朱婧瑋

（蘭州現(xiàn)代職業(yè)學院，甘肅 蘭州 730300）

0 引言

2020年，農業(yè)農村部、中央網(wǎng)信辦印發(fā)的《數(shù)字農業(yè)農村發(fā)展規(guī)劃（2019—2025年）》提出，到2025年，數(shù)字農業(yè)農村建設取得重要進展，有力支撐數(shù)字鄉(xiāng)村戰(zhàn)略實施[1]。同年，中央一號文件《中共中央 國務院關于抓好“三農”領域重點工作確保如期實現(xiàn)全面小康的意見》發(fā)布，聚焦“三農”工作[2]?！笆奈濉币?guī)劃指出，中國現(xiàn)代化離不開農業(yè)現(xiàn)代化。隨著我國農業(yè)科技化水平的不斷提高，農村改革力度持續(xù)加大，農業(yè)現(xiàn)代化加快推進。

目前，我國鄉(xiāng)村種植行業(yè)普遍存在信息化程度低、農業(yè)生產的硬件設施比較落后等問題，農戶對于作物種植環(huán)境控制不精準，對作物澆水、施肥、收獲等種植方式大多靠傳統(tǒng)經(jīng)驗，數(shù)據(jù)采集不夠精確，也沒有精準的作物管理方案。此外，對突發(fā)的極端天氣、氣象災害無法及時獲取信息，應對速度慢，給農戶帶來了嚴重的經(jīng)濟損失。由于沒有達到精準管控，作物的病蟲害發(fā)病率高，防治困難。

近年來，溫室大棚種植已在我國農業(yè)生產中廣泛使用，其克服了不同地理環(huán)境對農作物生長的影響。但目前大多溫室大棚的管理仍采用人工管理，存在耗費人力、管控不精準、風險無法預估等問題[3-4]。針對上述問題，筆者設計了一種適用于農業(yè)溫室大棚種植的智能化精準管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對農業(yè)溫室大棚的智能管控。

1 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)集移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術于一體，依托農業(yè)生產現(xiàn)場的各種傳感節(jié)點和無線通信網(wǎng)絡進行環(huán)境數(shù)據(jù)采集、傳輸，采用ARM嵌入式系統(tǒng)對采集到的環(huán)境參數(shù)進行精準計算和處理，實現(xiàn)農業(yè)生產環(huán)境的智能感知、分析、預警、決策、調控。系統(tǒng)支持手機端和Web端用戶操作界面，系統(tǒng)每10 min更新采集棚內環(huán)境及棚外天氣變化參數(shù)，并將測試數(shù)據(jù)實時傳遞給農戶，農戶可以方便地通過手機App和Web頁面查看大棚實時環(huán)境數(shù)據(jù)和歷史環(huán)境數(shù)據(jù)。農戶也可在手機端和Web端對大棚現(xiàn)場通風、卷簾、補光等設備進行一鍵遠程控制，操作簡便。當出現(xiàn)極端天氣或大棚環(huán)境出現(xiàn)異常狀況時，系統(tǒng)可向用戶界面發(fā)送文字預警提示，減少災害帶來的風險。該系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構圖

2 系統(tǒng)硬件設計

該系統(tǒng)采用STM32F103C8T6芯片作為系統(tǒng)主控芯片，使用交流220 V供電，內置開關電源，為傳感器、控制電路、顯示模塊、通信模塊等供電。測量電路通過溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器等采集溫室大棚內空氣溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度、光照強度等數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/D轉換后送入STM32芯片進行數(shù)據(jù)處理和計算，處理后的數(shù)據(jù)通過顯示模塊顯示，并通過GPRS通信方式使用MQTT協(xié)議與服務器進行數(shù)據(jù)通信，服務器通過上位機數(shù)據(jù)接收程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)本地化存儲。

2.1 采集模塊設計

采集模塊主要包括對溫室大棚環(huán)境溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度、光照強度的測試?？諝鉁貪穸炔杉瘋鞲衅鬟x用AM2302，采用電容式濕敏元件、標準數(shù)字單總線輸出，采用高精度NTC。土壤溫濕度采集選用建大仁科土壤墑情監(jiān)測專用傳感器，電導率監(jiān)測數(shù)據(jù)可通過RS485轉USB模板上傳到上位機軟件，實現(xiàn)實時監(jiān)控。光照強度數(shù)據(jù)采集采用磁吸式光照傳感器，亮度變送器通過RS485通信，串行Modbus-RTU，四線結構，電源線（紅）、信號地（黑）、RS485-A（黃）、RS485-B（綠）通信信號。CO2數(shù)據(jù)采集選用M702A-485檢測模塊，用RS485總線通信，采用485通信協(xié)議，使用問答方式傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，四線結構，電源5 V，電源地，N/A懸空，TXD數(shù)據(jù)輸出。

2.2 主控模塊設計

該系統(tǒng)采用嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），主控芯片采用STM32F103C8T6，可以合理、有效地利用CPU的資源，簡化應用軟件的設計，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，更好地保證系統(tǒng)的實時性和可靠性[5-6]。選用FreeRTOS迷你實時操作系統(tǒng)內核，功能包括任務管理、時間管理、信號量、消息隊列、內存管理、記錄功能、軟件定時器、協(xié)程等。溫室智能控制機主控模塊內部電路示意圖如圖2所示。

圖2 主控模塊內部電路示意圖

2.3 輸出模塊設計

該系統(tǒng)輸出外設包括卷簾電機、通風電機、補光燈、噴淋設備等，分別設置卷簾開、卷簾關、卷簾停等功能。同時，系統(tǒng)還安裝了卷簾上、下限位器，保障卷簾在開啟和關閉過程中，當卷簾到達上、下極限位置時，機械停止。大棚內設計兩臺通風電機，分別設置通風電機啟動、停止控制。補光設備由主控芯片發(fā)出控制信號，控制啟停。

3 系統(tǒng)軟件設計

該系統(tǒng)軟件整體設計采用C語言，在Keil5.0開發(fā)環(huán)境下進行設計，根據(jù)模塊化、接口化的原則，按照軟件功能對復雜的軟件代碼分模塊進行編寫[7]。系統(tǒng)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/D轉換送入系統(tǒng)控制芯片，用STM32芯片對數(shù)據(jù)進行處理、計算，再通過液晶屏顯示，同時使用有線網(wǎng)絡及GPRS無線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

4 系統(tǒng)上位機開發(fā)

4.1 開發(fā)環(huán)境

該系統(tǒng)上位機通過“Springboot+Vue”進行開發(fā)實現(xiàn)，主要針對農業(yè)溫室智能設備的遠程控制、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、設備管理、預警信息查看及設備運行情況監(jiān)控等進行研發(fā)，以實現(xiàn)溫室大棚卷簾機、通風機的智能化控制、歷史數(shù)據(jù)查看、農事記錄以及考勤管理等功能[8]，該系統(tǒng)支持PC端和手機端（Android）匹配使用。

Web端使用vue、layui、jquery、echarts等前端頁面框架，使用vscode開發(fā)工具進行前端開發(fā)；服務端使用Spingboot+Mybatis-Plus開發(fā)數(shù)據(jù)接口及數(shù)據(jù)持久化層，數(shù)據(jù)庫使用SQL Server 2012；移動端使用原生Java進行應用App的開發(fā)，頁面布局中使用SVG點九圖的方式以更好地適配各種機型，手機端集成MQTTSDK實現(xiàn)對智能設備的遠程控制，集成螢石云SDK實現(xiàn)監(jiān)控畫面的接入，手機端數(shù)據(jù)接口使用.Net平臺C#語言進行開發(fā)。

4.2 技術架構

該系統(tǒng)運用物聯(lián)網(wǎng)技術，通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)溫室大棚卷簾及通風等裝置的自動化控制，利用網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫對溫室環(huán)境小氣候的數(shù)據(jù)進行采集和存儲，便于農業(yè)從業(yè)人員查看歷史數(shù)據(jù)并制定溫室大棚種植精準管控方案。系統(tǒng)技術架構圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)技術架構圖

4.3 運行環(huán)境

該系統(tǒng)支持用戶手機移動端Android 6.0及以上版本操作，Web端須安裝有Windows 7及以上版本的操作系統(tǒng)，且安裝有瀏覽器。

4.4 手機端應用

手機App中有點擊進入設備，設備詳情界面包含溫室大棚六要素的實時數(shù)據(jù)，可以隨時查看。數(shù)據(jù)庫管理服務以SQL Server 2012為載體，并存儲GPRS無線通信模塊上傳的大棚環(huán)境數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)。為了方便查閱和調用，在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建多個表，以保證數(shù)據(jù)庫運行流暢。對查詢效率進行優(yōu)化處理，在采集數(shù)據(jù)表Data中建立索引，并定期將數(shù)據(jù)以二進制封存，減少數(shù)據(jù)庫壓力，提高查詢速度。手機端可對大棚卷簾、通風設備進行遠程控制，對設備的溫室名稱、設備自動控制、預警界限等進行配置；可以查詢設備歷史操作記錄，查看設備運行情況；可通過溫室中安裝的網(wǎng)絡攝像頭，看到溫室環(huán)境監(jiān)控畫面，農戶可直觀地看到遠程操作卷簾和通風設備的情況以及溫室作物的生長情況，做到足不出戶的智能化管理。

4.5 Web端應用

該系統(tǒng)的Web端溫室管理平臺可對多個大棚同時進行管理，可查詢溫室內的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和操作記錄等。監(jiān)控系統(tǒng)的界面設計體現(xiàn)交互性、友好性和靈活性，系統(tǒng)的主界面可查詢大棚內的終端節(jié)點采集的所有數(shù)據(jù)和圖像。環(huán)境調控設備按鈕，可手動開啟或關閉當前大棚的外部設備。該系統(tǒng)設計了用戶管理功能，用戶注冊后可以使用，管理人員可為用戶設置一定的權限，防止數(shù)據(jù)被盜竊、篡改等安全問題出現(xiàn)，系統(tǒng)節(jié)點管理功能也支持單獨查看某一個節(jié)點的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)提供以曲線的方式查看數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)展示模塊每隔10 min刷新一次數(shù)據(jù)，可以直觀地在一個頁面中看到溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，棚內外的實時監(jiān)控情況等。

該系統(tǒng)設計了大棚環(huán)境數(shù)據(jù)超限預警功能和氣象預警功能。當溫室大棚的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)超過環(huán)境預設值時，系統(tǒng)將在手機App端和Web頁面以彈窗的方式做出預警提示，同時對卷簾機、通風設備、加熱設備等進行自動控制，幫助農戶及時發(fā)現(xiàn)大棚環(huán)境變化，科學精準管理大棚環(huán)境。當天氣突發(fā)異常時，系統(tǒng)通過嵌入的氣象預報功能，及時向農戶做出氣象預警，幫助農戶及時發(fā)現(xiàn)異常，對大棚進行保護性操作管理。

5 結論

本系統(tǒng)以STM32嵌入式芯片為核心設計終端節(jié)點和硬件電路，終端節(jié)點電路主要包括STM32F103最小系統(tǒng)、傳感器電路、電源電路、RS485通信電路、繼電器執(zhí)行電路等，通過軟件程序實現(xiàn)了對大棚環(huán)境的分布式精準控制。同時，系統(tǒng)還引入了移動互聯(lián)網(wǎng)技術以及GPRS無線通信技術，通過上位機實現(xiàn)了對棚內環(huán)境的智能遠程監(jiān)控。

系統(tǒng)將農業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)技術結合，構建了“互聯(lián)網(wǎng)+智慧設施”的農業(yè)大棚，其具備如下優(yōu)點：1）農戶可根據(jù)農作物不同種植時期對環(huán)境的要求去設定大棚溫濕度，分段控溫、控濕，精確控制棚內環(huán)境，使作物不受外界環(huán)境影響，增加作物產量。2）自動卷簾溫度控制技術和自動放風溫控技術可減少卷放簾時間，自動調控大棚溫濕度，增加大棚光照時間，提高出苗量，減少病蟲害的發(fā)生，節(jié)約用藥量。3）天氣預警提醒功能可以及時預防惡劣天氣，降低生產風險。4）主控制箱可以實現(xiàn)多個大棚集中控制，包括溫度、放風、卷簾、灌溉、補光等，節(jié)約了人力，提高了工作效率，并切實改善了農村勞動力缺乏的現(xiàn)狀。

總之，基于嵌入式系統(tǒng)的智能農業(yè)溫室大棚管控系統(tǒng)可調控溫室農作物生長環(huán)境，減少種植的人力成本，降低生產風險，尤其能夠提高溫室種植大戶及育苗大戶的人力資源管理水平，推進實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，助力農業(yè)農村現(xiàn)代化[9-10]。堅持因地制宜，遵循農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展規(guī)律，分步驟推進農業(yè)農村現(xiàn)代化進程，深入開展鄉(xiāng)村振興科技支撐，為我國農業(yè)現(xiàn)代化可持續(xù)發(fā)展提供一定的參考和經(jīng)驗。