劉 燦，朱曉坤，丁 奇，邢康慧，伍 剛

（西安工程大學 理學院，西安 710048）

近年來，隨著全球氣候異常多變和農(nóng)產(chǎn)品需求的快速增長，國內(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的人工管理階段[1]，隨著科技的不斷發(fā)展，國家對新農(nóng)村建設投入的力度也越來越大。

本文設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，解決人工管理費時費力等問題，能大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，減少資源浪費和環(huán)境污染，幫助農(nóng)民提高收益，為促進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供技術(shù)支撐的同時帶動新農(nóng)村的改革建設[2]。

1 系統(tǒng)整體設計

智能大棚生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的設計采用“感知—傳輸—應用”模式[3]。大棚監(jiān)測終端實時采集大棚內(nèi)的CO2氣體含量、氣溫、土壤濕度和pH及光照強度等數(shù)據(jù)并上傳至云平臺，云平臺會對這些數(shù)據(jù)進行分析并根據(jù)實際情況發(fā)布指令，再通過物聯(lián)網(wǎng)關(guān)及無線傳感網(wǎng)絡將這些指令發(fā)布到各個農(nóng)業(yè)設備的控制節(jié)點上進而控制對農(nóng)作物的灌溉、施肥、遮光、補光及通風等操作，同時管理人員也可遠程對大棚內(nèi)的環(huán)境情況實時觀測及對監(jiān)測終端下發(fā)指令，以實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)的全天候監(jiān)測、標準化種植和智能化管理，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，減少資源浪費和環(huán)境污染，智能大棚系統(tǒng)總體設計如圖1所示。氣象監(jiān)測模塊和土壤監(jiān)測模塊實時采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)，通過NB-IoT網(wǎng)絡傳輸至騰訊云平臺，云平臺分析處理后，通過NB-IoT網(wǎng)絡下達調(diào)控指令至氣象調(diào)控模塊和土壤調(diào)控模塊，來完成對農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的生長環(huán)境調(diào)控。

圖1 系統(tǒng)總體設計

2 數(shù)據(jù)采集

吳曉斌[4]將NB-IoT技術(shù)應用于窨井蓋及井下工況遠程監(jiān)控，NB-IoT技術(shù)具有功耗低、覆蓋面廣等特點，提高了區(qū)域覆蓋能力，解決了農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測設備安裝較為廣泛不易監(jiān)控的問題，且其功耗低的特點使得一塊5 Wh的電池可以供終端使用長達10 a的時間（理論層面），滿足智能農(nóng)業(yè)大棚的監(jiān)測終端常年處于溫熱潮濕的惡劣環(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)測模塊和土壤檢測模塊完成，監(jiān)測模塊和云平臺通過NB-IoT網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)測模塊由空氣溫度傳感器、空氣溫度傳感器、光照強度傳感器、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。實時監(jiān)測溫室大棚內(nèi)部的空氣溫濕度、光照強度、CO2氣體含量和土壤濕度及pH等數(shù)據(jù)。該模塊主要負責大棚內(nèi)部生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和傳輸。土壤監(jiān)測模塊架構(gòu)如圖2所示，氣象監(jiān)測模塊架構(gòu)如圖3所示。

圖2 土壤監(jiān)測模塊

圖3 氣象監(jiān)測模塊

3 云平臺

騰訊云云服務器可以在智能移動終端上隨時隨地對環(huán)境進行遠程調(diào)控[5]。智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)云平臺基于騰訊云云開發(fā)設計，預先在云端建立已知農(nóng)作物的最佳生長環(huán)境相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，如圖4所示。在農(nóng)作物參數(shù)菜單頁內(nèi)可以添加不同農(nóng)作物的生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)，根據(jù)實際農(nóng)作物適宜的生長環(huán)境設置如溫度、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)的后臺數(shù)據(jù)庫。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)測標準，通過對農(nóng)作物生長的環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集、上傳之后，云平臺會對這些數(shù)據(jù)進行分析處理，并根據(jù)實際情況對環(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)測情況如圖5所示。

圖4 云平臺數(shù)據(jù)庫

圖5 農(nóng)作物生長環(huán)境監(jiān)測情況

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)控模塊和云平臺通過NB-IoT網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。土壤調(diào)控模塊依據(jù)云平臺的調(diào)控指令對不同作物生長需求進行滴澆灌溉和施肥處理，改變土壤的溫濕度和酸堿度，以達到最適合農(nóng)作物生長的土壤環(huán)境；氣象調(diào)控模塊依據(jù)云平臺的調(diào)控指令對不同作物生長需求進行加濕、通風和補光等處理，改變空氣的溫濕度，CO2氣體含量和光照強度，以達到最適合農(nóng)作物生長的氣候環(huán)境。土壤調(diào)控模塊和氣象調(diào)控模塊依據(jù)云平臺的調(diào)控指令可以實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境的實時調(diào)控，能大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，減少資源浪費和環(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

文中設計了一種智能農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，包括氣象監(jiān)測模塊、土壤監(jiān)測模塊、云平臺、氣象調(diào)控模塊和土壤調(diào)控模塊。監(jiān)測模塊實時采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)農(nóng)作物的生長環(huán)境參數(shù)并傳輸數(shù)據(jù)至云平臺，云平臺根據(jù)預先選擇的農(nóng)作物的生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)標準，對監(jiān)測模塊傳輸來的數(shù)據(jù)進行分析處理后，對不適宜相應農(nóng)作物生長的環(huán)境下達調(diào)控指令，調(diào)控模塊接收到來自云平臺的調(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，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全天候監(jiān)測、標準化種植和智能化管理，大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，減少資源浪費和環(huán)境污染。