成世龍，覃 喜

(廣西交通職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530023)

0 引言

21世紀是互聯網時代，時代在進步.在過去的20年，全球農業(yè)的發(fā)展十分迅速，隨著農業(yè)物聯網技術的出現，縱然傳統農業(yè)歷史悠久，但也無法滿足我們現在的生活節(jié)奏.因而，我國農業(yè)領域發(fā)生了翻天覆地的變化，現代智慧物聯網農業(yè)已經逐漸取代傳統農業(yè)的位置，智能農業(yè)正欣欣向榮.在農業(yè)種植應用和溫室大棚中，傳統的人工控制無法適應時代的要求，單片機智能控制系統已漸漸得到廣泛的應用.農業(yè)物聯網將眾多的傳感器作為一系列的監(jiān)控網絡基站，我們可以通過不同類型的傳感器，提煉和獲取我們所需要的信息.隨時隨地監(jiān)測基地，我們就能較為及時的發(fā)現種植過程中所存在的問題，并能提出合適方案，解決農戶難題.農業(yè)也就從最原始的人力、固定機械化的生產模式逐步走向了一條微型化、信息化、自動化的人工智能生產模式的道路.所以，可以通過遠程監(jiān)測、控制的方法完成農產品優(yōu)化，達到高質高產的目的.

近些年來，由于不受空間和時間的限制，溫室大棚技術已經得到越來越多人的青睞.冬天，在北方也可以吃到大量反季節(jié)的蔬菜，不僅僅是城里人養(yǎng)生之道，亦是農民的發(fā)財之道，而只有成熟完備的溫室大棚技術才能成為農民走上脫貧致富道路上的護航者.可是，目前的大棚技術尚未成熟，農業(yè)生產規(guī)模過于小型化，管理方式粗放化，系統設計不全面，實用性不高，無法滿足人民大眾的日常生活需求；如果投入的成本過高，收益過低，農民得不償失；我國疆土遼闊，南北兩邊的生活環(huán)境差異較大，對于所栽種的農作物來說，生存環(huán)境將會是個巨大的挑戰(zhàn).為了解決此類問題，本系統采用了以嵌入式系統為主控制中心的大棚溫室種植遠程控制系統，把各類傳感器放置于大棚內部，比如溫濕度傳感器，氣體傳感器，光傳感器等，不定時的收集大棚中環(huán)境的溫濕度，氣體濃度以及土壤的酸堿程度.此外，監(jiān)控中心如果接收到外部光照過強和室內溫度過低的信號，我們會用提前安置好的保溫層比如卷簾機，適當地降到相應的高度，保證室內維持在一個恒定的溫度，以及避免光照過強所給農作物帶來的傷害，使其健康快速成長.值得一提的是，此次設計中加入了GPRS通信系統，通過遠程監(jiān)控，管理者就可以如有千里眼一般在臺后進行操控，實現了農作物生產的網絡化、智能化、精準化，自動化，很大程度上解放了生產力，高效合理地利用資源，提高經濟效益，能夠減輕我國作為人口大國的壓力，給農民帶來了福音，對物聯網技術的發(fā)展起著一定程度的促進作用.[1]

1 系統原理

本系統針對現在溫室大棚蔬菜技術的現狀，對現有的溫室大棚進行了深度的調查和分析，設計出了一套遠程監(jiān)控系統來監(jiān)測蔬菜大棚內的環(huán)境變化，該系統可以實現多個溫室大棚內部的環(huán)境參數進行實時監(jiān)控，并做出調整或通知用戶，用戶可以通過遠程控制軟件實時對多個大棚進行實時監(jiān)控和管理.

圖1 系統結構圖

2 硬件設計

系統的硬件部分主要由數據采集系統、無線通信系統、嵌入式主控系統、大棚環(huán)境調節(jié)系統構成，其中數據采集系統主要由單片機結合傳感器組成，主要負責感知溫室大棚中的溫濕度、光照情況；而無線通信系統則采用NRF24L01模塊，該模塊在2.4～2.5 G的ISM頻段工作，可以方便與各種嵌入式控制板進行組合完成無線數據傳輸的工作；嵌入式主控板則負責接收各個無線傳輸模塊的數據，經過壓縮處理后通過Internet網絡傳輸至云服務器，同時還將服務器下發(fā)的命令進行解析并執(zhí)行對應的控制動作.[2]譬如：當大棚內部溫度明顯升高時，溫度感應器接受已經達到甚至是超出到預設的最高溫度時，它會把這一危險信號傳給嵌入式主控核心板上，嵌入式主板獲取這一信號后，立即分析處理，及時打開排風的開關，進行散熱降溫操作.與此同時，利用了系統中的激光掃描儀、濕度傳感器、pH酸堿度傳感器等裝置收集土壤中信息，然后利用科技人員在智能系統中設置的優(yōu)化技術獲得最佳的決策，制定合理的方案，來滿足農作物的生長需求.本系統的硬件組成結構如圖2所示.

圖2 系統硬件組成結構圖

大棚終端數據收集模塊包括了STC12C4052AD單片機、光照強度、土壤濕度、空氣溫濕度、CO2濃度傳感器、GPRS通信模塊和太陽能供電系統.大棚數據收集板主要是收集大棚內部的各類信息，比如說光照強度、土壤濕度、空氣溫濕度、CO2濃度，可以定時不定點地采取多方位的數據，然后將數據傳達給大棚控制板.同時，大棚終端數據收集模塊把兩個數據收集板上傳的信息統一處理，送達云服務端.該模塊是重要的中轉站，它負責云服務端和各個大棚之間的連接，保證信息的正常傳遞.[3]大棚采集板硬件組成結構見圖3.

圖3 大棚采集板硬件組成結構圖

3 軟件設計

在設計之前主要從人力資源和管理監(jiān)控兩個方面考慮：一方面，在農業(yè)生產中，對某些周期較長，生長緩慢的植物，如果使用人工實時監(jiān)測，那就會導致大量的時間損耗以及人工的不準確性所帶來的誤差.而對于傳統監(jiān)控工藝來說，使用本地工控機監(jiān)控在一定程度上還是無法完全擺脫人工監(jiān)控的困境.另一方面，由于農產業(yè)布局廣泛而分散，勢必會給管理工作者造成工作上的困難，比如無法對所有產業(yè)進行及時有效的動態(tài)追蹤與合理監(jiān)控，此外，如果所有產業(yè)都采取人工監(jiān)控的形式也會造成人力資源成本的浪費.因此，對農產業(yè)的監(jiān)控系統應采取遠程的互聯網監(jiān)控模式，而服務器在這個系統中就充當了互聯網的中心地位，還可以滿足遠程監(jiān)控、管理便捷、節(jié)省人力資源等需求.[4]

該系統整體由四個部分組成，包括服務器軟件、終端采集板、大棚主控制板和采集板.

服務器的軟件使用中移動物聯網開放平臺所提供的工具進行開發(fā)設計，溫室大棚的主控制板與云服務器采用TCP透傳的方式進行通信，該方式可以快速地響應APP端及數據服務器的各項請求.云端服務器的網卡通過與大棚終端采集板的信息傳遞，得到溫室大棚內的具體環(huán)境變量的數據并按照實際需要或者是以人為意志對大棚施加反饋，控制相應的設備運作起來，進行控制，以實現溫室大棚內部設施的智能控制和環(huán)境的合理優(yōu)化.與此同時，傳感器所采集到信息諸如溫度、濕度等參數信息均被保存起來，作為備案，為后期查詢做好準備工作.下面是用戶端部分控制界面如圖4所示.

圖4 用戶端部分控制界面

系統主控板采用的是基于Cortex-M3內核的單片機進行設計開發(fā)，故采用KEIL MDK環(huán)境進行軟件開發(fā)，采用的是官方提供的ST集成庫，極大地縮短了開發(fā)者的開發(fā)周期.當主控板接收到大棚數據采集終端上傳的數據時，第一時間是要確認數據的發(fā)送位置來自哪個大棚，這個工作是通過獲取寄存器的值來完成的.

通常在無線網絡通信模塊中，MAC地址的差異是區(qū)分各個模塊的重要依據，也就是說想要實現該監(jiān)控系統的預期功能即雙方向多通道接收傳送數據，主控制系統需要通過分析MAC地址來判斷數據是由那個大棚發(fā)出的，反過來，主控制系統根據實際需求調節(jié)大棚內設備工作時，也是通過MAC地址的區(qū)別來實現具體控制某一個大棚.主控制板程序流程圖如圖5所示.

圖5 主控制板程序流程圖

該系統的大棚控制板和采集板是通過程序控制的，具體操作是在Keil開發(fā)環(huán)境下單片機C程序完成的，控制程序比較簡單，分兩部分，一方面是搜集大棚內傳感器參數，另一方面是將數據發(fā)送出去.

4 系統創(chuàng)新設計

該系統的創(chuàng)新主要體現：

(1)系統利用無線通信模塊組成小型局域網，省去了現場布線，使用方便；

(2)主控制系統使用簡潔，實時性好，并且可以跨平臺數據共享，既可以在PC端進行監(jiān)控數據，也可以在移動端進行監(jiān)控；

(3)所得數據可以存儲，方便以后提取和查詢.

5 測試結果分析

經過具體實地調查之后，把該遠程監(jiān)控系統布局到實際應用中，通過一段時間的測試，觀察記錄下通過傳感器所搜集到的各項指標參數，并記錄下各個模塊的性能.

大棚采集板采用單晶太陽能板、超級電容及鋰電池組合供電，所以在需要考慮其低功耗的工作方式，大棚采集板實測工作電壓為3.27 V，休眠時，靜態(tài)電流為0.5 mA，發(fā)送數據時，其峰值電流為25 mA.其具體功耗如表1所示.

表1 數據采集板功耗數據

采集板正常工作30天后，連續(xù)48小時監(jiān)測鋰電池的電壓情況如圖 6所示.

圖6 鋰電池的電壓變化圖

經過長時間的測試，整個供電系統能夠實現充放電循環(huán)，鋰電池的電壓未出現虧電狀況，為采集板的工作穩(wěn)定性提供了保障.

無線數據傳輸模塊之間通信速率為1 Mbps,發(fā)射功率1 mW,32字節(jié)長度的數據包，并開啟CRC校驗，其通信距離與傳輸數據包的準確率關系見表2.

表2 傳輸距離與傳輸準確率關系

嵌入式主機通過4 G GPRS模塊傳輸至云服務器端，既要實現數據的遠程監(jiān)測，也要實現設備的遠程的控制，所以在傳輸命令的響應速度上也有一定的要求.其主要命令相應速度如表3所示.

表3 命令傳輸響應時間

6 結語

溫室大棚種植技術正在蓬勃發(fā)展，形勢大好.本文分析了我國溫室大棚監(jiān)控系統的研究現狀，設計了一套基于物聯網的智能農業(yè)生產遠程監(jiān)控管理系統.隨著科學技術水平的飛速發(fā)展，城鄉(xiāng)一體化建設的穩(wěn)步推進，人工智能技術的日趨成熟與廣泛應用，現代智能農業(yè)系統也應時而生.本文以物聯網發(fā)展為背景，對農業(yè)物聯網的發(fā)展趨勢做出了分析，檢測農作物在環(huán)境中的多項生存因素，為現代農業(yè)生產作了充足的科學管理準備，保證了農作物的正常生長生產，并在一定程度上促進了農業(yè)的智能發(fā)展.

該系統在現代農業(yè)中融入物聯網技術，將自動控制系統與現代農業(yè)設施相結合，通過采集溫室大棚中的光照度、溫濕度等環(huán)境參數，然后結合物聯網技術將采集信息上傳至服務器端，從而實現遠程云服務端的存儲和監(jiān)控.系統功能測試結果良好，可以幫助農戶提高農產品的質量，增加農產品的產量，節(jié)省人力資源和水土資源，形成生態(tài)友好型的大棚經濟，是目前農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一種趨勢.因此，在農業(yè)經濟發(fā)展上具有一定的推廣價值.