基于物联网的智能大棚系统设计

盛彬 王舒玮

（山西大同大学机电工程学院 山西省大同市 037000）

1 物联网技术的现状

作为战略性的新兴产业之一，物联网(The Internet of Things，IOT)已被国家正式列为重点发展对象，是继计算机、互联网和移动网络通信之后的又一次信息产业革命[1]。物联网技术在美、欧、日、韩等传统高科技发达地区起步较早，总体实力一直处于领先地位，但中国在物联网技术发展方面并不落后，研发团队具备一定的基础，研发水平基本与国际同步，在构建系统体系、网络协议、软件算法等方面，一直不断更新、改进，提出了许多兼顾技术性、实践性与创新性的思想和理论，经过成果转化后，广泛应用于我国交通、电力、金融、物流等行业，实现了数字世界、信息世界、真实物理世界的三方融合，全面推进了产业发展，提高了企业的核心竞争力，提升了人民生产、生活水平。

2 物联网系统设计的一般准则

2.1 进行调研，确定是否能立项

通过收集国内外文献、资料、书籍、调查问卷等内容，研究拟立项课题的发展与现状，掌握拟立项课题的前沿知识、技术及实际成功案例，结合现有资源及条件，分析项目实施的可行性，确定是否立项。

2.2 设计总体框架，确定系统总体方案

对于项目实施的重点应当放在技术难度这一块，此时需要进一步深入课题，查找相关更具体、更详细的资料，参考国内外同类型产品的实际特性，确定本次课题项目需拆分成几大模块，各自模块要实现的功能，进而规划设计思路，提出合理且可行的设计方案，撰写首次任务报告书，给出系统总体设计方案[2]。

2.3 细化设计方案，确定最终模块功能

细化方案是设计过程中最重要的一步，需要明确系统中每一模块的具体功能，进而根据实际需求选管、选器件，定制硬件、软件方案，然后在保障功能正常使用的前提下，考虑到成品、故障率等现实条件，尽量用软件实现相关模块功能。

3 基于物联网智能大棚系统的立项依据

3.1 物联网技术是新工科专业应用型人才培养的基础

当今社会，工业程度日趋提高，工业水平快速发展，对高素质应用型人才的培养已经成为在新工科发展背景下十分重要的一环，只有不断构建并更新新工科人才培养的方案和体系，方能为社会发展源源不断地输出具有创新及实践能力的高科技、高素质人才，而作为社会经济产业发展过程中提供强大新生动力的人才培育重点机构，高校必须更加积极地进行应用型本科人才培养路径的研究与拓展[3]。

图1：智能大棚系统总体框架图

3.2 物联网与农业结合，实现高技术规范、高效益的生产

我国在世界范畴内，一直处于农业大国而非农业强国之列，生产方式一直以传统模式为主，提高产量也主要是靠化肥农药的使用，农民依靠经验种植，费时费力，智能化程度偏低，还易造成水资源浪费、土壤污染等环境问题，对农业的可持续发展造成严重威胁。

传统大棚以农民承包或是利用自家土地为主要拥有方式，以种植各种非时令作物为主，以农民为生产主体，产量、质量依靠农民经验，大棚相对各自孤立，基本无智能手段介入，导致浪费大量人力、物力、农民收入受限。现实社会高速发展，科技日新月异，传统大棚也从过去单纯的种植功能，转换成新的集观光、旅游、休闲、娱乐 的度假模式，特别是对水果、蔬菜的现场采摘需求日盛，人民更愿意在假期时间，进入乡村，体验采摘乐趣，因此，如何更科学、合理、高效地保障作物质量及产量，就成为亟待解决的目标，智能化大棚的建设也就成为必然。

针对这一现实问题，本次设计提出在传统大棚模式下引入物联网技术，将智能检测、智能检测、智能监控报警、智能综合处理等操作模块引入到大棚种植系统中，实现大棚种植自动化，且园区内每个大棚均部署一套装置，棚与棚之间建立联系，数据互通，再通过无线传输技术实现远程实时控制化，最终减少人力因素，提高作物产量及质量，实现园区大棚人工智能化。

4 系统方案总体设计

本次设计的基于物联网技术的智能大棚系统主要分为四大部分，分别是：大棚现场、数据采集传输、现场平台、终端显示[4]。系统总体框架如图1 所示。

图2：数据上传模块框图

大棚现场由传感器网络、各种控制器和执行装置组成，传感器结合MCU(单片微型计算机Microcontroller Unit)主要用于采集大棚现场的各项参数；集成一体化控制器可由用户近端或远程控制，通过执行装置（如灌溉阀门等），实施各项功能操作。

数据采集传输是连接现实参数和计算机数字世界的媒介，负责将现场采集的各项数据经蓝牙模块传输给工作平台，计算机经分析判断后，将控制指令传回现场，由控制器操作执行装置，实现例如调整现场室温、喷淋、灌溉、调整卷帘升降、控制风机通风等功能。

现场平台用于展示此智能控制系统的全部功能，需要由专门的开发人员设计界面，布局功能，将实时数据、历史数据、报警装置、远程控制这四方面内容集成于软件中。对于小型大棚区，每间大棚可现场配置一台计算机，通过界面切换实现功能显示、功能执行；对于大型棚区，可在每间大棚现场设置显示设备，再通过视频设备的组合，建立专门的棚区监控设备控制间，同时显示上述功能，再根据具体情况，给出执行命令，实现全区监控智能化、集成化。

终端显示用于用户实现远程控制，方便用户实时通过手机、计算机的客户端、浏览器等装置监测大棚现场，观测各项参数，对比实时、历史数据差异，需要时及时作出响应，控制现场。

5 系统方案模块细化

5.1 数据采集模块

传感器技术作为现代信息科技的三大支柱技术之一，是获取信息的重要手段，在国内外得到了迅速发展，其水平的高低已经公认成为判断国家科技实力的重要标志之一，特别是在当今各类高科技控制系统中，作为感知现实世界信息的核心检测机构，传感器已经成为人们认知世界、改造世界的重要工具。

在对智能大棚系统的设计过程中，需严格考量各种作物对于环境的需求，例如高品质的葡萄酒会对一些参数，如土壤的温度、湿度等非常敏感，超过某一阈值范围后，葡萄的甜酸度会发生变化，进而导致酒的品质严重下降，因此设计出合理、可行的传感器网络，对需求参数进行实时检测监控，进一步利用执行装置有效灌溉，可实现提高作物品质、产能、节水的目标。本次方案的数据采集模块预对温度（包括空气与土壤）、湿度（包括空气与土壤）、浓度（包括空气中的含氧量、CO2浓度）、光照等数值进行检测监控[5]。

5.2 数据上传模块

智能大棚希望实现远程实时监控，进而通过控制器控制各种执行装置，例如灌溉系统、新风净化系统等。但是大棚现场布置的数据采集模块只能用于输出各项参数的实时数据，无法实现远程监控，做到人工智能，因此，为了远程调用现场数据，实现物联网智能化，本次方案的数据上传采用如下方式实现：大棚现场数据经传感器采集后，结合MCU，将数据通过蓝牙模块上传至电脑终端，再通过无线传输方式，将数据经服务器上传至远程终端，用户通过电脑或手机的客户端实现数据监控。如图2 所示。

5.3 软件监控模块

此次智能大棚系统在软件方面实现的主要功能如下：

5.3.1 用户操作系统

关于用户账号：

（1）身份验证。用户登录软件界面时，只有提供正确的账户名和密码，才能进入系统界面。

（2）密码管理。当用户忘记或想修改登录密码时，软件提供密码找回、修改功能。

（3）授权查看。用户可登录系统查看自己被授权的设备清单。

关于系统功能：

（1）报警显示。软件包含阈值设置和报警处理两项功能，在系统中可以设置各种传感器参数的上下限，进而根据此范围来判定参数是否合理，若超过预设阈值，则系统给出报警提示，并以错误日志的方式记录，用户还可将报警信息标为已读，表明此条报警已被处理。

（2）功能显示。软件中可以显示从大棚现场采集到的各项数据，进而形成数据分布，还可做阶段数据比较。

（3）视频显示。软件能够直接连接大棚现场，除显示所布摄像头的拍摄内容外，还可远程遥控摄像头。

5.3.2 系统管理系统

厂商可对客户实现添加、删除、控制权限、违约后设成黑名单等常见功能，还可根据客户具体需求实现一户一订制。

6 结论

与常规的单片机控制系统不同，现今社会对于“物物相连”的互联网需求越来越多，物联网技术应运而生，相关人工智能、智能制造、模式识别等产业都可融合构成物联网智能系统，因此，培养适合社会需求的新工科应用型人才就成为高校人才培养的重要目标。本文从智能农业出发，对智能大棚系统进行了总体规划和方案细化，实现了数据采集检测、数据实时传输、平台监控报警、用户终端控制的具体功能，再经过实践验证产品功能后，发现该系统可以帮助提高作物的产能与质量，减少投入人力物力，保护土壤环境安全，提高农业生产智能化，除此，还能促进农业良性发展，不断提升产业竞争力。