摘要：我國農(nóng)業(yè)正面臨勞動力短缺、農(nóng)業(yè)用地減少等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式因其效率低下，已難以滿足現(xiàn)代社會的需求。為此，文章設(shè)計了一種基于嵌入式處理器和多傳感器的智慧農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照等關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。系統(tǒng)支持手動和智能控制兩種模式，可遠(yuǎn)程控制照明燈等設(shè)備，實現(xiàn)對大棚環(huán)境的智能化管理。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；嵌入式系統(tǒng)；多傳感器；環(huán)境監(jiān)測；遠(yuǎn)程控制

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）23-0133-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

作為農(nóng)業(yè)大國，中國在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展過程中取得了顯著成就，但同時也面臨著勞動力老齡化、農(nóng)業(yè)用地減少等挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式難以滿足現(xiàn)代社會需求，亟須向信息化、智能化方向轉(zhuǎn)型升級。隨著信息技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)逐漸成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向。智慧農(nóng)業(yè)通過集成物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化、自動化和精細(xì)化。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測農(nóng)田環(huán)境參數(shù)，精準(zhǔn)控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量，減少資源浪費和環(huán)境污染。嵌入式處理器具有體積小、功耗低、成本低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，非常適合用于智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集、處理和控制任務(wù)。通過嵌入式處理器的應(yīng)用，可以實現(xiàn)對農(nóng)田環(huán)境的實時監(jiān)測和智能控制，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準(zhǔn)性和效率。多傳感器系統(tǒng)能夠全面監(jiān)測農(nóng)田環(huán)境中的各種參數(shù)，如土壤濕度、溫度、光照強(qiáng)度、氣象條件等，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。通過多傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用，可以實現(xiàn)對農(nóng)田環(huán)境的全方位監(jiān)測和精準(zhǔn)控制，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)性和智能化水平。通過減少農(nóng)藥和化肥的使用量，可以降低對環(huán)境的污染和破壞，提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和安全性[1]。

智慧農(nóng)業(yè)通過集成物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化、自動化和精細(xì)化，為解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)面臨的困境提供了有效途徑。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對智慧農(nóng)業(yè)進(jìn)行了廣泛研究，開發(fā)了各種類型的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。然而，現(xiàn)有系統(tǒng)大多存在成本高、功耗大、部署困難等問題，難以滿足大規(guī)模應(yīng)用需求。針對上述問題，本文設(shè)計了一種基于嵌入式處理器和多傳感器的智慧農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用低功耗嵌入式處理器作為核心控制單元，集成多種傳感器，能夠?qū)崟r采集大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照等關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，實現(xiàn)對大棚環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測和智能控制。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸

數(shù)據(jù)采集與傳輸是智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其主要功能是實時采集大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并將其傳輸至云平臺進(jìn)行處理和分析。本系統(tǒng)采用嵌入式處理器作為數(shù)據(jù)采集和控制的核心，并通過多種傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)[2]。

數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)是實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)智能化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)采集協(xié)議，制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集協(xié)議，確保各傳感器與嵌入式處理器之間的數(shù)據(jù)通信順暢；對于數(shù)據(jù)的預(yù)處理，主要采用去噪、濾波與校準(zhǔn)等方式來進(jìn)行，主要目標(biāo)是提升數(shù)據(jù)信息的可靠性與準(zhǔn)確性；數(shù)據(jù)融合與分析，將多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，提取有用信息，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供決策支持。

1.1.1 嵌入式處理器

本系統(tǒng)采用中嵌AMKN8616G嵌入式處理器作為主控芯片，該處理器是智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的核心控制單元，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理以及控制指令的發(fā)出[3]。嵌入式處理器作為智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的中樞，其關(guān)鍵技術(shù)涵蓋以下幾個方面：低功耗設(shè)計，鑒于智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)常部署于野外環(huán)境，對能耗有嚴(yán)格要求，因此嵌入式處理器需采用低功耗設(shè)計，以延長系統(tǒng)的工作時間；高性能運算能力，為實現(xiàn)對大量傳感器數(shù)據(jù)的實時處理與分析，嵌入式處理器需具備高性能的運算能力；穩(wěn)定性與可靠性，鑒于農(nóng)業(yè)環(huán)境的復(fù)雜多變性，嵌入式處理器必須能在各種惡劣條件下穩(wěn)定運行，確保系統(tǒng)整體的可靠性和穩(wěn)定性。

1.1.2 傳感器

本系統(tǒng)采用天合環(huán)境（TH-B4B） 與建大仁科（GZ-SHY-1） 的多傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)是智慧農(nóng)業(yè)的重要組成部分，用于實時監(jiān)測農(nóng)田環(huán)境中的各項參數(shù)[4]。多傳感器系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：多樣化傳感器類型，涵蓋土壤濕度傳感器、溫度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、氣象傳感器等，以實現(xiàn)對農(nóng)田環(huán)境的全面監(jiān)測；高精度測量能力，傳感器需具備高精度的測量能力，以確保所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性；抗干擾能力，鑒于農(nóng)業(yè)環(huán)境中存在多種干擾因素，傳感器需具備強(qiáng)大的抗干擾能力，以保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。

1.2 云平臺設(shè)計

智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)云平臺采用Java Web、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等先進(jìn)技術(shù)。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)云平臺需要存儲大量的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括環(huán)境參數(shù)、作物生長信息、設(shè)備狀態(tài)等[5]。本智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)采用MongoDB非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來存儲這些數(shù)據(jù)。在Java Web開發(fā)中，可以使用JDBC、JPA、MyBatis等ORM框架來簡化數(shù)據(jù)庫操作，提高開發(fā)效率。

智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)云平臺需要與各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行集成，如傳感器、控制器、執(zhí)行器等。這些設(shè)備通過無線通信技術(shù)與云平臺進(jìn)行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集和傳輸。在Java Web開發(fā)中，可以通過編寫相應(yīng)的接口和協(xié)議來處理物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)云平臺需要對采集到的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，以提取有價值的信息和規(guī)律。這通常需要借助大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，如Hadoop、Spark等。在Java Web開發(fā)中，可以集成這些大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過編寫數(shù)據(jù)分析算法和模型，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準(zhǔn)的決策支持。

2 系統(tǒng)需求分析

2.1 系統(tǒng)開發(fā)可行性分析

在開發(fā)信息管理系統(tǒng)時，可行性分析是首要任務(wù)。對于本智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，分析主要圍繞操作可行性、技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)可行性三個方面展開：

1） 技術(shù)可行性分析。對于智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，日常溫度、濕度等參數(shù)的采集采用當(dāng)今成熟的各類傳感器，將傳感器組成網(wǎng)絡(luò)，通過ZigBee技術(shù)進(jìn)行傳輸，業(yè)務(wù)監(jiān)控采用采集的技術(shù)體系架構(gòu)為Java EE，系統(tǒng)實現(xiàn)的業(yè)務(wù)主要分為數(shù)據(jù)服務(wù)層、表現(xiàn)層及業(yè)務(wù)邏輯層，Java EE用于實現(xiàn)三層體系架構(gòu)的技術(shù)非常成熟，代碼總體表現(xiàn)邏輯性強(qiáng)，針對業(yè)務(wù)實現(xiàn)的代碼具備良好的可移植性，可以根據(jù)業(yè)務(wù)的最新需求進(jìn)行更新與升級，總體系統(tǒng)技術(shù)成熟，從技術(shù)角度上是可行的。

2） 經(jīng)濟(jì)可行性。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和群眾生活質(zhì)量的提升，對綠色蔬菜、綠色農(nóng)業(yè)的需求日益增長。各類農(nóng)業(yè)合作社、農(nóng)產(chǎn)品公司迫切需要智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)以確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實時監(jiān)控。結(jié)合智慧農(nóng)業(yè)業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢，系統(tǒng)改進(jìn)與開發(fā)具備良好的投入產(chǎn)出比，經(jīng)濟(jì)可行性高。

3） 操作可行性。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的操作對于農(nóng)業(yè)合作社、食品公司等工作人員而言并不陌生，他們已具備相關(guān)操作經(jīng)驗。只需對新開發(fā)的業(yè)務(wù)功能進(jìn)行簡單培訓(xùn)，即可上手操作。因此，從操作角度看，系統(tǒng)開發(fā)同樣可行。

綜上而言，智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)及操作上都是可行性的。

2.2 系統(tǒng)功能分析

在整個智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)之中，整個需求分析階段中需要結(jié)合具體的使用場景進(jìn)行分析與確定，核心的功能有異常報警、數(shù)據(jù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制。對于這些功能，主要采用用例圖來闡述系統(tǒng)的功能，具體如圖1所示。

在智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)之中，各類監(jiān)控信息來源主要通過采集的方式獲取，包括溫度、濕度、水分、光照等參數(shù)信息，為后續(xù)農(nóng)作物的順利生長奠定良好的基礎(chǔ)。

在整個智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計之中，各個模塊對于業(yè)務(wù)的處理時間應(yīng)滿足用戶的操作需求，整個業(yè)務(wù)模塊的平均處理時間應(yīng)在3s以內(nèi)；對于設(shè)備的遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)統(tǒng)計時間最長不應(yīng)超過5s，為用戶提供良好的用戶體驗。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

隨著技術(shù)的快速發(fā)展，作為全新的信息獲取與處理方式的物聯(lián)網(wǎng)用于農(nóng)業(yè)的研究之中，有效提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。在農(nóng)作物的生長環(huán)境之中，進(jìn)行大量傳感器的部署，主要包括傳感節(jié)點與普通節(jié)點兩個部分，這些節(jié)點通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接起來。

本系統(tǒng)采用三層架構(gòu)設(shè)計，包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖2所示。

感知層：主要對農(nóng)作物的生長環(huán)境的各類參數(shù)信息進(jìn)行獲取，包括空氣中的濕度與溫度信息、光照信息、光照信息等，這些數(shù)據(jù)信息主要通過專業(yè)的傳感器獲取。傳感器對這些數(shù)據(jù)信息實時獲取之后進(jìn)行發(fā)送，傳送到ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點上。

網(wǎng)絡(luò)層：各個傳感器獲取數(shù)據(jù)信息之后，通過網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送到系統(tǒng)的應(yīng)用中，主要通過無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，傳感器分為不同的節(jié)點進(jìn)行部署，節(jié)點之間能夠任意監(jiān)控、互不干擾及任意監(jiān)控，滿足數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)男枰?/p>

應(yīng)用層：是智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的核心功能層，可以對各類傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實時監(jiān)控。應(yīng)用層能夠?qū)@些參數(shù)信息進(jìn)行分析，根據(jù)設(shè)置的閾值等數(shù)據(jù)，進(jìn)行自動報警與設(shè)備聯(lián)動控制，完成降溫補(bǔ)光、自動灌溉等操作，提升整個系統(tǒng)的信息化水平。日常各類存儲與管理的數(shù)據(jù)信息主要通過MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲與分析。

3.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

在智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)信息的主要獲取途徑是通過各類傳感器進(jìn)行信息采集。信息采集方式分為自動采集與人工采集兩種。其中，自動采集以其高效性著稱，主要依賴于部署的各種類別傳感器，這些傳感器能夠自動地收集業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息，并即時將采集到的數(shù)據(jù)入庫，以滿足后續(xù)智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控操作的需求。除自動采集外，數(shù)據(jù)信息還可通過人工采集方式獲得，這通常由工作人員在現(xiàn)場進(jìn)行，包括記錄農(nóng)作物的生長狀態(tài)等方面的內(nèi)容。

在整個智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)之中，數(shù)據(jù)信息的采集是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，后期的數(shù)據(jù)應(yīng)用、自動報警、系統(tǒng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制都是基于這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行操作，因此需要通過物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)設(shè)備完成數(shù)據(jù)信息格式的設(shè)置，具體采集數(shù)據(jù)信息的相關(guān)設(shè)備與采集內(nèi)容如表1所示。

智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，農(nóng)作物生長狀態(tài)管理功能允許用戶通過PC端瀏覽查看各類傳感器信息，并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制等操作。當(dāng)傳感器監(jiān)測到的水分、濕度、溫度等參數(shù)不符合農(nóng)作物生長需求時，系統(tǒng)將自動觸發(fā)遠(yuǎn)程報警。

系統(tǒng)日常還需對連入的各類物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)異常，將即時傳輸報警數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)接收到報警信息后，將啟動業(yè)務(wù)邏輯程序進(jìn)行響應(yīng)與處理，并調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫連接，以更新對應(yīng)數(shù)據(jù)庫表格中的信息。數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)信息涵蓋溫度、濕度、光照、PH值、二氧化碳濃度等多個方面。根據(jù)用戶的設(shè)置，系統(tǒng)能夠繪制出相關(guān)的分析曲線，為用戶提供直觀的數(shù)據(jù)展示。同時，用戶也能通過系統(tǒng)對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

4 結(jié)束語

本文主要闡述了智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)過程，該系統(tǒng)通過集成多傳感器網(wǎng)絡(luò)與嵌入式處理器，實現(xiàn)了對生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，顯著提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的管理效率。未來，我們將繼續(xù)對系統(tǒng)的使用過程進(jìn)行監(jiān)測與優(yōu)化，以期進(jìn)一步推動農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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