基于物联网的农业大棚信息感知系统设计

赵建强

摘 要：为提高农业生产的智能化水平，通过对农业物联网的研究，基于物联网透彻感知、可靠传输和智能处理作用的特点，研发设计了农业大棚信息感知系统。整个系统由传感器、现场控制节点、GPRS无线网络和智能监测管理系统组成。详细描述了系统数据采集模块的软件功能、服务器通信协议、数据处理流程和Web智能监控系统功能。该系统在农业园区的部署运行表明，系统性能稳定可靠，易于使用，扩展维护方便，具有较高的推广应用价值。

关键词：物联网;传感器;GPRS;Web

中图分类号：TP18             文献标识码：A          文章编号：2095-1302（2015）09-00-02

0  引  言

随着物联网技术的快速发展和不断成熟，物联网技术为现代农业发展带来了新的发展模式和支撑技术。物联网具有全面感知，可靠传送和智能处理三大特征。物联网技术可利用其“感知，传输和控制”为农业提供智能信息技术。

在物联网技术的支撑和推动下，出现了智能农业和精准农业的概念。精准农业通过农业地理信息系统（GIS）、农业专家系统（ES）、遥感监测系统（RS）和全球定位系统（GPS）等自动化控制系统的应用，精确调整土壤的施肥、湿度、用药等，最大限度的降低农业资源消耗，提高产量，降低环境污染，节约成本，达到环境、资源、经济协调可持续发展。

农业大棚是精准农业中的核心要素，要实现农业生产的精准和智能，必须解决大棚中环境监测和控制的问题，传统依靠人力监测和控制的方法存在费时费力，低效以及人对环境影响等问题。本文基于物联网技术设计构建了农业大棚信息感知系统，并通过在大棚内部署各类无线传感器和网络传输设备，实时采集大棚内的空气温湿度、土壤温湿度、光照、二氧化碳浓度等数据，再上报到网关节点，通过无线网络传输到远程管理端，使管理者可以利用手机或远程计算机实时监测农作物现场的环境状态信息，并且可以根据监测数据远程开启或关闭指定的调节设备（如遮阳帘、浇灌系统、风机、加热器等），调节大棚中农作物的生长条件，实现远程智能化管理。

1  信息感知系统的功能架构

农业大棚信息感知系统总体分为三层网络结构。图1所示为农业大棚信息感知系统的架构图。图中最底层是最末端，也是无线传感器节点，数据传输层采用CDMA/GPRS无线网络，最上层的管理控制基于互联网络。末端的传感器节点基于ZigBee无线通信协议组网。ZigBee是一种短距离无线通信协议，具有功耗低，自组织网，部署灵活和低成本的特点，非常适用于农业数据信息的采集。数据传输层由各网关节点（汇聚节点）和CDMA/GPRS无线网络组成，负责传感器节点采集信息的收集、存储和传输，同时负责上层指令的收发，远程参数设置等功能。最上层的管理控制端构建在互联网上，由数据服务器、Web管理控制应用服务和各个客户端组成，服务器负责实时接收来自各网关节点的信息，完成数据的解析和存储。Web管理控制应用服务实现各传感器节点数据的分析、汇总、查询、统计和图表展示以及远程指令的下达。这样，授权用户无论在何时何地，只要登录系统就可以实时查看各大棚的情况，并可以通过Web的方式控制大棚中的滴灌、卷帘门、温度、遮阳帘等设备，实时调整大棚中作物的生长环境。

图1  农业大棚信息感知系统架构

2  系统设计

2.1  终端数据采集设计

终端数据采集就是利用部署在农业大棚中的各类传感器，周期性地采集土壤的温湿度、大气温湿度、光照强度和二氧化碳浓度等数据，并将采集的数据通过ZigBee协议或串行接口传输到现场控制节点（网关节点），现场控制节点（网关节点）对数据处理后通过GPRS/CDMA等无线网络将数据上传到服务器。

土壤温湿度感知通过土壤温湿度传感器完成。本系统选用YSHT5-5型土壤温湿度传感器，湿度测量范围为0～100%RH，精度为±1.8%RH，温度测量范围为-40～+123.8 ℃，精度为±0.3 ℃，功耗为80 μW。该传感器适用于多种类型的栽培基质。空气温湿度传感器选用简单耐用的HMP60温湿度传感器，温度精度±0.6 ℃，湿度精度±3%RH，工作环境温度为-40～60 ℃。二氧化碳浓度传感器选择BMG-CO2-NDIR防护型二氧化碳传感器，检测分辨率为±10 ppm，测量精度为±5%，工作环境温度为0～50 ℃，工作环境湿度为0～100%RH，工作电压为24 VDC，该传感器具有较高的灵敏度，受温度变化的影响较小。

2.2  服务器通信协议和软件设计

服务器（上位机）主要完成数据的接收、存储和处理的功能。使用C# Winsock完成网关节点传输的数据的解析、处理、存储和分析。利用C#开发Win Service异步数据处理服务进程程序，数据库采用SQL Server2008。服务进程安装在服务器上并设置为开机启动，服务进程持续监听特定端口。数据通信协议如图2和表1所示。

数据处理流程是服务器持续监听设定的通信端口。如果网关节点有数据上报，则接收并解析上报数据，如果上报数据格式错误则丢弃，否则解析数据，并将解析后的数据按照数据类别存储到对应的数据表中。服务进程同时会周期性的从命令数据表中查询下达到网关节点的命令，如果查询到有新的命令，则按照通信协议，构造下发命令的数据包，发送给网关节点，并等待命令执行的返回结果。

图2  数据包组成图

（1）网关节点上报数据示例CN=1210;MN=20050708S00001;SN=00007;CP=&&DataTime=20081028110346;01-Rtd=20.910;02-Rtd=46.907;03-Rtd=536.000;04-Rtd=931.000&&

（2）感知节点上报数据示例CN=1212;MN=20050708S00001;SN=00007;CP=&&DataTime=20081028110138;State=3.734&&

（3）大棚控制命令示例QN=20080114093600000;CN=3096;MN=20050708S00001;SN=00002;CP=&&IO0=1;IO1=0&&

表1  数据段结构

名称 类型 长度 描述

请求编号QN 字符 20 精确到毫秒的时间戳：QN=YYYYMMDDHHMMSSZZZ，用来唯一标识一个命令请求，用于请求命令或通知命令

命令编号CN 字符 4 命令编号见6.5中命令列表

网关节点

唯一标识MN 字符 14 网关把该编号固化到非易失存储器中，用作网关自身的身份识别。编码规则：前7位是设备制造商组织机构代码的后7位，后7位是设备制造商自行确定的此类设备的唯一编码

感知节点

唯一标识SN 字符 5 感知节点把该编号固化到非易失存储器中，用作感知节点自身的身份识别。编码规则：暂无。

总包号PNUM 字符 4 PNUM指示本次通讯总共包含的包数

包号PNO 字符 4 PNO指示当前数据包的包号

数据CP 字符 0≤n≤960 CP=&&数据区&&

2.3  Web监测和控制端设计

Web信息监测和控制模块实现的主要功能是将采集的现场数据以形象、直观的图表方式展示给管理者，并提供对大棚设备的远程控制功能。该模块采用B/S架构设计， 基于Asp.net开发，可实现系统用户授权管理、系统信息配置、大棚设备控制、传感器数据汇总查询、传感器数据实时展示等功能。图3所示为Web展示的控制端系统界面。

图3  Web展示控制端系统界面

管理人员经授权登录此系统后，可以查看各个大棚的实时和历史环境数据，比如大棚实时的土壤温湿度、土壤温湿度的历史汇总数据等。还可以根据当前大棚内环境的实际情况，向大棚风扇、滴灌、补光、加温和卷帘等设备发送控制指令，调节大棚内的温湿度、光照、通风等，实现大棚环境的精准控制。

大棚的管理控制命令主要包括风机控制、遮阳帘控制、室内温湿度控制、灌溉控制四个方面。风机控制的主要作用是调节大棚内的温湿度和二氧化碳浓度。当大棚内湿度过高时，通过开启风机实现大棚空气快速流动，从而降低湿气。在大棚温度、二氧化碳浓度过高时，通过通风也能降低温度和二氧化碳浓度。遮阳帘的主要作用是控制大棚内空气温度和光照强度。在大棚内温度过高、光照强度太高时放下遮阳帘，在夜间通过拉上遮阳帘可以保持大棚内温度。室内灯光控制可在光照强度不高的阴天或者夜间通过开启补光灯来增加大棚内的光照强度，促进作物的光合作用、降低二氧化碳浓度等。室内温湿度控制，包括加温和降温操作。降温一般采用遮光、湿帘、通风等操作解决。加温的方式采用热水加温和热气加温，利用管道在大棚内循环散发热量等。增加湿度则可以通过喷雾或地面洒水等进行，降湿主要采用通风、使用干燥剂等方式。灌溉控制，灌溉控制的主要作用是在监测到土壤湿度不够时，通过开启灌溉设备对农作物进行浇水。

3  结  语

本文提出的这种基于物联网的农业大棚信息感知系统，可对大棚内农作物生长环境进行实时跟踪和控制，避免了人工实地检测耗时耗力，获取数据有限，并容易出错等问题。管理人员可以随时随地通过Web端实时查看大棚环境情况并能根据当前大棚环境数据，远程控制大棚作业设备，调节大棚中的空气温湿度、光照强度、土壤温湿度、二氧化碳浓度等，真正实现农业生产的精准化、自动化、智能化。系统开发成功后部署到农业园区的实际应用效果表明，系统运行稳定可靠、维护方便，易于扩展，具有较高的推广应用价值。

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