農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在大棚種植中的應(yīng)用

摘 要：簡(jiǎn)單介紹了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，并以大棚種植為例，具體闡述了物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的實(shí)際應(yīng)用。在Proteus仿真軟件中進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)，模擬大棚中的溫濕度監(jiān)控場(chǎng)景；在Keil中采用C語(yǔ)言編寫程序，實(shí)現(xiàn)大棚溫濕度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)告警；仿真調(diào)試成功后，根據(jù)硬件電路圖，在普中-7開發(fā)板上進(jìn)行接線并運(yùn)行程序，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在大棚種植中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；大棚；溫濕度監(jiān)測(cè)；實(shí)時(shí)告警

一、背景簡(jiǎn)介

當(dāng)前“十四五”時(shí)期，借助數(shù)字新基建，農(nóng)業(yè)數(shù)字化逐漸興起。把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于大田大棚、畜牧養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、節(jié)水灌溉、生物資產(chǎn)數(shù)字化等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，構(gòu)建農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，是推動(dòng)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和鄉(xiāng)村振興的重要舉措。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，即使用各類感知設(shè)備，采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的相關(guān)信息，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信無(wú)線網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)傳輸，將獲取的農(nóng)業(yè)信息進(jìn)行融合、處理，最后通過(guò)智能化操作，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控、科學(xué)決策和實(shí)時(shí)服務(wù)。本文將以大棚種植為例，具體闡述物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的實(shí)際應(yīng)用。

二、系統(tǒng)分析

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)可分為以下三層：感知層、傳輸層和應(yīng)用層。

感知層負(fù)責(zé)識(shí)別物體、采集信息，即采用各種傳感器，如溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器、光照傳感器、雨量傳感器、風(fēng)速傳感器來(lái)獲取作物的各類信息。

傳輸層負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層所獲取的信息，由各種網(wǎng)絡(luò)，比如互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云平臺(tái)等組成。

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，它與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。例如根據(jù)作物的生長(zhǎng)環(huán)境信息，進(jìn)行自動(dòng)灌溉、施肥、噴藥、降溫補(bǔ)光等控制，對(duì)異常信息進(jìn)行自動(dòng)告警等。

隨著農(nóng)村種植產(chǎn)業(yè)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，種植戶對(duì)于作物的看管要求也隨之提高，種植戶需要對(duì)大棚內(nèi)的農(nóng)作物環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)和高效的監(jiān)控，避免悶棚和凍害。因此需要在大棚中安裝溫濕度傳感器、攝像頭、無(wú)線通信設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚的溫濕度監(jiān)測(cè)和采集。將感知層采集的農(nóng)業(yè)信息，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)皆破脚_(tái)。云平臺(tái)利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行分析，從中整理出有效信息，為管理者進(jìn)行決策和調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。管理者通過(guò)PC或是手機(jī)APP移動(dòng)終端，遠(yuǎn)程完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的智能控制、智能決策、診斷推理、預(yù)警、預(yù)測(cè)等核心功能。通過(guò)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，種植戶可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)掌握棚內(nèi)溫濕度情況，通過(guò)數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，降低悶棚和凍害，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量，提升大棚看管效率，從而完成大棚的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)智慧種植。

三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文主要介紹如何在感知層進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚的溫濕度，把溫濕度顯示在大屏上，并在溫濕度超過(guò)閾值時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)告警。本系統(tǒng)綜合采用Proteus、C語(yǔ)言、Keil、普中-7開發(fā)板等工具模擬實(shí)現(xiàn)。

首先在Proteus仿真軟件中進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)，接著在Keil中采用C語(yǔ)言編寫程序，實(shí)現(xiàn)大棚溫濕度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、和實(shí)時(shí)告警，然后在硬件電路圖中進(jìn)行程序的仿真調(diào)試，仿真調(diào)試成功后，根據(jù)硬件電路圖，在普中-7開發(fā)板上進(jìn)行接線，模擬大棚溫濕度監(jiān)控場(chǎng)景，最后使用程序燒錄軟件，把C語(yǔ)言程序燒錄到普中-7開發(fā)板中，在開發(fā)板上運(yùn)行程序，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在大棚種植中的應(yīng)用。

（一）硬件電路設(shè)計(jì)

在Proteus仿真軟件中設(shè)計(jì)硬件電路，包括STC89C51單片機(jī)、溫濕度傳感器DHT11、液晶顯示屏LCD1602、蜂鳴器、LED燈等部件。DHT11用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚溫濕度信息，DATA引腳接單片機(jī)的P3.7端口。LCD1602負(fù)責(zé)顯示溫濕度數(shù)據(jù)，RS、RW、E引腳分別接單片機(jī)的P2.6、P2.5、P2.7端口，D0～D7引腳接單片機(jī)的P0.0～P0.7端口。蜂鳴器用于實(shí)時(shí)聲音告警，接單片機(jī)的P3.0端口。LED燈用于實(shí)時(shí)燈光告警，接單片機(jī)的P3.1端口。

（二）軟件設(shè)計(jì)

在Keil集成開發(fā)環(huán)境編寫C語(yǔ)言程序，實(shí)現(xiàn)大棚溫濕度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示和告警，并生成對(duì)應(yīng)的hex文件。主函數(shù)main的核心代碼如下：

void main（）

{

LcdInit（）; //初始化LCD1602

DisplayListChar（0，0，\" welcome\"）; " //在LCD1602的第一行顯示welcome

while（1）

{

DHT11_receive（）; //溫濕度數(shù)據(jù)采集

//在LCD1602的第二行的指定位置上顯示濕度

DisplayOneChar（0，1，'H'）; //在第2行第1個(gè)位置顯示字符“H”

DisplayOneChar（1，1，'：'）; //在第2行第2個(gè)位置顯示字符 “：”

DisplayOneChar（2，1，（char）（T_RH/10 + '0'））; //在第2行第3個(gè)位置顯示濕度的十位數(shù)字

DisplayOneChar（3，1，（char）（T_RH%10 + '0'））; //在第2行第4個(gè)位置顯示濕度的個(gè)位數(shù)字

DisplayOneChar（4，1，'%'）; //在第2行第5個(gè)位置顯示濕度的單位，即百分號(hào) “%”

//在LCD1602的第二行的指定位置上顯示溫度

DisplayOneChar（7，1，'T'）; //在第2行第8個(gè)位置顯示字符“T”

DisplayOneChar（8，1，'：'）; //在第2行第9個(gè)位置顯示字符 “：”

DisplayOneChar（9，1，（char）（T_TH/10 + '0'））; //在第2行第10個(gè)位置顯示溫度的十位數(shù)字

DisplayOneChar（10，1，（char）（T_TH%10 + '0'））; //在第2行第11個(gè)位置顯示溫度的個(gè)位數(shù)字

DisplayOneChar（11，1，0Xdf）; //在第2行第12個(gè)位置顯示 “°”

DisplayOneChar（12，1，'C'）; //在第2行第13個(gè)位置顯示 “C”

Lcd1602_Delay1ms（100）; //延時(shí)

//如果濕度不在50%～80%的范圍內(nèi)，或是溫度不在25℃～28℃的范圍內(nèi)，蜂鳴器間歇性鳴叫，LED燈間閃爍，進(jìn)行聲光告警

if（T_RHgt;80||T_RHlt;50||T_THgt;28||T_THlt;25）{

//蜂鳴器叫，LED燈亮，延時(shí)一小段時(shí)間

beep=0;" "led=0;" "delay（100）; （下轉(zhuǎn)第93頁(yè)）

（上接第91頁(yè)）

//蜂鳴器不叫，LED燈不亮，延時(shí)一小段時(shí)間

beep=1;" "led=1;" "delay（100）;

}

}

}

（三）仿真調(diào)試

在Proteus硬件電路圖中進(jìn)行程序的仿真調(diào)試。雙擊單片機(jī)，在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)擊黃色的小文件夾圖標(biāo)，加載hex文件。通過(guò)DHT11傳感器上的三個(gè)紅色小箭頭來(lái)模擬溫濕度的變化，前兩個(gè)紅色小箭頭用于溫度或濕度數(shù)值的增減，后一個(gè)小箭頭用于切換溫度和濕度。液晶顯示屏LCD1602上的第一行顯示welcome，第二行顯示顯示當(dāng)前溫度和濕度信息，比如“H：64%" T：30℃”。其中H代表濕度（Humidity的縮寫），T代表溫度（Temperature的縮寫）。當(dāng)監(jiān)測(cè)到的濕度不在50%～80%之間，或是溫度不在25℃～28℃之間，蜂鳴器間歇性鳴叫，LED燈閃爍，進(jìn)行聲光告警。溫濕值恢復(fù)正常后，報(bào)警解除。

（四）在開發(fā)板上運(yùn)行

根據(jù)硬件電路圖，在普中-7開發(fā)板上完成接線，模擬大棚溫濕度監(jiān)控場(chǎng)景，并使用程序燒錄軟件，把調(diào)試成功的hex文件燒錄到普中-7開發(fā)板中，在開發(fā)板上運(yùn)行程序。DHT11監(jiān)測(cè)周邊環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示在LCD1602液晶顯示屏中，當(dāng)溫濕度超過(guò)閾值時(shí)進(jìn)行聲光實(shí)時(shí)告警。開發(fā)板運(yùn)行效果如圖1所示：

四、總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用具有廣泛的前景和潛力，可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)綠色農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、可持續(xù)農(nóng)業(yè)等目標(biāo)，同時(shí)，我們也不能忽視的是，在具體的應(yīng)用中也面臨著數(shù)據(jù)隱私和安全、設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)成本較高、農(nóng)民接受度不高等問(wèn)題。在未來(lái)，需要完善政策和法律體系、加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新、提高農(nóng)民的接受度和使用成本效益，大力提升數(shù)字化生產(chǎn)力，推進(jìn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和鄉(xiāng)村全面振興。

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