基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)研究

朱 斌

（新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 昌吉州 831100）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)是根據(jù)當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展的實(shí)際情況，為了促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)而提出來的。農(nóng)作物大棚監(jiān)測系統(tǒng)研究是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展不可或缺的一項(xiàng)重要工作。對于農(nóng)戶來說，農(nóng)作物大棚直接關(guān)系到農(nóng)作物的產(chǎn)量，無論是培養(yǎng)非本季節(jié)農(nóng)作物還是提高農(nóng)作物的生長效率，都離不開農(nóng)作物大棚。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠更好地對農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行管理，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，對于農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建的過程中，重要的是要收集和分析周圍環(huán)境中的各項(xiàng)信息及數(shù)據(jù)，例如在大棚中種植農(nóng)作物，對于環(huán)境的溫度、濕度、光照時間都有不同的要求，監(jiān)測系統(tǒng)需要通過外部傳感器等元件精確地對這一類信息進(jìn)行收集，然后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的分析并發(fā)出控制指令，從而實(shí)現(xiàn)對智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)的控制[1]?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，分別是感知控制系統(tǒng)、云平臺系統(tǒng)和用戶遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 感知控制系統(tǒng)

感知控制系統(tǒng)主要是進(jìn)行信息的匯總、分析、傳輸，而用戶遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)則是判斷這些信息，然后進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制。感知控制系統(tǒng)主要包括感知器件、ZigBee協(xié)調(diào)器和控制器件，這三個部分也構(gòu)成了所謂的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。這一部分通過感知器件對于外部環(huán)境的感知，利用不同的終端感知器節(jié)點(diǎn)對不同的信息進(jìn)行采集、分析和傳送，最終由控制器件和ZigBee協(xié)調(diào)器將各種信息傳送回網(wǎng)關(guān)。

1.2 云平臺系統(tǒng)

網(wǎng)關(guān)屬于云平臺的組成部分之一，云平臺主要由網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)云系統(tǒng)共同組成。其中，網(wǎng)關(guān)承擔(dān)著連接互聯(lián)網(wǎng)和ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要作用，通過網(wǎng)關(guān)，各種環(huán)境數(shù)據(jù)才能進(jìn)行及時傳送，從而給出相應(yīng)的反饋。數(shù)據(jù)云系統(tǒng)是對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并處理的關(guān)鍵系統(tǒng)，農(nóng)作物的生長是一個長時間的過程，在此過程中有眾多的數(shù)據(jù)信息需要匯總，以便農(nóng)戶在日后的工作中更好地把握大棚中的具體情況，作出更加準(zhǔn)確的控制[2]。

1.3 用戶遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

用戶遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是整個智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)中的終端，通過用戶遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，能讓農(nóng)戶足不出戶，甚至人在外地也能及時了解到農(nóng)作物大棚的實(shí)際情況。用戶遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)包括App應(yīng)用程序、PC端控制程序等，主要是為了農(nóng)戶可以利用不同的電子設(shè)備對大棚系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)和控制。通過應(yīng)用程序，客戶接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送回來的數(shù)據(jù)，再根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)和對農(nóng)作物的了解作出更合適的控制，避免自動控制系統(tǒng)不夠智能化作出錯誤的判斷。

2 智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括節(jié)點(diǎn)電路模塊、溫濕度傳感器模塊、光照強(qiáng)度傳感器模塊、CO2傳感器模塊和電源模塊，這五個機(jī)構(gòu)共同組成了大棚監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)[3-5]。

2.1 節(jié)點(diǎn)電路模塊

節(jié)點(diǎn)電路模塊主要是針對有線監(jiān)測系統(tǒng)的成本和簡便性提出來的，雖然在大棚環(huán)境監(jiān)測中所涉及的傳感器眾多，但是并不需要巨大的計(jì)算量，對數(shù)據(jù)處理器的要求也不是很高，并且有線節(jié)點(diǎn)模塊的設(shè)計(jì)成本和工作效率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過無線節(jié)點(diǎn)電路。因此，考慮到建設(shè)的成本，在大棚監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建中，利用TI公司生產(chǎn)的ZigBee/IEEE 802.15.4 RF收發(fā)器CC2530作為整個大棚監(jiān)測系統(tǒng)的核心，并且采用無線節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)姆绞?，令整個監(jiān)測系統(tǒng)更加便捷、更加高效、成本更加低廉。節(jié)點(diǎn)電路模塊的構(gòu)成如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)電路模塊

2.2 溫濕度傳感器模塊

溫濕度傳感器模塊是保證整個大棚控制系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，只有溫濕度傳感器準(zhǔn)確收集和傳送相關(guān)信息，數(shù)據(jù)中心和用戶控制才能作出準(zhǔn)確的反饋。在溫濕度傳感器的構(gòu)建中，要考慮到溫濕度傳感器本身的材質(zhì)，要盡量采用抗磨、耐腐蝕、耐潮的材料，避免溫濕度傳感器受到大棚環(huán)境的影響而出現(xiàn)問題。溫濕度傳感器對環(huán)境溫度和濕度進(jìn)行采集并將信息傳送給數(shù)據(jù)處理器，再經(jīng)由數(shù)據(jù)處理器計(jì)算給出相應(yīng)的控制指令。

2.3 光照傳感器模塊和CO2傳感器模塊

在大棚的內(nèi)部環(huán)境中需要重點(diǎn)監(jiān)測的是農(nóng)作物的光照時間和整個環(huán)境中CO2的濃度，這是農(nóng)作物正常生長的關(guān)鍵參數(shù)。因此，在整個智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)中，光照傳感器模塊和CO2傳感器模塊扮演著重要的角色。通過光照傳感器，在不同的天氣監(jiān)測農(nóng)作物受到光照的時長，保證農(nóng)作物的正常生長；通過CO2傳感器對室內(nèi)CO2濃度進(jìn)行分析，并與光照傳感器協(xié)同工作，保證植物的光合作用。

2.4 電源模塊

由于大棚監(jiān)測系統(tǒng)涉及的模塊眾多，電路情況復(fù)雜，耗電量較大，對于電壓的要求也較高，因此需要接入外接電源轉(zhuǎn)換器。為了在額定電壓內(nèi)保障整個大棚監(jiān)測系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，讓每個模塊都能連續(xù)工作，外接電源轉(zhuǎn)換器使用了LMlll7轉(zhuǎn)換輸出電壓，保證了工作電壓的穩(wěn)定性，在控制電壓精度的同時，監(jiān)測整個電路的安全性，包括電路過熱保護(hù)和短路保護(hù)等等。

3 智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)構(gòu)成

智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)構(gòu)成主要包括協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)、終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和PC主機(jī)監(jiān)測管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，這三個部分在大棚監(jiān)測系統(tǒng)的不同環(huán)節(jié)進(jìn)行工作，保證了整個系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)前主流的智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)使用的協(xié)調(diào)器軟件是由TI公司推出的ZigBee2007/PR0協(xié)議棧和IAR集成的開發(fā)環(huán)境，這種軟件環(huán)境是為了進(jìn)一步與數(shù)據(jù)處理器中所應(yīng)用的CC2530芯片進(jìn)行組合，能夠保障軟件環(huán)境完全匹配當(dāng)前的數(shù)據(jù)處理芯片，減少不兼容的情況，發(fā)揮軟件和處理器的全部效率，提高工作和計(jì)算的效率[6]。在大棚監(jiān)測系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器是整個數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心，協(xié)調(diào)器也可以理解為網(wǎng)關(guān)的一種，承擔(dān)著進(jìn)行組網(wǎng)的重要任務(wù)；并且為了保證數(shù)據(jù)傳送的及時性，協(xié)調(diào)器要優(yōu)化各項(xiàng)傳感器和網(wǎng)絡(luò)通道，然后等待終端采集節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器會分析當(dāng)前加入網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)是否是合法網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器只允許合法的終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并且根據(jù)不同節(jié)點(diǎn)對不同采集區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并傳輸給PC端，最終發(fā)出控制指令。

3.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)軟件是為了保證接入?yún)f(xié)調(diào)器所組成的數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡(luò)能夠及時接收到來自大棚內(nèi)部各項(xiàng)傳感器的數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的[7]。終端節(jié)點(diǎn)在一開始進(jìn)入數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡(luò)時會由協(xié)調(diào)器進(jìn)行初始化處理，保證所有的終端節(jié)點(diǎn)不帶有原本的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)協(xié)調(diào)器對所有終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷，確定了終端節(jié)點(diǎn)的合法性之后，終端節(jié)點(diǎn)會申請加入數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡(luò)，在加入網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)之后會控制大棚內(nèi)部的溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器并對大棚數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，最后經(jīng)由終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。這種流程不僅能夠保證數(shù)據(jù)傳送的及時性和準(zhǔn)確性，同時通過對不同終端節(jié)點(diǎn)的判斷，還能夠保證數(shù)據(jù)的安全性[8]。

3.3 PC主機(jī)監(jiān)測管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PC主機(jī)監(jiān)測管理系統(tǒng)軟件的主要工作是方便用戶對整個大棚系統(tǒng)進(jìn)行控制，包括減少或者增加大棚內(nèi)農(nóng)作物的光照時間、調(diào)節(jié)大棚室內(nèi)CO2濃度、提高和降低大棚溫度與濕度等等。整個PC主機(jī)監(jiān)測管理系統(tǒng)由用戶管理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)四個部分組成[9]，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PC主機(jī)監(jiān)測管理系統(tǒng)

用戶管理系統(tǒng)主要是進(jìn)行賬號的登錄以及做出相關(guān)設(shè)置，這是為了保證數(shù)據(jù)的安全性；通信系統(tǒng)主要包括發(fā)送接收軟件系統(tǒng)和節(jié)點(diǎn)管理系統(tǒng)，這是管理數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收的重要系統(tǒng)，也是用戶發(fā)送控制指令的關(guān)鍵系統(tǒng)；信息管理系統(tǒng)主要包括用戶信息管理、大棚信息管理和設(shè)備信息管理，其主要任務(wù)是對整個大棚中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和存儲；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)查詢、參數(shù)閾值、數(shù)據(jù)存儲和實(shí)時數(shù)據(jù)傳送四個部分，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)保證整個大棚環(huán)境信息的準(zhǔn)確性和合理性，如果超出閾值，則會通過通信系統(tǒng)對用戶做出預(yù)警[10]。

4 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)在我國的建設(shè)程度越來越高，對于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的利用也越來越廣泛。在此基礎(chǔ)上，研究智慧農(nóng)業(yè)中大棚監(jiān)測控制系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)，對于促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型有重要的意義，并將有力推動農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化發(fā)展。