季文文

（銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 貴州省銅仁市 554300）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，同時(shí)也是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中的一項(xiàng)基礎(chǔ)項(xiàng)目。在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，已經(jīng)融入了眾多的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠通過在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場中布置的各項(xiàng)傳感器來收集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的種植環(huán)境、溫度、濕度、光照等數(shù)據(jù)信息，建立監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控與管理，輔助現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)過程，為現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)制定決策，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的精準(zhǔn)化與可視化種植管理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠促進(jìn)我國的農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，為我國的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)提供生產(chǎn)理念以及條件，具有重要的研究與推廣意義。傳統(tǒng)的農(nóng)田系統(tǒng)監(jiān)測中，在測量環(huán)境溫度時(shí)，多數(shù)是使用水銀式溫度計(jì)與機(jī)械式濕度計(jì)來測量農(nóng)田內(nèi)的溫度與濕度。這種傳統(tǒng)的測量方式存在著測量準(zhǔn)確度低，測量時(shí)間長的問題，在農(nóng)田的生產(chǎn)過程中，會浪費(fèi)大量的人力物力以及時(shí)間，為農(nóng)田的生產(chǎn)效率產(chǎn)生了眾多的限制。我國的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的在近些年得到了迅猛的發(fā)展，也廣泛的應(yīng)用在了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)過程當(dāng)中，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠極大地提升生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)全程的精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)控制與管理，為我國的農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型提供幫助。我國農(nóng)作物產(chǎn)品多樣，不同地區(qū)的農(nóng)作物生長環(huán)境差別較大，如山地，氣候變化大，地形復(fù)雜。如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集和傳輸仍是當(dāng)下一個(gè)重要的問題。本文結(jié)合我國當(dāng)前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況，利用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的優(yōu)勢，采用目前流行的具有傳輸距離遠(yuǎn)、低功耗等優(yōu)點(diǎn)的NB-IOT技術(shù)，探究設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)出一套結(jié)合了智能監(jiān)測、智能決策以及實(shí)時(shí)控制技術(shù)的智能農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。

1 智能農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)功能以及需求分析

1.1 環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)收集

智能農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不僅要實(shí)時(shí)地收集農(nóng)田內(nèi)的溫度、濕度以及光照強(qiáng)度，同時(shí)也要對農(nóng)田內(nèi)的土壤濕度、土壤含水量、土壤養(yǎng)分以及二氧化碳含量等進(jìn)行采集，將各項(xiàng)數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)的顯示器中。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)使用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸線技術(shù)，將傳感器連接到無線網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)田的全程聯(lián)網(wǎng)[1]。

1.2 智能控制生產(chǎn)設(shè)備

在智能農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中要監(jiān)控農(nóng)田中的各項(xiàng)生產(chǎn)設(shè)備，系統(tǒng)能夠根據(jù)農(nóng)田內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)以及設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)所設(shè)定的參數(shù)來進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備的智能化控制，可以用來調(diào)節(jié)農(nóng)田土壤內(nèi)濕度以及土壤養(yǎng)分，實(shí)現(xiàn)自動灌溉與施肥。例如針對于智能農(nóng)田可以自動地控制農(nóng)田中的各項(xiàng)設(shè)備，當(dāng)農(nóng)田內(nèi)的溫度濕度以及光照不適應(yīng)農(nóng)作物生長時(shí)，系統(tǒng)就能夠?qū)?dāng)前農(nóng)田內(nèi)的環(huán)境溫度與系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境濕度光照等參數(shù)進(jìn)行對比，自動地調(diào)整農(nóng)田內(nèi)的溫度，濕度以及光照等因素，來滿足農(nóng)作物的生長需求，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田的全程自動化智能化管理。

1.3 系統(tǒng)軟件平臺

系統(tǒng)軟件平臺主要是滿足用戶的權(quán)限設(shè)置，獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及分析病蟲害等需求。操作人員在登錄系統(tǒng)時(shí)，能夠給不同的操作人員賦予不同的操作權(quán)限，使系統(tǒng)的主要管理人員能夠擁有全部的管理權(quán)限。用戶通過系統(tǒng)能夠觀察到農(nóng)作物的生長環(huán)境，將生長過程中的溫濕度及光照強(qiáng)度直觀的顯示出來。另外還能系統(tǒng)能夠觀察農(nóng)田內(nèi)的作物生長情況，診斷作物是否遭受病蟲害，并為管理人員提供預(yù)警，使用正確的方式對病蟲害進(jìn)行防控。

2 智能農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

智能農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測農(nóng)田中的溫度濕度以及土壤環(huán)境等數(shù)據(jù)。也能夠全天候的監(jiān)控農(nóng)田內(nèi)的工作人員出入情況以及農(nóng)作物的生長狀態(tài)，通過數(shù)據(jù)分析與對比，自動地進(jìn)行灌溉與告警提示，通過網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的智能農(nóng)田實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的邏輯層面中，能夠?qū)⒄麄€(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)層面。分別為感知層，傳輸層與應(yīng)用層，感知層負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)獲取前端的感知信息，通過利用設(shè)置在農(nóng)田中的各項(xiàng)傳感器，來實(shí)時(shí)的監(jiān)測農(nóng)田中的大氣與土壤環(huán)境。傳輸層能夠?qū)@得的各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)，通過NBIOT網(wǎng)絡(luò)上傳到數(shù)據(jù)處理中心[2]。應(yīng)用層能夠收集并處理接收到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，結(jié)合傳感器所收集的大氣與土壤信息來自動的控制水泵，進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，也能夠處理視頻信息與多種信息來生成農(nóng)田監(jiān)測報(bào)告，將收集到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行對比，生成告警提示（如圖1所示）。整體的智能農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)由農(nóng)田環(huán)境感知系統(tǒng)、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理中心4個(gè)系統(tǒng)所組成[3]。農(nóng)田環(huán)境感知系統(tǒng)使用了新型的傳感器，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測農(nóng)田中的空氣濕度、環(huán)境溫度、二氧化碳含量以及光照強(qiáng)度等信息，也能夠監(jiān)測農(nóng)田內(nèi)土壤的濕度，以及土壤中的pH值等參數(shù)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用了高清監(jiān)控設(shè)備，來對農(nóng)田環(huán)境進(jìn)行全天候的監(jiān)控。在智能農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)使用了先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)使用了NBIOT網(wǎng)絡(luò)，將傳感器收集到的所有數(shù)據(jù)，通過NB-IOT核心網(wǎng)絡(luò)上傳到數(shù)據(jù)中心，并且由數(shù)據(jù)中心集中地進(jìn)行處理與反饋。用戶可以使用移動終端能夠?qū)崟r(shí)地訪問數(shù)據(jù)中心，并且控制整體的農(nóng)田生產(chǎn)情況。

圖1

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

智能農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的監(jiān)控系統(tǒng)使用了WSN技術(shù)的信息采集功能，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過上傳與處理數(shù)據(jù)[4]，來實(shí)時(shí)的監(jiān)控農(nóng)田中的溫度、濕度以及光照強(qiáng)度與土壤信息等參數(shù)。無線數(shù)據(jù)傳輸平臺使用了NB-IOT技術(shù)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳播。生產(chǎn)監(jiān)控管理平臺主要使用了數(shù)據(jù)監(jiān)控，數(shù)據(jù)分析以及參數(shù)設(shè)置等功能。

3.2 空氣濕度與溫度傳感器

智能農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的空氣濕度溫度傳感器使用的是集成電路芯片，測量的準(zhǔn)確度與靈敏度都很高。上述傳感器使用的信息傳輸方式是NB-IOT無線傳輸方式，這種傳輸方式具有非常廣的數(shù)據(jù)傳輸距離，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離的信息數(shù)據(jù)傳遞，系統(tǒng)通過傳感器收集的空氣溫度與濕度數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)處理中心來分析結(jié)果，當(dāng)農(nóng)田內(nèi)的溫度過高時(shí)，系統(tǒng)會控制農(nóng)田中的排風(fēng)設(shè)備來降低空氣中的溫度，當(dāng)農(nóng)田內(nèi)的空氣濕度過低時(shí)，能夠控制農(nóng)田內(nèi)的加濕設(shè)備來增加空氣中的濕度.

3.3 二氧化碳含量傳感器

在智能農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中使用CO2含量傳感器，能夠適時(shí)的檢測農(nóng)田中的CO2含量。這種傳感器的靈敏度非常高，并且測量結(jié)果準(zhǔn)確。一旦傳感器檢測到農(nóng)田中的CO2含量超標(biāo)時(shí)，就可以自動的起動農(nóng)田內(nèi)的排風(fēng)設(shè)備，降低農(nóng)田內(nèi)的CO2含量[5]。

3.4 光照強(qiáng)度傳感器

主要利用光敏元件能夠?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)換為電信號的原理，將電信號上傳到系統(tǒng)中，分析電信號中蘊(yùn)含的光照強(qiáng)度，當(dāng)農(nóng)田中的光照強(qiáng)度超過了預(yù)設(shè)值時(shí)，能夠自動的控制農(nóng)田中的遮陽設(shè)備降低作物受到的光照，減少農(nóng)作物受到的光照強(qiáng)度。

3.5 軟件設(shè)計(jì)

在開發(fā)智能農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)時(shí)，使用Eclipse作為開發(fā)平臺，使用Java語言來開發(fā)系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件使用B/S架構(gòu)，設(shè)計(jì)了三層結(jié)構(gòu)的用戶工作界面模式，主要由www瀏覽器、Brower、server構(gòu)成，使用B/S架構(gòu)，能夠?qū)⑾到y(tǒng)中的所有業(yè)務(wù)管理功能都在服務(wù)器中進(jìn)行集中，能夠簡化系統(tǒng)的使用流程。瀏覽器能夠通過Web來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，簡化電腦的運(yùn)行負(fù)載，也能降低開發(fā)與使用的成本[6]。

3.6 前臺管理模塊

智能農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的前臺管理模塊是能夠正常使用登錄系統(tǒng)的基礎(chǔ)。前臺管理模塊能夠?qū)崿F(xiàn)用戶的快速登錄、查詢信息、瀏覽網(wǎng)頁，也能夠收集農(nóng)田中的環(huán)境、濕度、溫度、光線強(qiáng)度以及二氧化碳濃度等參數(shù)，同時(shí)也可以進(jìn)行歷史信息查詢，實(shí)現(xiàn)智能化的農(nóng)田監(jiān)控管理。

3.7 服務(wù)端模塊

服務(wù)端主要完成客戶端的請求，實(shí)現(xiàn)用戶通過客戶端查看數(shù)據(jù)等功能。服務(wù)端能夠連接農(nóng)田內(nèi)的各項(xiàng)傳感器等設(shè)備，服務(wù)器能夠整合來自各個(gè)方面的數(shù)據(jù)信息。

3.8 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫中收集了農(nóng)田中的所有數(shù)據(jù)信息，主要有農(nóng)田內(nèi)的光線強(qiáng)度，空氣的濕度與溫度，土壤的濕度與溫度，農(nóng)田內(nèi)的空氣二氧化碳含量等數(shù)據(jù)。監(jiān)控單元的具體功能是記錄農(nóng)田中所有監(jiān)控點(diǎn)位所上傳的信息，并保持信息的真實(shí)性。管理農(nóng)田中用戶信息等參數(shù)。

4 系統(tǒng)功能

4.1 登錄系統(tǒng)

為了保證系統(tǒng)具有較高的安全性，用戶在使用之前需要登錄系統(tǒng)中才能夠獲取相應(yīng)的權(quán)限。用戶想要進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，需要進(jìn)行權(quán)限確認(rèn)，輸入自己的用戶名與密碼，系統(tǒng)會將用戶輸入的信息與數(shù)據(jù)庫中的信息相對比，當(dāng)用戶輸入的信息與數(shù)據(jù)庫中記錄的信息相匹配時(shí)，用戶能夠順利地進(jìn)入到系統(tǒng)中，并且獲得一系列的權(quán)限。在登錄系統(tǒng)中主要設(shè)計(jì)以下4個(gè)模塊：校驗(yàn)?zāi)K、匹配模塊、報(bào)錯模塊以及權(quán)限模塊。當(dāng)用戶登錄系統(tǒng)時(shí)，輸入的信息需要與以下4個(gè)模塊相匹配，才能夠成功地登錄到系統(tǒng)中。

4.2 決策支持

在系統(tǒng)中不僅能查看到當(dāng)前農(nóng)作物的生長環(huán)境，系統(tǒng)還負(fù)責(zé)提供相應(yīng)的功能支持，主要包括風(fēng)機(jī)決策與補(bǔ)光決策。當(dāng)農(nóng)田內(nèi)的溫度過低時(shí)，就會開啟風(fēng)機(jī)，當(dāng)溫度達(dá)到了預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就會自動地關(guān)閉風(fēng)機(jī)。當(dāng)農(nóng)田內(nèi)的光照強(qiáng)度沒有到達(dá)預(yù)計(jì)的數(shù)值時(shí)，就會自動地開啟生物效應(yīng)燈，當(dāng)農(nóng)作物受到充分的光照時(shí)，就會自動地關(guān)閉生物效應(yīng)燈。

4.3 病蟲害診斷

農(nóng)田中會種植不同種類的農(nóng)作物，本文主要以番茄為例來介紹系統(tǒng)診斷病蟲害的全過程。番茄主要分為根葉，花，果實(shí)4個(gè)部分。在番茄的病蟲害診斷中，將各種病蟲害數(shù)據(jù)融入根部決策樹中，視頻監(jiān)控設(shè)備能夠通過分析采集到的番茄生長形態(tài)圖片來匹配番茄可能遭受的病蟲害，在客戶端中為管理人員顯示結(jié)論，并且提供診斷措施。

5 結(jié)束語

在智能農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，安裝各類傳感器收集各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并且通過系統(tǒng)中不同的功能來實(shí)現(xiàn)農(nóng)田中設(shè)備的自由調(diào)節(jié)以及全程的生產(chǎn)管理。本文主要介紹了利用物聯(lián)網(wǎng)中的無線傳感器、無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)以及視頻監(jiān)控等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)田中各項(xiàng)因素的實(shí)時(shí)監(jiān)測，使農(nóng)業(yè)種植人員能夠及時(shí)地掌握農(nóng)田中的各項(xiàng)信息，并且進(jìn)行調(diào)整，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)種植業(yè)的智能化科學(xué)化。