基于物联网技术的智慧种植系统的研究与设计

谢玲莉

[摘 要]文章提出的智慧种植系统设计利用最先进的物联网技术，实现智慧种植系统，以ZigBee技术为核心支撑技术，主要针对土壤、灌溉、光照、通风、温度、湿度等进行综合管理。自动检测影响农作物生长的环境变量的实时变化。当检测到环境变量超过设定值时会采用报警方式或者自动采取应对措施进行处理，并且可以随时随地检测农业状态。

[关键词]智慧种植；ZigBee；物联网

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2017.06.063

1 引 言

目前大多数农业管理都得靠人工完成，例如农作物生长环境的检测与维护都得依靠人工来完成，耗费大量人力物力，效率低，而且每天重复性工作比较多。近年来，物联网技术在我国掀起一股产业化热潮，在农业行业，物联网的应用促使农业进入精细化、现代化阶段，智能化栽培系统的应用，不仅能更科学地进行管理，实现精准种植，而且能提高农产品的质量和产量。并可以实现农产品可追溯的生产过程，为农产品提供附加价值和收入。

本文采用的ZigBee技术是一种短距离、双向无线通信技术且具有低功耗、低数据速率、低复杂度、低成本，物联网的无线数据终端可以使用ZigBee模块，利用ZigBee网络的无线数据传输功能为用户提供无线网络服务。

2 基于物联网的智慧种植系统总体设计

传统农业种植技术生产工具比较落后，规模较小，受天气环境的影响比较大，不能实时对所种植物进行实时的监管。因此，我们采用物联网架构的智慧种植系统，大棚内的农产品生长过程可以通过现代信息技术和物联网技术准确掌握，对农产品的生育进程、生长动态进行动态监测和趋势分析，能及时发现种植生产中存在的问题，并根据出现的相关问题制定相应的对策，指导精细化种植生产，提高大棚精细化种植生产能力，促进企业及农户增产增收。

智慧种植系统的组成包括如下几个子系统：

（1）环境监测系统：实现大棚内环境（室内温湿度、土壤pH值、CO2浓度、光照强度、日照强度等）信息的采集、传输。

（2）设备控制系统：包括供电系统、光照系统、喷灌系统、热水冷暧系统、内遮阳系统、节能环保系统等，喷灌系统实行按需灌溉，即农作物需要多少水就灌溉多少水，可支持喷淋、滴灌等多种设备；减少用电浪费，利用太阳能，降低照明用电，进行节能减排；光照系统可以控制光照时间。

（3）视频监控系统：实现大棚内农作物生长情况的视频监控；提供对大棚内进出人员状态监控；提供对工作人员工作状态监督。

（4）应用管理平台：实现对传感器数据的汇总、展示、比对控制；提供阈值设置功能，例如当温湿度超过设定值的时候，自动开启或者关闭指定设备；对完成的数据进行统计做出相应的统计报表，并做出趋势分析；提供平台账号与权限管理功能。

本文设计的基于ZigBee技术的智慧种植网络系统结构图如图1所示。

3 基于物联网的智慧种植系统的实现

3.1 基于ZigBee的智慧种植平台架构

先进的ZigBee无线模块通信技术应用于智慧种植平台的物联网架构，通常情况下按层次结构划分为：物联网感知层、物联网传输层、物联网服务层和物联网应用层。

（1）物联网感知层主要由ZigBee 传感器节点、射频识别设备、视频监控设备和其他数据采集设备组成，通过ZigBee节点、LAN节点等通信模块可以将数据采集设备获取到的数据传送至物联网智能网关，可对获取的现场数据信息进行实时的检测与采集，经传输网络实时上传到相关农业智能管理系统中；此外，监控中心可向下层应用系统发送控制命令，通过无线网关传送到相关控制设备，遥控农业设施自动开启或者关闭（如智能浇灌等），实现农业生产环境的改善。

（2）物联网传输层通过LAN网络，WLAN网络，GPRS和4G等的相互融合，现场采集到的数据信息和上层控制命令能实时准确地进行传输与交互。

（3）物联网服务层对收集到的数据进行智能处理。

（4）物联网应用层是物联网和用户之间的接口，主要包括农业生产过程管理、农业生产环境管理、农业疾病识别与治理。例如：利用无线传感网络获取种植物生长环境的温湿度、光照强度等，并根据各类信息进行自动灌溉、施肥、喷药、调温控光等操作，对异常信息进行自动报警，对农业生产现场的智能化控制与管理。

本文设计的基于ZigBee技术的智慧种植网络系架构图如图2所示。

3.2 基于ZigBee的智慧种植功能实现

（1）通过ZigBee无线传感器实时采集农作物生长现场的的相关数据：土壤含水量、气象数据、温湿度、及设备的运行状态参数，利用视频监控系统获取农作物的生长状况等信息，实时记录農作物的生长过程，对农作物进行远程查看，同时，对采集的信息进行数字化转换和汇总后，经过传输网络实时上传到管理中心，并通过数据分析来决定处理动作；系统按照农作物生长的各项指标要求，可完全自动化运行，远程控制生产现场的设备，自动实现节水灌溉、排风、降温除湿等工作。

（2）根据作物种植所需的生长环境条件，对系统进行预警设置。当传感器连续3次采集数超过设定的正常值范围，系统管理平台会马上提示环境异常，将可能出现的异常情况采用短信的方式发送到绑定的手机上。一旦有异常情况发生，系统将根据种植物的需求提供各种声光报警信息和短信报警信息给管理员，如土壤缺水、高温预警、高湿预警等。当环境指标超过正常范围值时，系统根据监测到的参数，可自动开启有关设备，如自动灌溉、自动降温、自动喷药等，将各项指标控制在作物适宜生长的范围内。

（3）在大棚安装数个摄像头，通过电子屏幕可以播放生产基地所种植物的生产过程，如种植、加工等。大棚内的种植物需要进行种植、除草、施肥施药、收割等，工作人员进入大棚进行农事活动时需刷卡记录，智慧种植系统会自动统计这些农事信息，在系统记录农产品从种植时间、种植基地、农事活动、采摘质检、包装运输等全产业链信息，实现从少到多，从地头到餐桌的全程可追溯。

4 结 论

物联网技术在农业中改变了目前大多数农业管理都得靠人工完成的农业经营管理方式，同时也提高所种植物疫情疾病的防控能力，确保农产品质量安全。智慧农业对农作物生长的环境和农产品的管理与控制进行全方位监测，以信息网络为中心的智慧农业、精准农业的农业生产方式有着重要意义。

参考文献：

[1]西安达泰电子.ZigBee技术实用手册[Z].

[2] 刘小峰.基于物联网技术的智慧种业全周期追溯防伪管理系统[J].电脑开发与应用，2014（8）：21-23.