一种基于虚拟仿真的智慧农业系统方案设计及实现

栾岚

摘  要：随着人工智能、云计算、物联网技术在各行各业中的渗透应用，传统依赖于人工经验的劳作模式已然不能跟上现代社会科技的发展。该文介绍了一种在虚拟仿真平台上的智慧农业系统的设计方案及实现，通过仿真测试该方案利用Zigbee实现了对农业作业中的相关实时数据的监测，运行稳定，数据准确，可以实现对智慧农业园的环境监测及联动相应的环境操作。

关键词：Zigbee  虚拟仿真  Socket通信  联动

中图分类号：TP319    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）02（a）-0011-02

中华民族自古以来就是农业大国，几千年来传统农业劳作都是凭借经验对农作物进行施肥灌溉，缺乏有效的技术手段采集农作物生长环境参数，这其中不仅对人力、物力、时间造成浪费，甚至还会对自然环境资源的可持续性发展带来不良影响。2018年中央一号文件《关于实施乡村振兴战略的意见》也提到了要提高农业质量效益和竞争力。农业农村农民问题是关系国计民生的根本性问题。没有农业农村的现代化，就没有国家的现代化[1]。该文针对上述问题，在虚拟仿真实验平台上利用实时、动态、高效的通信方式采集环境数据，如空气温度、空气湿度、二氧化碳浓度、光照强度、土壤温湿度等若干环境参数的实时监测;实现对农业大棚的喷淋设备、通风设备、照明设备等进行可视化的远程控制实现，能够通过控制系统启动相关环境操作或者智能联动环境操作以及多样化的报警方式。如果能够得到更为精准的、专业的、科学的且能够有效促进农作物生长所需的相关环境参数，该系统能够达到更好地应用推广及使用价值。

1  系统方案

为了得到精确、实时的相关环境监测数据，在该方案中采用何种方式进行通信是需要首先解决的问题之一。方案采用Zigbee的通信协议，Zigbee是一种基于802.15.4物理层协议、支持自组网、多点中继，可实现网状拓扑的复杂的组网协议，加上其低功耗的特点，使得网络间的设备必须各司其职，有效地协同工作。该系统采用的是ZigBee网状拓扑，其优点除了满足ZigBee树状拓扑的所有功能之外，其相邻路由器之间也存在通信关系，使得网络的动态分布更为灵活，路由能力更加稳定、可靠。可以充分发挥出ZigBee网络的自组织优势。通常在支持网状网络的实现上，网络层会提供相应的路由探索功能，这一特性使得网络层可以找到信息传输的最优化的路径。并且以上所提到的特性都是由网络层来实现，应用层不需要进行任何的参与。这样就极大地方便了这种拓扑结构的应用。网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来进行通信;这种拓扑结构还可以组成极为复杂的网络;网络兼具备自组织、自愈功能。

另外一个系统需要实现的重点是C#中的Socket通信，Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，它是一组接口，应用程序可以通过它发送或接收数据，可对其进行像操作系统对文件管理一样的打开、读写和关闭等操作。套接字允许应用程序将I/O插入到网络中，并与网络中的其他应用程序进行通信。网络套接字是IP地址与端口的组合。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说是透明的，一组简单的接口就是全部，让Socket自己去组织数据，以符合指定的协议。

2  系统设计

系统的上位机软件采用Visual Studio2015为开发环境，通过ASP.Net技术和C#来进行开发。VS是一个完整的开发工具集合，它包括了整个软件的生命周期中所需要的大部分工具，如UML工具、代码管控工具、集成开发环境（IDE）等。利用Visual Studio所写的目标代码也适用于绝大多数平台。

仿真环境采用的是京胜世纪物联网产品中心的物联网虚拟仿真实验平台，该平台虚拟仿真了各种RFID、WSN等市面上常见的物联网前端设备。具有真实物理设备的完整接口和实际特性，可以通过串口和网络接口进行访问。在此平台上能够仿真验证实现的设计方案只需要再添加提供物理设备进行连接就可以直接进行运行、实现。

3  系统测试

系统运行用户界面如下，通过对IP地址和端口号的的录入，网关连接成功，能够立即刷新显示传感器获取到的环境参数。根据获取的实时环境参数空气温度、空气湿度、二氧化碳濃度、光照强度、土壤温湿度等数据可以通过手动控制或自动联动的方式进行相应的物理设备进行不同的处理。

如果检测到的温度数据不适宜农作物生长，则可通过控制内外通风设备或内外遮阳设备开启关闭操作进行调节，如果检测到的湿度数据不适宜农作物生长则可通过对喷淋设备和水帘设备及相应的通风设备和遮阳设备的开启关闭控制进行调节，如果检测到的光照强度数据或者空气质量数据不适宜农作物生长可以通过对天窗设备和遮阳设备的开启关闭控制进行控制调节。对于设备控制分成两种形式：系统界面人工手动控制和自动联动控制。其中系统界面人工手动控制是由管理员通过对数据的实时判定根据其自身掌握的农作物生长环境数据的相关经验和判断在系统用户界面上来进行相应的设备启动和关闭的操作，可以对各类设备进行单独的控制;自动联动控制则是由系统自动根据预先在系统中由后台程序设置好的农作物生长环境参数范围值和实时监测到的农作物生长环境的各类参数值进行数据比较，进而自动完成逻辑判定接着联动相应设备的启动和关闭，该方式可脱离人工监控，智能化更高，唯一存在的问题就是预先设置在后台程序中的农作物生长环境参数范围值是否精准，是否是当前时节环境的最佳值。相关设备的启动和关闭状态都可以在仿真平台上的设备上观察到相应的运行状态。

4  结语与展望

该系统能够实时、动态、高效的采集环境数据，实现了对空气温度、空气湿度、二氧化碳浓度、光照强度、土壤温湿度等若干环境参数的实时监测;实现了对农业大棚的喷淋设备、通风设备、照明设备等进行可视化的远程控制实现，能够通过控制系统启动相关环境操作或者智能联动环境操作以及实现了多样化的报警方式。

系统功能拓展如下。

（1）将传感器所提取到的不同时间、季节的相应信息数据进行分析存档入库。借助云计算大数据等科学技术为不同农作物建立专家数据库。该数据库可以根据农作物种植经验和种植技术制定智能决策功能。它可以提醒管理者根据作物的实时生长状况和趋势，在适当的时间增加肥料或开展除害工作。通过这种方式，管理人员将在收到信息后采取行动，及时施肥、补充养分、喷洒药物等，确保农作物健康生长。

（2）增加图像识别技术。利用网络结合大数据平台进行有效分析，监控识别植物生长过程精准把控植物生长过程中的各个形态，精准预测农作物生长态势，病虫害灾害预警，实现高强度生产，规避农作物的自然灾害风险，提高农业智慧化水平。随着物联网技术的成熟和应用，智慧农业将进一步从单一的温室大棚监控转变为农业生产过程的整体控制，实现对土地资源的高度一体化生产、生态管理，从而确保农产品高质量、高数量的产出。

随着物联网技术的发展，尤其是无线网络技术的发展、图像处理技术的改进以及云计算大数据技术的应用，智慧农业将拥有巨大的应用前景。今后的物联网技术将更加深入地融入农业管理和生产以及经营，必将为农业生产带来新鲜动力。

参考文献

[1] 马佳力，谢娅娅.基于物联网的智慧农业大棚系统的研究与实现[J].信息通信，2019（1）：134-135.

[2] 张海兰，雷桂平.基于物联网的智慧农业大棚系统架构设计[J].信息记录材料，2018，19（2）：63-64.

[3] 张越杰.基于物联网智慧农业信息平台建设精准监测与智能控制系统的研究[D].曲阜师范大学，2017.

[4] 段益群，刘国彦.基于物联网的智慧农业大棚系统设计[J].软件工程师，2013（12）：31，35.

[5] 黄鸿锋.基于Zigbee技术的农作物温室大棚监控系统的设计和实现[D].电子科技大学，2014.

注释

①来源于《中共中央国务院关于实施乡村振兴战略的意见》（2018年1月2日）。