基于物联网技术的智慧农业大棚设计与应用

赵佰平

(甘肃省商业设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

引言

长期以来，我国农作物保持高产量的主要因素之一就是大量的农药化肥投入。放眼于传统种植过程中，由于水资源以及化肥未得到高效利用，由此致使养分被大量的损失，同时还极大污染了环境。截至目前，我国农业生产模式还是以传统生产模式为主，这种模式只是单纯依赖农民自身经验来开展施肥灌溉工作，不仅导致大量物力、人力浪费，也极大威胁了水土以及环境安全，这对于我国农业的长久稳定发展起到了阻碍作用。物联网的发展以及兴起，使得智慧农业也得以进步，出现“物联网智慧农业”。以实时动态农作物种植环境有关的信息采集工作作为基础，采用快速和多维为主的监测工作来完成，在种植专家知识系统基础上保证作物种植，可以完成智能浇灌以及智能施肥等。

1 系统实现手段及方法

1.1 大棚中的无线传感网络设计

详细了解大棚环境感知子系统内容，其一般涉及到的环境指标包含2个，大棚内部的土壤环境和大气环境，这2类指标的检测都是依赖无线传感网络来实现的。在充分对无线传感网展开分析的过程中了解到，其主要是基于ZigBee协议作为前提的自组织无线网络技术。该技术的优势是传输速率低且功能较强，并且成本低。网络凭借感知节点以及协调器节点来共同实现完成，所有的感知节点都涵盖了感知数据，这些数据也都是凭借多跳传输方式，最终在协调器节点上得以汇集实现向上传输的工作，这样同大棚环境所需的实时检测要求具有高度一致性。

将关注对象放到感知层面，具体涵盖的部分有4个方面，即控制模块、传感器模块、电源模块、通信模块。信息模块以及节点控制都采用MCU来完成。MSP430F1611本身是16非处理器，该处理的特色就是功耗较小，并且具有较快的模式转换能力，同时其外设接口能力也非常强。CC2530本身属于能够同SOC兼容的芯片，能够对ZigBee PRO以及ZigBee 等标准进行支持。其中心工作的频率可达到2.4GHz，同时其能够提供4种供电模式，具有较强的抗干扰性以及灵敏度。在CC2530以及MSP430F1611间，借助SPI接口完成有关的通信工作，针对协调器节点来看，其中并未设置传感器模块，主要是增加了同上位机完成通信的模块，其能够借助RJ45以及串行接口通信等方法来完成，具体的节点硬件结构见图1。

图1 节点硬件结构

大棚中的大气环境检测工作包含CO以及空气温湿度等。想要确保农作物在大棚中稳定生长，就需要保证大棚中温湿度及光照等因素都处于合适的状态。需要注意的是，当开展大棚农业时，如CO的浓度达到一定数值，会严重影响大棚中作物生长情况，并且会产生损害；当CO含量超标，还会致使人体受到损害。因此，应该对CO进行实时检测。大棚中土壤环境检测标准具体涵盖2方面，土壤pH值及温湿度。辨别土壤具有肥力的标准就是温湿度，而肥力主要取决于土壤氮化程度。土壤的酸碱度在很大程度上会对土壤肥力以及植物生长造成巨大的影响。在开展农业生产工作时需要关注土壤酸碱度的数值，并且借助有效方法对其进行调整。智慧大棚内部包含的传感器种类超过7种，具体涵盖了CO和空气温湿度以及土壤温湿度等。为了保证自动灌溉功能能够有效实现，可以增设智能水泵控制节点，以对水泵进行控制。

详细了解无线传感器网络软件能够看出，其具体包含2部分，协调器控制程序和终端节点控制程序。终端节点完成搜索同时添加到网络中，这个时候其将协调器传输至此的数据帧接收到，由此将传感器数值读取到。终端节点借助对继电器进行控制从而也达到对水泵开关进行控制的目的，具体的重点节点工作程序见图2。

图2 终端节点程序流程

将节点循环进行协调并且等待从Mesh节点发出的命令，同时向Mesh节点发送网络状态。当完成所有的初始化工作以后，假如终端节点要在网络内添加，那么应该创建连接。

1.2 无线宽带网络传输子系统设计

Mesh网络不只具有自组网技术，还包含WiFi技术，并且还有分布式多跳功能，在传输速率方面能够达到54Mbps的最大数值，而其跳数的最大数值是5，可以最快时间完成无线覆盖，并且具有较强的抗干扰能力以及较快的移动速度、传输速度等，其能够在具有较高网络要求以及复杂标准的环境下，完成传输无线数据以及监控无线视频图像等业务，并且能够实现IP音视频电话和IP视频会议等。其被普遍使用到无线网络接入中。该系统的构成涵盖了3部分，蓄电池、无线Mesh设备、太阳能供电系统。智慧大棚内部全部传感器信息均能够汇集于协调器节点中，并且协调器以及Mesh网络节点可以完成通信，同时将其在终端中完成显示工作。

同软件功能有效结合在一起，Mesh节点自组网所相关的通信覆盖直径能够参照需求完成调控。安装Mesh网络的步骤非常简单，但需要大量基站的参与，不需要选取合适的位置以及进行精确的规划就能够确保得到稳定的通讯。将某个节点进行简单移动就能够确保某个无信号，或是信号较弱的区域得到完善。因此，其具备超强的网络覆盖灵活性。

1.3 视频监控子系统设计

智慧大棚视频监控，是凭借先进技术实现对大棚的持续报警及监控任务，不仅有无线智能摄像头，同时还有视频数据分析处理技术等，摄像头能够将图像进行转换及搜集，视频监控借助Mesh无线高速骨干网将部署的难度下滑，从而使得灵活性得以提升。采用视频实时智能分析能够使得视频监控的稳定性以及时效性得到全面提升，并且减少人工操作步骤，从而减少储存资源的消耗速率，极大提升数据查询率。传统视频监控一般都是采用人力对多路视频进行监视，监控人员的工作压力巨大，并且也容易出现疏漏。

2 系统整体性设计

关于系统逻辑层面，本系统具体包含3方面。感知层，能够将前端感知信息实时获取，同时凭借传感器对大棚中的大气环境及土壤环境情况进行实时监测；传输层，把实时获得的监视视频信息、全部信息，凭借Mesh高速网络向数据处理中心完成传递；应用层，针对以上所有传输的数据完成储存以及处理。基于土壤以及大气感知信息作为依据对水泵启动灌输进行控制，针对涵盖所有视频信息的众多数据展开综合性的处理。

系统是通过4个子系统构成，视频实时监控子系统、环境感知子系统、数据中心、无线宽带传输网络子系统。借助了解以及分析大棚环境感知子系统，其内部最为核心的应用就是新型传感器，实时监测大棚内部大气温湿度、CO含量、光照强度等，同时可以针对土壤温湿度等相关的参数开展实时监控工作。详细了解视频实时控制子系统，其通常采用的是无线高清视频监控技术，凭借该技术能够确保趋于全天候监控工作的实现。本次智慧大棚系统主要使用物联网技术，所有的信息都会借助无线Mesh网络传输到数据处理中心进行处理，并将其反馈以及显示。

3 智慧大棚实际部署应用

将某个区域的智慧农业园区作为观察对象，并且对其进行详细的阐述说明。将面积为667m2的大棚作为具体部署环境，具体细分成6个不同的区域。全部区域均能够部署环境感知节点，即土壤pH值节点以及CO节点等，并且在其中添加自动灌溉控制节点。由此可以看出，其搭配的终端节点总数为42个。在大棚内部涵盖的视频监控系统数量为2套，包含1个sink节点，2个Mesh节点。在大棚内部配置数据服务器，移动设备终端数量2台，同时数据中心1个套件，大棚中设置36个环境感知节点、6个控制节点，同时还包含1个sink节点。

将环境感知节点安装在大棚的木制骨架及金属骨架中。具有垂直固定架的大棚中，将感知节点安装到固定架上；没有垂直固定架的大棚就需要将其安装到金属固定架上。安装感知节点时，需要确保其安装高度比全部植物高，以避免大棚灌溉过程中将感知节点淋湿的情况出现。在安装土壤类感知节点时，其所参照的部署方式同以上阐述内容，所有的土壤感知节点的位置都应该放置在土中，便于对土壤pH参数以及温湿度数值的检测。

在大棚入口处统一部署视频监控套件，应用可旋转式无线高清摄像机，不仅能够对大棚内的植物成长状况进行密切关注，同时还能够对相关人员的出入情况进行24h监控。

在大棚外部署Mesh节点，在数据中心监控室部署Mesh节点，这2台Mesh节点在部署的过程中需要确保距离在1km之内，并且中间没有较为显著的遮挡物，以确保通信稳定性及高速性。数据中心服务器安装到数据中心，所有的设备单元在供电方式方面主要以市电供电为主，无市电情况下，主要借助太阳能供电以及蓄电池供电相融合的方式来完成。

整个系统在某个大棚中完成试用，经过有关的检测发现，该系统能够实时检测大棚中的土壤环境参数以及大气环境，同时将相关的信息进行实时性反馈，由此使得信息预警以及水泵灌溉工作得以有效控制。系统本身具备的扩展性是较强的，并且达到的效果也绝佳，这能够同大棚管理工作相适应，进而使得大棚经济效益以及生态效益得到全面提升。

4 结束语

近年来，为了全面提升人们生活质量以及水平，同时也为了尽可能丰富食物品种，温室大棚发挥了重大作用。影响种植作物环境的因素包含湿度、温度以及光照度等，所以依赖传统人工控制方式来确保种植工作的高效性是非常困难的。截至目前，我国能对以上所有环境因素完成自动监控的系统非常少，而外国在此方面的系统价格非常昂贵，并且同我国情况不相吻合。参照我国当下的具体状况来看，经由有效且合理的分析，最终把物联网技术和宽带网络技术全面且高效地融合起来，由此使得智慧农业大棚信息化系统具有智能监测、智能决策以及实时控制等功能。本文主要对农业大棚智能化展开了细致的分析及研究，将传统大棚在生产方式上的落后性进行优化和改善。借助物联网内部的无线宽带网、无线传感器以及视频监控等技术确保实时检测农业大棚土壤及大气环境情况，确保有关人员能够对大棚内部的环境情况进行有效检测，并且借助数据做出科学决策，实现大棚智能化管理进程。