智慧农业大棚计算机信息管理系统的设计与实现

□文/韩鹏 王军红 王金炜

基于物联网的智能温室是利用物联网和分布式传感器网络，收集、存储、传输、分析、处理和输出温室内的光照、温度、湿度、二氧化碳含量、pH 值、作物生长、土壤质地以及养分和水分状况，然后配合信息转换，及时有效地控制智能决策系统，根据区域内元素的空间变量数据准确设置最优的施肥灌溉、照明控制、控温控湿等决策操作，让农作物在不同生长周期利用信息智能管理系统达到实时、定量、精准的标准化生产，这样既可以让水肥的利用效率显著提升，最大限度节约了人力物力，还能进一步加大管理效率和作物产量，推动农业科技发展的进步和创新，加快农村发展方式的转变，最终以最小的经济投入实现农作物的最佳产出［1-2］。

一、智慧农业信息系统总体设计

智能农业温室系统分为三个部分：无线传感器网络、网关和主控中心，该系统很好地结合了嵌入式技术、传感器检测技术、无线通信等技术。其中，无线传感器网络的组成主要由四部分组成：协调器、路由器、五个数据采集节点、一个控制节点等［3］。五个数据采集节点为：土壤湿度节点、光照传感器节点、温度传感器节点、湿度传感器节点、安全传感器节点，这些采集节点所采集的信息有室内温度、光照度、湿度、安防、土壤湿度等信息，然后将再度采集到的信息传送到协调器，再由协调器对这些数据信息进行汇总。首先，协调器和网关利用串口可以实时将温室内的各种设置参数、命令和数据进行传输；其次，协调器向控制节点发送控制命令，对风扇、加湿器和加热器等开关进行控制，实现对智能农业大棚室内环境的远程调节。

系统整体功能框图、网络拓扑图如图1、图2所示。

图1 系统整体功能框图

图2 网络拓扑图

智能农业温室系统可以对室内的温度、湿度、光照度、土壤湿度、安防等信息做到实时采集，并对室内作物生产需要的参数进行高精度测量，并智能控制好室内环境，如温度、湿度、通风等，自动记录好这些历史数据。此外，该系统运用物联网技术还能远程获得大棚中农作物的生长关键参数，用户通过登录网络平台远程实时浏览室内相关数据，及时了解农作物的生长情况，通过远程控制室内设备开关将大棚内环境实时调整到最佳。

二、智慧农业信息管理系统设计

（一）数据传输过程

智慧农业信息管理系统的数据传输过程，系统可以通过由光照传感器、二氧化碳传感器、温湿度传感器、土壤湿度传感器等收集到数据信息后，再通过代码将这些数据信息传送到单片机，单片机将数据通过串口通信，将传感器所收集到数据信息显示在OLED显示屏上，再由单片机与Air724 全网通4GDTU 模块进行UART 通信，这时单片机利用串口1 传输给Air724 模块，再由Air724 模块将检测到的数据采用MQTT 协议传输到云平台，并将检测动态数据实时显示，这样就不需用户亲临大棚现场，直接可以参照设定的环境参数对风扇和水泵的开关进行远程控制。

（二）系统硬件设计

根据智能农业温室系统的功能分析，在该平台内包含有很多不同的传感器，比如空气温度、湿度等传感器、土壤温度和含水量传感器、二氧化碳浓度传感器、光照度传感器，而这些不同的传感器与系统之间的通信连接，必须采用ZigBee 物联网技术和远程通信技术等技术才能实现［4］。

1.空气温湿度传感器

可以将SHT10 集成电路芯片用作温室空气温度和湿度传感器，主要是利用电容式聚合物测量空气湿度，使用间隙聚合物测量空气温度，而且它的优势也非常显著，不仅测量精度过高，且测量灵敏度也很高。对大棚内的空气温湿度传感器的信息传输方式则选用RFID 无线传输方式，这种通信方式能够达到60米距离内实现数据有效传输。系统按照传感器测量的数据所分析的结果显示，如果室内温度过高，那么系统则会通过控制排风扇进行排气；如果室内的空气湿度太低，系统则会控制加湿器进行水分补充。

2.土壤温度、含水传感器

土壤温度的测量是通过在温室土壤内部购买热敏电阻来实现的；土壤温度通过热土壤的介电常数可以很好地测量土壤含水量，而根据土壤温度和含水传感器所测量的土壤参数具体数据信息显示，如果数据显示土壤缺水，这时系统就会通过远程控制喷灌装置来进行喷洒操作。

3.二氧化碳含量传感器

针对二氧化碳含量传感器，其主要是采用NDIR 原理的红外光吸收方式来检测大棚内的空气中二氧化碳的含量情况，这种的传感器有着很高的测量精准度。当二氧化碳含量传感器检测到大棚内二氧化碳浓度很高时，系统就会自动控制排风扇通过增强通风，实现对大棚内的二氧化碳浓度的调节。

4.光照强度传感器

使用光敏元件不仅可以让光照强度的信号有效转变成电信号，还可以将转换的电信号传送到系统平台并加以分析，而光照强度如果大大超出系统的预设阈值，这时就需要控制大棚顶部的遮阳帘对大棚进行遮蔽，减少其光照强度。

三、智慧农业信息系统功能实现

为了有效检验智慧农业信息系统的稳定性和可靠性，在实验室中使用该系统进行了简单地测试。实验结果表明，无线传感器节点将会每隔一段时间就收集到一些数据信息，如温度和湿度、光照、人体红外和土壤湿度等数据，然后再将这些信息发送给协调器，利用协调器节点再将其传输到网关中，而测试结果显示，该系统不仅网络非常稳定，且数据传输也很可靠，能够使温室内环境实现自动保温、保湿、安全系统管理等，由此可见该系统能很好满足大棚室内的不同需求。

四、结语

现阶段，智能农业信息系统正逐渐朝着集成化、系统化趋势发展，可见未来对农业生产发展智慧农业已经成为趋势。通过应用智能控制算法，既能让农作物的生长环境得到有效改善，也能让农作物一直处在最佳生长状态。此外，由无线环境参数采集和无线控制技术，建立了一个可遥感的智能农业大棚，将采集到的数据经过网络平台传送到主控制中心，然后再对数据进行管理和分析，从而让智慧农业大棚从数据采集、设备控制、远程控制、数据分析和汇总等实现了一体化解决方案。