黃鑫 德宏師范高等專科學(xué)校 信息學(xué)院

關(guān)鍵字：物聯(lián)網(wǎng) 農(nóng)業(yè) 系統(tǒng)設(shè)計

前言

改革開放造就了云南省經(jīng)濟社會發(fā)展30 多年的騰飛，工業(yè)及服務(wù)業(yè)發(fā)展迅猛，取得了巨大的成就。但傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟還是存在著周期長、抗風險能力低的特點，這也決定了人口從農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)移到其他產(chǎn)業(yè)、從農(nóng)村流向城市是經(jīng)濟社會發(fā)展的趨勢。農(nóng)村人口流入城市，一方面導(dǎo)致農(nóng)業(yè)人口減少，不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全；另一方面也為土地集約化生產(chǎn)以及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程奠定了基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正在加快向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，而農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)未來發(fā)展的趨勢。2016 年黨的《“十三五”全國農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化發(fā)展規(guī)劃》、《國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》等政策綱領(lǐng)性文件明確指出“信息化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的制高點”, 加快農(nóng)業(yè)、農(nóng)村信息化的發(fā)展, 培育和建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)等新興產(chǎn)業(yè)。

云南省地勢呈現(xiàn)西北高、東南低，自北向南呈階梯狀逐級下降，屬山地高原地形，山地面積占全省總面積的88.64%[2]。存在著海拔高、緯度低、多季風、多山原、平地少, 水源分布不均的特點，農(nóng)業(yè)科技水平比較低。因此，如何通過現(xiàn)代科技生產(chǎn)出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品，同時解放勞動生產(chǎn)力就成為我省迫切需要解決的問題?！稗r(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”也被成為智慧農(nóng)業(yè)，它是傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)交叉融合，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的遠程診斷、自動控制、災(zāi)變預(yù)警等智能管理。基于這一需求,本文結(jié)合傳感器、Zigbee、大數(shù)據(jù)云平臺、設(shè)計了一種“智能”“便捷”的農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)。通過對各種傳感器獲取的溫濕度、光照度、p H 值、CO2 含量、土壤養(yǎng)分等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控并進行相應(yīng)的控制，確保作物生長的最佳生成環(huán)境。遠程控制可以為技術(shù)人員通過各類傳感器來獲取農(nóng)作物生長環(huán)境，實現(xiàn)精確控制合理生長因素提供科學(xué)依據(jù)，實現(xiàn)了減少人力成本、實現(xiàn)增產(chǎn)增收、提高產(chǎn)品品質(zhì)等目標。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)自動控制系統(tǒng)綜合了傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、動植物養(yǎng)殖技術(shù)等多種技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)自動控制系統(tǒng)對動植物生長環(huán)境進行準確監(jiān)控,將傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取到的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，由云服務(wù)器上運行的農(nóng)業(yè)決策系統(tǒng)根據(jù)建立的動植物生長環(huán)境模型自動控制農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)動植物生長的全程自動化科學(xué)調(diào)控。物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)自動控制系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，順應(yīng)了農(nóng)業(yè)人口轉(zhuǎn)移至城市的趨勢，提高了農(nóng)業(yè)精細化管理水平和生產(chǎn)效率，保障了我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全和農(nóng)業(yè)產(chǎn)品安全。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)由三層架構(gòu)組成，分別為：感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。

1.1 感知層技術(shù)

傳感器技術(shù)是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ),是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)終端。傳感器主要收集影響動植物生長的環(huán)境因素信息,包括光照、溫濕度、水含量、土壤肥料以及用于監(jiān)測危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的動物的紅外測溫傳感器。同時還包括各類其他環(huán)境數(shù)據(jù),如NH3或SO2、煙火、大氣壓力、酸堿度等參數(shù)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)

環(huán)境信息傳輸是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的中間層技術(shù)。無線網(wǎng)絡(luò)是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中最常用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布在整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域。在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)中,常用的技術(shù)主要有WLAN、藍牙、GPRS/3G/4G、NB-IoT、ZigBee 等技術(shù)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中不可忽視的因素有成本、可靠性及能耗，綜合考慮各種因素，本文選擇Zig Bee 技術(shù)。

1.3 應(yīng)用層技術(shù)

由傳感器獲取到的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸?shù)皆品?wù)器上運行農(nóng)業(yè)決策系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，為農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)決策系統(tǒng)根據(jù)大數(shù)據(jù)分析得出動植物在不同時期生長的關(guān)鍵要素，通過指令集對農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施進行控制，調(diào)整動植物的生長環(huán)境。同時，為了便于物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)自動控制系統(tǒng)的管理人員快速的進行操作，使用了移動設(shè)備的開發(fā)技術(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 感知層硬件設(shè)計

利用光敏/熱敏傳感器、土壤溫濕度傳感器、風速傳感器、二氧化碳濃度傳感器、空氣溫濕度傳感器獲取相應(yīng)參數(shù), 準確監(jiān)測影響作物生長的環(huán)境因素, 促進作物高效高產(chǎn)，這是提高農(nóng)業(yè)整體效益的關(guān)鍵?？紤]到農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以后不易維護，而傳感器的數(shù)量較多，因此傳感器的可靠性是必須考慮的因素，所以傳感器選用了工業(yè)級傳感器。同時，雖然用于收集農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器工作頻率不高，能量消耗不大，本文并未考慮采用太陽能充電的方式為傳感器電路的電池模塊進行供電。光敏電路如圖1 所示。

圖1 光敏電路

2.2 網(wǎng)絡(luò)層硬件設(shè)計如下

Zig Bee 是一種短距離低速傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，底層是采用IEEE 802.15.4 標準規(guī)范的媒體訪問層與物理層。Zigbee 的傳輸距離為十米左右，使用頻段為免費的2.4GHz 與900MHz 頻段，傳輸速率為20kbps 至250kbps。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，Zig Bee技術(shù)的低功耗、低速率是最適合作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的標準，這將成為未來Zigbee 技術(shù)主要的發(fā)展方向。此外，Zigbee 具備低功耗、低成本、低速率、近距離、短延時、高容量、高安全、無需執(zhí)照頻段的特點。由ZigBee 構(gòu)成的自組網(wǎng)中有三種狀態(tài)的節(jié)點，分別是協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器是自組網(wǎng)中的網(wǎng)關(guān)，一般是由網(wǎng)絡(luò)中第一個啟動的Zigbee 節(jié)點扮演這個角色，該節(jié)點負責初始化網(wǎng)絡(luò)，其他節(jié)點在搜索到其信號范圍內(nèi)存在協(xié)調(diào)器節(jié)點時，會加入這個網(wǎng)絡(luò)。路由節(jié)點負責將距離比較遠的終端節(jié)點連接入網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送自身數(shù)據(jù)，同時轉(zhuǎn)發(fā)終端節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)。終端節(jié)點負責發(fā)送數(shù)據(jù)。Zigbee 電路如圖2所示。

圖2 zigbee 電路圖

2.3 應(yīng)用層軟件設(shè)計

應(yīng)用層軟件設(shè)計包括節(jié)點的控制程序、網(wǎng)關(guān)控制程序、Web 端控制程序、移動端控制程序。

(1）節(jié)點的控制程序

節(jié)點的控制程序主要是由C 語言開發(fā)的單片機程序，控制單片機從指定端口獲取傳感器數(shù)據(jù)，將接受到的環(huán)境數(shù)據(jù)交由Zig Bee模塊傳輸出去。這部分程序的開發(fā)工具是matlab、Visio、中望cad、PROTEUS、LabVIEW 等。

(2）Web 端程序

Web 端程序主要作為數(shù)據(jù)中心，對節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù)進行農(nóng)業(yè)科學(xué)分析，對作物成長模型進行建模，可以對獲取到的數(shù)據(jù)按照建模算法進行大數(shù)據(jù)挖掘，由得到的結(jié)果反饋于農(nóng)業(yè)成產(chǎn)過程，對作物生長進行精細化管理。

(3）網(wǎng)關(guān)控制程序

網(wǎng)關(guān)控制程序主要是由Java 語言開發(fā)的Android 程序，主要運行在棚內(nèi)、棚外的網(wǎng)關(guān)設(shè)備上，這些設(shè)備可以手機節(jié)點傳送來的環(huán)境數(shù)據(jù)并實時顯示，也可以通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備控制棚內(nèi)、棚外的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)置完成溫濕度控制、光照控制、噴水肥、通風等操作。

棚內(nèi)網(wǎng)關(guān)控制程序如圖3 所示，界面顯示四個按鈕，分別是溫度、濕度、二氧化碳和土壤水分。點擊按鈕會彈出提示框顯示最新保存在本地的記錄，此記錄將會作為某個時間點的歷史數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。每個按鈕下面將會實時顯示從傳感器采集到的數(shù)據(jù)（實時數(shù)據(jù)顯示區(qū)位置）。而右邊是安全閥值的設(shè)定。當傳感器采集到的數(shù)據(jù)超出設(shè)定的安全范圍時，傳感器顯示的數(shù)值顏色將變?yōu)榧t色，并觸發(fā)警報和控制相應(yīng)的外部設(shè)備，達到自動控制的效果。

圖3 棚內(nèi)網(wǎng)關(guān)控制程序

棚外網(wǎng)關(guān)控制程序如圖4 所示，界面顯示六個按鈕，分別是溫度、濕度、風速、大氣壓力、雨雪天氣和光照。點擊按鈕會彈出提示框顯示最新保存在本地的記錄，此記錄將會作為某個時間點的歷史數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。每個按鈕下面將會實時顯示從傳感器采集到的數(shù)據(jù)。

圖4 棚外網(wǎng)關(guān)控制程序

（4）移動端控制程序

移動端控制程序呈現(xiàn)在界面上的是遮陽簾、植物生長燈、換氣風扇、加熱器、自動澆灌5 種設(shè)備控制如圖5 所示。

圖5 移動端遠程控制界面

3 結(jié)論

本設(shè)計首先分析了系統(tǒng)的總體框架，然后分析了物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)自動控制系統(tǒng)的部分軟件和硬件設(shè)計，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢, 時刻觀察溫度、濕度、光照、風速、CO2、大氣壓力、土壤養(yǎng)分等參數(shù)變化，及時調(diào)整控制設(shè)備，可實現(xiàn)遮陽簾、植物生長燈、換氣風扇、加熱、自動澆灌等的全面控制，節(jié)省更多人力資源，提高溫室控制質(zhì)量。