基于物联网技术的农业远程监控系统设计

成世龙，覃 喜

(广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023)

0 引言

21世纪是互联网时代，时代在进步.在过去的20年，全球农业的发展十分迅速，随着农业物联网技术的出现，纵然传统农业历史悠久，但也无法满足我们现在的生活节奏.因而，我国农业领域发生了翻天覆地的变化，现代智慧物联网农业已经逐渐取代传统农业的位置，智能农业正欣欣向荣.在农业种植应用和温室大棚中，传统的人工控制无法适应时代的要求，单片机智能控制系统已渐渐得到广泛的应用.农业物联网将众多的传感器作为一系列的监控网络基站，我们可以通过不同类型的传感器，提炼和获取我们所需要的信息.随时随地监测基地，我们就能较为及时的发现种植过程中所存在的问题，并能提出合适方案，解决农户难题.农业也就从最原始的人力、固定机械化的生产模式逐步走向了一条微型化、信息化、自动化的人工智能生产模式的道路.所以，可以通过远程监测、控制的方法完成农产品优化，达到高质高产的目的.

近些年来，由于不受空间和时间的限制，温室大棚技术已经得到越来越多人的青睐.冬天，在北方也可以吃到大量反季节的蔬菜，不仅仅是城里人养生之道，亦是农民的发财之道，而只有成熟完备的温室大棚技术才能成为农民走上脱贫致富道路上的护航者.可是，目前的大棚技术尚未成熟，农业生产规模过于小型化，管理方式粗放化，系统设计不全面，实用性不高，无法满足人民大众的日常生活需求；如果投入的成本过高，收益过低，农民得不偿失；我国疆土辽阔，南北两边的生活环境差异较大，对于所栽种的农作物来说，生存环境将会是个巨大的挑战.为了解决此类问题，本系统采用了以嵌入式系统为主控制中心的大棚温室种植远程控制系统，把各类传感器放置于大棚内部，比如温湿度传感器，气体传感器，光传感器等，不定时的收集大棚中环境的温湿度，气体浓度以及土壤的酸碱程度.此外，监控中心如果接收到外部光照过强和室内温度过低的信号，我们会用提前安置好的保温层比如卷帘机，适当地降到相应的高度，保证室内维持在一个恒定的温度，以及避免光照过强所给农作物带来的伤害，使其健康快速成长.值得一提的是，此次设计中加入了GPRS通信系统，通过远程监控，管理者就可以如有千里眼一般在台后进行操控，实现了农作物生产的网络化、智能化、精准化，自动化，很大程度上解放了生产力，高效合理地利用资源，提高经济效益，能够减轻我国作为人口大国的压力，给农民带来了福音，对物联网技术的发展起着一定程度的促进作用.[1]

1 系统原理

本系统针对现在温室大棚蔬菜技术的现状，对现有的温室大棚进行了深度的调查和分析，设计出了一套远程监控系统来监测蔬菜大棚内的环境变化，该系统可以实现多个温室大棚内部的环境参数进行实时监控，并做出调整或通知用户，用户可以通过远程控制软件实时对多个大棚进行实时监控和管理.

图1 系统结构图

2 硬件设计

系统的硬件部分主要由数据采集系统、无线通信系统、嵌入式主控系统、大棚环境调节系统构成，其中数据采集系统主要由单片机结合传感器组成，主要负责感知温室大棚中的温湿度、光照情况；而无线通信系统则采用NRF24L01模块，该模块在2.4～2.5 G的ISM频段工作，可以方便与各种嵌入式控制板进行组合完成无线数据传输的工作；嵌入式主控板则负责接收各个无线传输模块的数据，经过压缩处理后通过Internet网络传输至云服务器，同时还将服务器下发的命令进行解析并执行对应的控制动作.[2]譬如：当大棚内部温度明显升高时，温度感应器接受已经达到甚至是超出到预设的最高温度时，它会把这一危险信号传给嵌入式主控核心板上，嵌入式主板获取这一信号后，立即分析处理，及时打开排风的开关，进行散热降温操作.与此同时，利用了系统中的激光扫描仪、湿度传感器、pH酸碱度传感器等装置收集土壤中信息，然后利用科技人员在智能系统中设置的优化技术获得最佳的决策，制定合理的方案，来满足农作物的生长需求.本系统的硬件组成结构如图2所示.

图2 系统硬件组成结构图

大棚终端数据收集模块包括了STC12C4052AD单片机、光照强度、土壤湿度、空气温湿度、CO2浓度传感器、GPRS通信模块和太阳能供电系统.大棚数据收集板主要是收集大棚内部的各类信息，比如说光照强度、土壤湿度、空气温湿度、CO2浓度，可以定时不定点地采取多方位的数据，然后将数据传达给大棚控制板.同时，大棚终端数据收集模块把两个数据收集板上传的信息统一处理，送达云服务端.该模块是重要的中转站，它负责云服务端和各个大棚之间的连接，保证信息的正常传递.[3]大棚采集板硬件组成结构见图3.

图3 大棚采集板硬件组成结构图

3 软件设计

在设计之前主要从人力资源和管理监控两个方面考虑：一方面，在农业生产中，对某些周期较长，生长缓慢的植物，如果使用人工实时监测，那就会导致大量的时间损耗以及人工的不准确性所带来的误差.而对于传统监控工艺来说，使用本地工控机监控在一定程度上还是无法完全摆脱人工监控的困境.另一方面，由于农产业布局广泛而分散，势必会给管理工作者造成工作上的困难，比如无法对所有产业进行及时有效的动态追踪与合理监控，此外，如果所有产业都采取人工监控的形式也会造成人力资源成本的浪费.因此，对农产业的监控系统应采取远程的互联网监控模式，而服务器在这个系统中就充当了互联网的中心地位，还可以满足远程监控、管理便捷、节省人力资源等需求.[4]

该系统整体由四个部分组成，包括服务器软件、终端采集板、大棚主控制板和采集板.

服务器的软件使用中移动物联网开放平台所提供的工具进行开发设计，温室大棚的主控制板与云服务器采用TCP透传的方式进行通信，该方式可以快速地响应APP端及数据服务器的各项请求.云端服务器的网卡通过与大棚终端采集板的信息传递，得到温室大棚内的具体环境变量的数据并按照实际需要或者是以人为意志对大棚施加反馈，控制相应的设备运作起来，进行控制，以实现温室大棚内部设施的智能控制和环境的合理优化.与此同时，传感器所采集到信息诸如温度、湿度等参数信息均被保存起来，作为备案，为后期查询做好准备工作.下面是用户端部分控制界面如图4所示.

图4 用户端部分控制界面

系统主控板采用的是基于Cortex-M3内核的单片机进行设计开发，故采用KEIL MDK环境进行软件开发，采用的是官方提供的ST集成库，极大地缩短了开发者的开发周期.当主控板接收到大棚数据采集终端上传的数据时，第一时间是要确认数据的发送位置来自哪个大棚，这个工作是通过获取寄存器的值来完成的.

通常在无线网络通信模块中，MAC地址的差异是区分各个模块的重要依据，也就是说想要实现该监控系统的预期功能即双方向多通道接收传送数据，主控制系统需要通过分析MAC地址来判断数据是由那个大棚发出的，反过来，主控制系统根据实际需求调节大棚内设备工作时，也是通过MAC地址的区别来实现具体控制某一个大棚.主控制板程序流程图如图5所示.

图5 主控制板程序流程图

该系统的大棚控制板和采集板是通过程序控制的，具体操作是在Keil开发环境下单片机C程序完成的，控制程序比较简单，分两部分，一方面是搜集大棚内传感器参数，另一方面是将数据发送出去.

4 系统创新设计

该系统的创新主要体现：

(1)系统利用无线通信模块组成小型局域网，省去了现场布线，使用方便；

(2)主控制系统使用简洁，实时性好，并且可以跨平台数据共享，既可以在PC端进行监控数据，也可以在移动端进行监控；

(3)所得数据可以存储，方便以后提取和查询.

5 测试结果分析

经过具体实地调查之后，把该远程监控系统布局到实际应用中，通过一段时间的测试，观察记录下通过传感器所搜集到的各项指标参数，并记录下各个模块的性能.

大棚采集板采用单晶太阳能板、超级电容及锂电池组合供电，所以在需要考虑其低功耗的工作方式，大棚采集板实测工作电压为3.27 V，休眠时，静态电流为0.5 mA，发送数据时，其峰值电流为25 mA.其具体功耗如表1所示.

表1 数据采集板功耗数据

采集板正常工作30天后，连续48小时监测锂电池的电压情况如图 6所示.

图6 锂电池的电压变化图

经过长时间的测试，整个供电系统能够实现充放电循环，锂电池的电压未出现亏电状况，为采集板的工作稳定性提供了保障.

无线数据传输模块之间通信速率为1 Mbps,发射功率1 mW,32字节长度的数据包，并开启CRC校验，其通信距离与传输数据包的准确率关系见表2.

表2 传输距离与传输准确率关系

嵌入式主机通过4 G GPRS模块传输至云服务器端，既要实现数据的远程监测，也要实现设备的远程的控制，所以在传输命令的响应速度上也有一定的要求.其主要命令相应速度如表3所示.

表3 命令传输响应时间

6 结语

温室大棚种植技术正在蓬勃发展，形势大好.本文分析了我国温室大棚监控系统的研究现状，设计了一套基于物联网的智能农业生产远程监控管理系统.随着科学技术水平的飞速发展，城乡一体化建设的稳步推进，人工智能技术的日趋成熟与广泛应用，现代智能农业系统也应时而生.本文以物联网发展为背景，对农业物联网的发展趋势做出了分析，检测农作物在环境中的多项生存因素，为现代农业生产作了充足的科学管理准备，保证了农作物的正常生长生产，并在一定程度上促进了农业的智能发展.

该系统在现代农业中融入物联网技术，将自动控制系统与现代农业设施相结合，通过采集温室大棚中的光照度、温湿度等环境参数，然后结合物联网技术将采集信息上传至服务器端，从而实现远程云服务端的存储和监控.系统功能测试结果良好，可以帮助农户提高农产品的质量，增加农产品的产量，节省人力资源和水土资源，形成生态友好型的大棚经济，是目前农业可持续发展的一种趋势.因此，在农业经济发展上具有一定的推广价值.