基于物联网的智慧农业大棚系统架构设计

张海兰，雷桂平

（广东科技学院计算机系 广东 东莞 52083）

基于物联网的智慧农业大棚系统架构设计

张海兰，雷桂平

（广东科技学院计算机系 广东 东莞 52083）

智慧农业是物联网技术在农业生产领域的应用而诞生的一种现代农业生产模式。本文基于物联网技术设计出惠及农业生产的智慧农业大棚系统，着重介绍系统框架各子系统的功能设计以及该系统的应用价值。

智慧农业；物联网；系统架构设计

1 引言

民以食为天，农业的生产有着重要的作用，如何提高农产品的产出，各国也在这方面投入很多的精力。发达国家如荷兰大力发展集约化的农业温室大棚产业，大棚内温湿度、光照、肥料等实现了计算机调控，从种植品种的选择、栽培管理到成果采收形成了一套标准化的技术体系[1]。而我国农业仍以传统种植方式为主，主要采用手动操作方式，人力投入比较大，受自然环境条件影响较多，缺乏科学管理手段，现代化程度低下，导致农业产出附加值低。随着农业现代化技术的日趋成熟，智慧农业已经成为打破传统农业弊端的一种新型农业模式。因此，智慧农业大棚系统的设计具有重要的现实意义。

2 系统设计

现阶段，智慧农业还存在以下几个方面的问题：温室测控系统的通信仍然采用有线方式；缺少基于农业专家知识的管理系统；数据采集主要集中在植物生长外在环境，无法反馈植物生长的真实状态；没有基于温室群的控制。这样降低了生产管理的效率，不便于管理、维护、升级及数据共享。本文针对以上问题，提出了基于物联网技术监控植物生长，并通过数据采集建立植物生长模型的智慧农业大棚系统。该系统主要针对华南地区的一两种植物开展研究，将棚内监测、农情数据采集与搭建植物模型相结合，并通过云服务技术，使其各个环节形成一个监测及控制的良性数据闭环，实现农业生产与信息数据相结合，能够很好的顺应农业与物联网行业发展需求，具有潜在的巨大经济效益和广阔的市场前景。

3 系统架构

该系统由基于物联网的农业大棚监控子系统[2]、植物图像识别子系统、云服务子系统及植物生长模型子系统组成。通过使用无线传感器网络获取精确的作物环境和作物信息，结合植物生长模型的数据整合及预测功能，实现科学化精准管理，智慧化分析与处理，高效地将植物模型科研成果转化为实际生产力。

3.1 农业大棚监控子系统

物联网智慧农业的大棚监控子系统由农业大棚、传感器（如土壤温湿度传感器、大气温湿度传感器、CO2浓度传感器[2]、光照强度传感器、土壤酸碱度传感器等）、执行器（如灌溉系统、排风系统、卷帘控制系统等）、Zigbee端节点、Zigbee嵌入式网关和摄像头组成[3]。

3.2 云服务子系统

云服务是基于互联网的数据处理分析服务。之前的技术无法在有限时间完成海量数据的分析与处理，而最新的大数据技术的发展正是能解决这种困境的最新方案。大数据技术适用于处理传感器与摄像头采集到的大量的植物生长数据，通过大棚监控系统采集到的植物数据信息上传到云服务，整合数据信息根据图像识别与处理技术可以在软件中形成某植物的植株模型[4]。

3.3 植物图像识别子系统

植物图像识别子系统，是替代传统人工识别的技术手段，能自动实时精准识别出植物的生长状态，减少人力投入，避免人为因素的失误，方便存储及数据利用。本文利用棚内监控系统中的摄像头实时记录植物的生长状态，并结合红外线传感器获得植物生长过程中植株体内的热量分布数据，可以通过分析数据判断植物生长的一些情况，如植株茎、叶、花等生长时在外界温湿度光照肥料等因素影响下体内的活跃程度。

3.4 植物生长模型子系统

植物生长模型子系统是以植物的生长过程为研究的对象，利用统计和数学作为抽象的工具，构造一个相对简单但是能够如实反映客观世界中真实的植物生长形态过的数学描述模型。传感器监测和图像识别技术采集到的植物生长数据，经由云服务平台处理，可以搭建出植物生长的模型，从而可以获得每一时刻植物的生长状态。该模型的建立，有助于根据植株本身的情况及时调整棚内的供氧供阳通风灌溉给肥等子系统，为植物生长提供最佳环境。

4 智慧农业大棚系统功能及未来发展

智慧农业大棚系统通过采集农业传感器数据及植物不同生长状态的图像识别结果，利用网络结合大数据平台高效分析，利用植物生长模型及云服务，使用物联网智慧农业大棚系统更加精确的控制植物生长对环境的各项指标要求，及时调整并满足大棚内相应植物生长所需求的温室环境，从而达到高幅增产和提高农业智慧化水平的目的。

随着物联网技术的成熟与应用普及，智慧农业将进一步从单一的大棚温室室内控制转变为田野农业生产控制，实现土地资源的高集成度生产管理，又确保农业的产品高产出。近年的自然灾害，已经严重降低了我国的粮食储备量，高投入低产出也使得农民愈加放弃农业种植转入到外出打工，这种现状既不利于国家的安稳也加大城市就业压力，因此缓解三农问题，让农业生产为国民谋福利，信息化的农业大生产将在国家未来发展中占有举足轻重的地位。基于物联网的大棚系统只是传统农业发展的第一步，但随着物联网技术尤其是无线网络技术的发展，图像处理技术的提升，云服务的应用，提高从事农业生产者的技术水平，促进农业经济发展，促使传统农业生产向智慧农业转变，智慧农业模式将有着巨大的应用空间，产业前景非常光明。

[1]杜骏喜.设施农业环境智能化监控系统设计[D].沈阳农业大学，2004.

[2]段益群，刘国彦.基于物联网的智慧农业大棚系统设计[J].软件工程，2013(12):35-35.

[3]庞娜，程德福.基于ZigBee无线传感器网络的温室监测系统设计[J].吉林大学学报(信息科学版)，2010，28(1):55-60.

[4]孙忠祥.基于设备云平台的智能农业温室大棚远程监控系统的实现[D].哈尔滨理工大学，2017.

TN929.5;TP391.44 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5624（2018）02-0063-02

广东科技学院自然科学类项目（项目编号GKY-2016KYZD-8）

张海兰（1989-），女，河南驻马店人，硕士研究生，研究方向：信号与信息处理，物联网，嵌入式。

雷桂平（1982-），男，广东科技学院讲师，研究方向：软件开发。