基于物联网的智慧农业大棚系统的研究与实现*

张成年（无锡商业职业技术学院物联网学院，江苏　无锡　214153）



基于物联网的智慧农业大棚系统的研究与实现*

张成年
（无锡商业职业技术学院物联网学院，江苏无锡214153）

摘要：近年来，随着物联网技术的不断高速发展，物联网技术在农业大棚中的应用越来越广泛。智慧农业大棚就是通过各种传感器、控制技术和通信技术实现对大棚生产过中各项环境参数的精准测量，智能控制大棚内各项环境状况，进而实现大棚环境的自动保温、保湿、排风等，并通过历史数据的记录和分析，建立专家库，实现施肥、喷药等农活的智能决策与控制功能，同时实现安防监测、巡逻检查等功能。

关键词：物联网；传感器；智慧农业

近年来，随着物联网技术的不断高速发展，物联网技术已经渗透到每一个行业领域，新型现代化农业大棚生产也不例外。在我国传统种植中，依靠大量投入化肥、水、农药和人力是我国的农业高产量的主要途径，导致大量的资源浪费并造成环境污染。大棚栽培对棚内的光照、温度、湿度、二氧化碳和pH值等环境的控制要求比较高，传统的人工检测和调节难度较大，且精度不高，这样使得温室的利用率比较低、管理困难。随着人口老年化加剧，人力成本也在不断攀升。

基于物联网的智慧大棚就是利用物联网及分布式传感器网络将温室内的光照、温度、湿度、二氧化碳含量、pH值、农作物长势、土壤质地和养分水分状况等进行采集、存储、传输、分析处理和输出，再与信息转换、实时控制、智能决策系统相配合，按区内要素的空间变量数据精确设定最佳施肥、灌溉、光照控制、加湿等多种决策操作，使一系列农作物在不同生长周期曾被“模糊”处理的问题，通过信息化智能管理系统实时定量精准的标准化生产，从而可以显著提高水、肥等的利用效率，提高管理效率，降低人力成本，以最经济的投入获得最佳产出。

1系统主要功能

智慧农业大棚主要实现下面几方面功能：（1）实时监测功能。通过传感设备实时采集农业生产区域中的温度、空气湿度、二氧化碳、光照、土壤水分、土壤温度、pH值、棚外温度与风速等数据；将数据通过无线网络、有线网络（485集线器）等传输给服务管理平台，服务服管理平台对数据进行存贮、分析处理。（2）远程控制功能。根据实时采集的数据和系统设定的最佳阀值进行分析，智能判断洒水、排风、光照等设备的开与关，管理人员也可以根据需要通过软件主动控制这些设备的开与关，同时系统还可以为管理人员提供视频监控和存储功能。（3）智慧决策功能。智慧决策功能基于精准的农业传感器监测数据并结合以往种植经验信息，利用云计算、数据挖掘等技术进行多层次分析，建立每种农作物的专家库，在专家库基础上，实现智慧决策功能，适时向管理人员发送施肥、喷药等相关信息的提醒，防止错过最佳施肥和喷药期而影响农作物产品的产量与质量。

2系统硬件设计

2.1系统硬件结构

智慧农业大棚系统通过各种有线和无线环境监测传感器实时采集大棚中的各种数据，采集的数据通过Zigbee继电器、ADAM - 4150采集器、Zigbee协调、串口服务器、路由器等设备将数据传输到各功能控制中心，实现数据存储、分析、处理与控制[1]，并通过高清视频摄像头等设备，实现对大棚远程的实时监控管理，系统硬件架构见图1。

2.2系统传感器参数要求

表1各监测参数基本要求

图1系统硬件架构

图2智慧农业大棚系统功能总图

为了保证智慧农业大棚功能达到预期的效果，在选取各种传感器时，应保证达到相关参数要求，系统监测精度要求如表1。

3系统软件设计

3.1组网技术

智慧农业大棚系统在实现过程中需要各功能设备的数据传输，为此需要配置如下设备：（1）在数据采集方面，主要运用Zigbee组网技术进行不同节点之间的通信。为此必须配置网内所有Zigbee继电器、Zigbee传感器和Zigbee协调器的PAN ID和信道统一，通电后，各节点能正确连接。（2）串口服务器实现串口的拓展和串口通信与网络通信信息的转换，因此需要配置串口服务器的网络地址和各串口工作模式、波特率、校验码、数据位、停止位等参数信息[2-3]。（3）配置路由器、网络摄像头、电脑、手机等网络地址，保证设备间的通信畅通。（4）配置开发好的Web服务，启动运行Web服务器。

3.2系统软件功能

智慧农业大棚系统软件功能开发主要包含PC端软件功能开发和移动端软件开发两部分。系统主要完成的功能如图2。

3.3 PC端软件设计

由于PC端能够提供足够的资源来实现系统功能开发，PC端系统功能是智慧农业大棚功能的核心，由WPF技术来实现，主要对收集到的农作物生长环境数据进行存储、显示、处理、转发，将信息数据整合、存储、分析并以图表或表格的形式展示给专家和大棚管理人员，实现数据分析等功能，完成生产数据的监测、查询、预警、统计分析等。

在PC端系统功能中除了常用的温湿度、排风、光照、pH值等数据接收、存储、查询、实时显示数据等处理与控制，还做了大量的数据分析，建成专家知识库，这样系统根据专家库里的相关数据分析，适时向大棚管理人员发出施肥、喷药等提醒功能[4-5]，促进农作物生长，保证产品产量和质量的提高。

3.4手机端软件设计

随着智能终端应用不断普及，智慧农业大棚移动端APP（Android版）是项目的重要组成部分，实现移动化智能控制。主要实现查看大棚采集过来的温湿度、光照、二氧化碳浓度、视频等数据，大棚管理人员根据查看的数据，可以通过手机远程控制洒水、风机、卷帘、光照等设备的开关调节，并且可以通过视频查看大棚中的实时情况。

4　结语

本系统运用了传感器网络技术、ZigBee组网技术、移动端技术和PC端技术实现对大型农业大棚的空气温湿度、土壤湿湿度、光照强度、CO2浓度、pH值等数据的采集分析，实现远程化、移动化和智能化精准管理大棚生产的全过程，实现低投入高产出的现代化高效大棚生产，但是农业物联网技术应用仍然存在着标准制定、技术的研究等应用难题，需要政府、企业、科研单位、高校及各个农业相关行业的共同努力，通力合作。随着物联网技术和设备的不断成熟发展，必将给大棚生产带来革命性的变化。

参考文献

[1]张猛.基于ZigBee和Internet的温室群环境远程监控系统设计[J].农业工程学报，2013，29（增刊1）：171-176.

[2]王汝传，孙力娟，郭剑，等.无线传感器网络技术及其应用[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[3]李静，王福豹，段渭军.基于无线传感器网络的河流自动监测站设计[J].现代电子技术，2011，24（3）：134-136.

[4]姚向华.无线传感器网络原理与应用[M].北京：高等教育出版社，2011.

[5]王福禄，房俊龙，张喜海.基于无线传感器网络的温室环境监测系统研究[J].东北农业大学学报，2011，42（2）：59-64.

*基金项目：院级一般课题，项目编号：SYKJ15B31。

收稿日期：2015—12—04