智能农业大棚生产环境调控系统

刘 灿，朱晓坤，丁 奇，邢康慧，伍 刚

（西安工程大学 理学院，西安 710048）

近年来，随着全球气候异常多变和农产品需求的快速增长，国内农业大棚数量不断增多，但其中多数大棚管理模式还停留在全凭感觉的人工管理阶段[1]，随着科技的不断发展，国家对新农村建设投入的力度也越来越大。

本文设计了一种基于物联网的智能农业大棚生产环境调控系统，解决人工管理费时费力等问题，能大大提高农业生产效率，减少资源浪费和环境污染，帮助农民提高收益，为促进现代农业的转型升级提供技术支撑的同时带动新农村的改革建设[2]。

1 系统整体设计

智能大棚生产环境调控系统的设计采用“感知—传输—应用”模式[3]。大棚监测终端实时采集大棚内的CO2气体含量、气温、土壤湿度和pH及光照强度等数据并上传至云平台，云平台会对这些数据进行分析并根据实际情况发布指令，再通过物联网关及无线传感网络将这些指令发布到各个农业设备的控制节点上进而控制对农作物的灌溉、施肥、遮光、补光及通风等操作，同时管理人员也可远程对大棚内的环境情况实时观测及对监测终端下发指令，以实现对农业大棚生产的全天候监测、标准化种植和智能化管理，提高农业生产效率，减少资源浪费和环境污染，智能大棚系统总体设计如图1所示。气象监测模块和土壤监测模块实时采集农业大棚内的农作物生长环境参数，通过NB-IoT网络传输至腾讯云平台，云平台分析处理后，通过NB-IoT网络下达调控指令至气象调控模块和土壤调控模块，来完成对农业大棚内的生长环境调控。

图1 系统总体设计

2 数据采集

吴晓斌[4]将NB-IoT技术应用于窨井盖及井下工况远程监控，NB-IoT技术具有功耗低、覆盖面广等特点，提高了区域覆盖能力，解决了农业大棚监测设备安装较为广泛不易监控的问题，且其功耗低的特点使得一块5 Wh的电池可以供终端使用长达10 a的时间（理论层面），满足智能农业大棚的监测终端常年处于温热潮湿的恶劣环境。本文智能农业大棚生产环境调控系统的数据采集由气象监测模块和土壤检测模块完成，监测模块和云平台通过NB-IoT网络实现数据传输。监测模块由空气温度传感器、空气温度传感器、光照强度传感器、CO2气体传感器、土壤湿度传感器、pH传感器和NB-IoT通信模块等组成。实时监测温室大棚内部的空气温湿度、光照强度、CO2气体含量和土壤湿度及pH等数据。该模块主要负责大棚内部生产环境数据的采集和传输。土壤监测模块架构如图2所示，气象监测模块架构如图3所示。

图2 土壤监测模块

图3 气象监测模块

3 云平台

腾讯云云服务器可以在智能移动终端上随时随地对环境进行远程调控[5]。智能农业生产环境调控系统云平台基于腾讯云云开发设计，预先在云端建立已知农作物的最佳生长环境相关参数的数据库，如图4所示。在农作物参数菜单页内可以添加不同农作物的生产环境参数，根据实际农作物适宜的生长环境设置如温度、空气湿度和土壤pH等参数的范围数值，以此作为智能农业大棚生产环境调控系统的后台数据库。根据种植的农作物调用适合农作物的生产环境数据，以此作为传感器的监测标准，通过对农作物生长的环境数据进行采集、上传之后，云平台会对这些数据进行分析处理，并根据实际情况对环境调控模块发布调控指令。农作物生产环境监测情况如图5所示。

图4 云平台数据库

图5 农作物生长环境监测情况

4 环境调控

环境调控由土壤调控模块和气象调控模块完成，调控模块和云平台通过NB-IoT网络实现数据传输。土壤调控模块依据云平台的调控指令对不同作物生长需求进行滴浇灌溉和施肥处理，改变土壤的温湿度和酸碱度，以达到最适合农作物生长的土壤环境；气象调控模块依据云平台的调控指令对不同作物生长需求进行加湿、通风和补光等处理，改变空气的温湿度，CO2气体含量和光照强度，以达到最适合农作物生长的气候环境。土壤调控模块和气象调控模块依据云平台的调控指令可以实现对农业大棚内农作物生产环境的实时调控，能大大提高农业生产效率，减少资源浪费和环境污染。土壤调控模块架构如图6所示，气象调控模块架构如图7所示。

图6 土壤调控模块

图7 气象调控模块

5 结束语

文中设计了一种智能农业大棚生产环境调控系统，包括气象监测模块、土壤监测模块、云平台、气象调控模块和土壤调控模块。监测模块实时采集农业大棚内农作物的生长环境参数并传输数据至云平台，云平台根据预先选择的农作物的生产环境参数标准，对监测模块传输来的数据进行分析处理后，对不适宜相应农作物生长的环境下达调控指令，调控模块接收到来自云平台的调控指令改变不适宜农作物的生产环境，最终把不适合农作物生产的环境调控成适合农作物生产的环境，实现农业生产的全天候监测、标准化种植和智能化管理，大大提高农业生产效率，减少资源浪费和环境污染。