基于物联网的智能温室大棚综合系统设计

李雅迪，韩佳芳，卞孝丽，马琳琳

（郑州财税金融职业学院 信息技术系，河南 郑州 450000）

0 引言

在农作物非自然生长周期内，农户普遍利用温室大棚进行种苗繁育、农作物种植和名贵珍稀花卉的培育。在温室大棚中，空气温湿度、光照、土壤温湿度、CO2浓度等环境参数对农作物的生长具有重要影响。传统的温室大棚采用人工采集数据的方式，存在工作效率低、采集数据量小且不准确等缺点，并且完全依靠人工完成环境执行设备的控制［1］。随着温室大棚规模的不断扩大，传统的大棚管理模式已经不能满足农业生产的需要。

近年来，在传统农业向现代农业转型的过程中，农业信息化带动了传统农业实现电脑农业、数字农业、精确农业和智慧农业4个阶段［2］的阶梯式进步。智慧农业中物联网技术的应用，将人与物之间的联系延伸到物与物之间，完成人与物、物与物之间的信息交换和通信，从而实现智慧农业可视化远程诊断、远程控制、灾难预警等职能管理［3］。采用物联网技术可实时采集智能温室大棚内环境参数，通过云平台将传感器采集数据以图表或曲线方式呈现给用户，用户可通过终端设备实时观察农作物的生长状况，并根据农作物的需求提供各种报警信息且完成环境调节，对提高劳动效率和农作物产量具有积极的促进作用。

1 系统总体设计方案

智能温室大棚综合系统可以实现大棚环境信息的实时采集，用户通过云平台获取农作物的生长环境状况，并根据农作物的生长需求提供报警信息，通过远程控制执行设备的“开启”与“关闭”功能，实现大棚内的浇灌、通风、补光等操作。该系统的基本逻辑层次如下：①感知层，通过前端采集设备获取农作物的生长环境信息［4］，如风速、风向、大气压力、CO2、土壤温湿度、水温、液位、光照强度、烟雾及空气温度和湿度等参数。②网络传输层，由物联网网关负责下行数据的汇聚和上行数据的回传。物联网网关通过ZigBee协议和RS485协议实现云平台、前端采集设备和执行设备之间的通信［5］。③应用层，对网关上传至云平台的各种数据信息进行分析处理，并根据环境状况下发各种控制指令［6］：一是对执行设备的控制，比如开启风机、水泵、补光灯等；二是综合各种信息，依据设定的阈值下发告警信息。

智能温室大棚综合系统主要由环境监测模块、网关传输模块、控制系统模块组成。环境监测模块选取9种传感器作为前端采集设备，实现对农作物生长环境状况的智能感知；网关传输模块中，物联网网关作为连接云平台、前端采集设备和执行设备的“桥梁”，将收集到的环境信息上传至云平台进行分析处理，使得用户可以实时远程查看大棚内农作物的生长状况，判断当前环境是否是农作物的最佳生长环境，为农作物的科学种植提供精准信息，并通过手机App、PC网页端下发控制指令，实现控制系统模块中对风机、水泵、补光灯等执行设备的操作控制。

2 系统实现方法与手段

在智能温室大棚综合系统搭建过程中，通过系统调研农业大棚的监测内容和系统建构必需的物联网知识，进行温室大棚系统构建的设备选择与模块分析。应用北京新大陆时代教育科技有限公司的物联网行业实训仿真软件，完成温室大棚仿真系统的搭建过程。

2.1 环境监测模块

环境监测模块负责采集智能温室大棚内各种农作物的生长环境信息，该模块中前端采集设备主要配置风速传感器、风向传感器、大气压力传感器、二氧化碳传感器、土壤水分温度传感器、水温传感器、液位传感器、温湿度传感器和光照传感器9种传感器。根据各传感器的测量原理和工艺的不同，可分为有线传感网络和无线传感网络2个部分。

（1）有线传感网络。由于风速传感器、液位传感器、水温传感器、大气压力传感器、土壤温度传感器、二氧化碳传感器和土壤水分传感器输出的是模拟信号，所以选用“研华”模拟量采集器ADAM-4017聚合上述传感器采集的传感数据，将各传感器的信号输出端分别连接ADAM-4017的VIN通道的0～7端口；对于烟雾传感器输出的数字信号，将该传感器的输出端与“研华”数字量采集器ADAM-4150的DI通道的0端口相连进行数据采集。

（2）无线传感网络。采用具有自组网特点的ZigBee通信技术，完成温湿度传感器和光照传感器数据等无线传感器的数据采集［7］。ZigBee网络由1个协调器节点和2个终端设备节点组成，终端节点1承载温湿度传感器，终端节点2承载光照传感器。在系统搭建时对这3个节点分别设置节点类型、信道号Channel和网络编号PAN ID。

具体的设备端口分配表见表1。

表1 设备端口分配表

环境监测模块采用9种不同的传感器采集智能温室大棚内农作物的生长环境信息，通过物联网网关将采集到的传感数据信息上传至云平台，并存储在系统数据库中，使用户能够实时查阅大棚内农作物生长的历史信息，掌握农作物的生长状况，及时对不良环境提供报警信息，并且完成环境执行设备的控制，为农作物的精准种植提供数据参考。

2.2 网关传输模块

网关传输模块通过物联网网关完成感知网络与通信网络之间及不同种类感知网络之间的协议转换，从而实现该智能温室大棚综合系统的局域互联。该物联网网关对模拟量采集器ADAM-4017、数字量采集器ADAM-4150和ZigBee网络连接的各传感器节点的实时数据进行聚合、处理和过滤，通过LCD屏呈现给用户，同时将这些传感数据通过Wi-Fi/GPRS/以太网传输至云平台，用户可远程访问云平台获取到图表或曲线形式的传感数据。并且，物联网网关在接收到云平台下发的控制指令时，能控制数字量采集器ADAM-4150连接的执行设备的启停。

模拟量采集器ADAM-4017和数字量采集器ADAM-4150遵循Modbus协议以RS485数字信号的形式输出数据，将两种采集器的数据传输端口D+和D-与该物联网网关的数据传输端口RS485+和RS485-相连，从而完成对两种数据采集器收集到的传感数据的上云，以及对数字量采集器ADAM-4150连接执行设备的控制指令的下发。该物联网网关中内嵌ZigBee协调器模块，用来采集ZigBee终端节点1、2承载的传感器的数据信息。

2.3 控制系统模块

控制系统模块能够根据采集到的环境信息，实现大棚的通风、浇灌、补光和降温等执行设备的控制。该模块支持自动和手动两种模式，用户可通过手机App和PC网页端监测农作物的生长环境状况，在出现异常时及时对大棚执行设备进行控制［8］。控制系统模块中执行设备主要有电子雾化器、水泵、风机（风扇）、补光灯等，分别由4个继电器控制执行设备的启停。4种设备分别与数字量采集器ADAM-4150的DO通道的0～3端口相连，接收ADAM-4150输出的开关量信息完成设备的开启与关闭。控制系统模块的具体功能如下。

（1）电子雾化器控制：当温室大棚内空气湿度小于设定的阈值时，系统能根据下发的控制指令自动开启电子雾化器，对大棚内空气进行加湿，当空气湿度达到预设值时关闭电子雾化器。

（2）水泵控制：当检测到土壤湿度低于农作物的需求值时，用户远程手动或自动打开水泵，对大棚内农作物进行浇灌，当土壤湿度达到设定的阈值时，自动关闭水泵。

（3）风机控制：当检测到大棚内温度高于设定的阈值时，打开水泵和风机进行降温。首先启动风扇将大棚内气体强制抽出，形成负压，同时打开水泵，打湿湿帘。室外空气因负压被吸入室内的过程中，以一定的速度穿过湿帘，促使水分蒸发，达到降温目的。

（4）补光灯控制：当检测到大棚内的光照强度低于设定的阈值时，可以远程手动或自动打开补光灯，增加棚内光照强度，促进农作物的光合作用。

3 物联网云平台部署应用

智能温室大棚中，从环境监测模块、网关传输模块到控制系统模块所需要的设备终端数量较多，并且各设备进行信息采集和传输的数据量巨大。为了在数据采集、无线传输、数据处理、决策发布和远程控制等方面实现一体化控制，需要进行物联网云平台的部署应用［9］。本文基于北京新大陆时代教育科技有限公司提供的NLECloud物联网开放平台，完成智能温室大棚综合系统云平台的搭建和系统应用，其主要步骤如下。

（1）云平台网关管理：创建智能温室大棚综合系统项目，选择行业类别是智慧农业，联网方案为Wi-Fi或以太网；添加网关设备，设置网关设备的标识是温室大棚仿真系统中网关的序列号。

（2）添加传感器：进入设备管理界面，进入传感器管理，依次添加相关传感器。其中，ZigBee网络连接的设备有温湿度传感器和光照传感器；模拟量采集器ADAM-4017连接的设备有风速传感器、液位传感器、水温传感器、大气压力传感器、土壤温度传感器、二氧化碳传感器和土壤水分传感器；数字量采集器ADAM-4150连接的设备有烟雾传感器；ADAM-4150开关量连接的设备有风机（风扇）、电子雾化器、水泵和补光灯。

（3）云平台数据采集：将温室大棚仿真系统的网关与云平台相连，使云平台成功在线。

（4）新增管理策略：选择设备控制，添加条件表达式、策略动作，生成策略信息记录。比如，要完成当大棚内的温度高于20 ℃时风扇自动开启的操作，设备控制选择“风扇”，条件表达式选择“温度大于20 ℃”，策略动作选择“打开风扇”。

上述步骤完成后，通过云平台可查看仿真系统中环境监测模块各设备的实时监测数据，并且可以控制各执行设备的启停，从而达到远程控制的目的。

4 结论

本文对智能温室大棚的系统搭建与云平台部署应用进行研究，基于物联网技术的感知层、网络传输层和应用层3个基本层次，构建了环境监测模块、网关传输模块和控制系统模块，并且完成云平台的部署应用，使农业大棚实时在线，实现了对温室大棚内大气和土壤环境状况的实时监测，使用户能实时掌握大棚种植环境的变化并及时做出调整，做到农作物的科学化种植。智能温室大棚综合系统的设计，对促进智慧农业发展具有十分重要的意义。