cè)模塊、土壤監(jiān)測(cè)模塊、云平臺(tái)、氣象調(diào)控模塊和土壤調(diào)控模塊。監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)并傳輸數(shù)據(jù)至云平臺(tái)，云平臺(tái)根據(jù)預(yù)先選擇的農(nóng)作物的生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)監(jiān)測(cè)模塊傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，對(duì)不適宜相應(yīng)農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境下達(dá)調(diào)控指令，調(diào)控模塊接收到來(lái)自云平臺(tái)的調(diào)控指令改變不適宜農(nóng)作物的生產(chǎn)環(huán)境，最終把不適合農(nóng)作物生產(chǎn)的環(huán)境調(diào)控成適合農(nóng)作物生產(chǎn)的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全天候監(jiān)測(cè)、標(biāo)準(zhǔn)化種植和智能化管理，大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。