基于物联网技术的设施农业自动控制系统

李金莹 ， 张日升 ， 杨宏业 ， 宣传忠 ，4

（1.内蒙古国讯富通科技有限公司 内蒙古 呼和浩特 010010；2.内蒙古工业大学 电力学院 内蒙古 呼和浩特 010010；3.内蒙古工业大学 信息学院 内蒙古 呼和浩特 010010；4.内蒙古农业大学 机电工程学院 内蒙古 呼和浩特 010018）

我国是农业大国[1]，农业大棚种植农产品已经成为我国一些农村的重要支柱型产业，农业大棚种植可以为低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物提供适宜的环境参数要求，但农产品对环境温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等要求很高，环境调控成为生产中的关键技术，如何科学、合理地调节温室内的温度、湿度、光照、水分、气体等生态环境因子使之能更好地促进作物的生长发育，需要用户具备很强的专业种植水平以及投入许多人力与精力全天候守候于大棚中[2]。当前用户的迫切需求是在减少农业大棚人力投资与时间投入的同时，大棚仍可以为用户继续增值创收，因此大规模无人值守式的基于物联网共性平台的农业大棚自动监控系统对于设施农业的发展具有很高的实用价值。

1 物联网、设施农业与WIFI概念

物联网（The Internet of things）的概念是由美国麻省理工学院在1999年时提出的，物联网是指通过射频识别（RFID）、传感器、全球定位系统、二维码等信息感知识别设备，按照约定的协议进行连接，再通过有线或无线网络进行传递信息与通信，能够完成智能化识别、采集与分析数据、智能或自动控制、定位与跟踪监控、管理等的一种创新信息化技术，其特征主要表现在可以实现全面感知、可靠传递、设施处理这三方面。物联网是继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次信息浪潮，以此同时，物联网技术也被誉为全球一个新的经济增长点，我国政府部门都很重视物联网产业的发展趋势，在各省启动的十二五规划中，已有23个省份将物联网产业作为重要的发展目标。

当物联网技术在设施农业中的应用的时候，在农产品生产的的周期时间内，可以向广大用户提供及时有效的服务信息、智能监控与专家分析、科普知识等技术支持，并集中利用了信息技术、工程技术、环境技术、生物技术等一体化技术的现代农业生产方式[3]。农业物联网的应用首先是将所采集到的数据进行分析，然后根据分析结果自动实现监控灌溉、升降卷帘、补光、专家会诊等一系列操作。其中央控制柜与多节点数据采集器组成了两级分布式计算机控制网络，具有分散采集和集中操作管理的特征，系统的配置可以根据需求进行增加或减少的灵活设置。通过传感器可以实时的采集温度、湿度、二氧化碳等环境参数，并传到各个节点，完成各个节点与上位机的通讯，在控制柜的显示屏与计算机软件界面上都可以显示所采集到的环境参数值，可进行数据设定、分析、报警等功能。

WIFI（Wireless Fidelity）是一种短程无线通信（保真）技术，可以将计算机与网络通过无线的方式连接起来，使网络构建与终端移动变得更加灵活。WIFI的主要特征是：传输速度快、建网成本低、覆盖范围广、可靠性高[4]。WIFI在无线局域网中的数据传输中，链路层与物理层采用的是IEEE 802.11标准[5]，IEEE 802.11标准是由IEEE（美国电子电气工程师协会）定义的一个无线网络通信的工业标准。IEEE 802.11系列包含了应用广泛的 IEEE 802.lla、IEEE 802.llb、IEEE 802.11g以及IEEE 802.lln等等新标准[6]，其中目前最常见的是IEEE 802.llb应用于笔记本电脑与无线局域网的接入，IEEE 802.llb采用了2.4 GHz的ISM频段上的无线调频工作方式。

2 系统功能

该系统功能既可以实现远程控制功能，接受上位机的控制而产生控制决策；还可以实现脱机运行功能，能够在上位机关机的情况下进行独立工作，用户或专家通过键盘预设环境参数，自主执行下位机决策程序，实现温室的自动控制。系统功能的网络拓扑图如图1所示。

图1 网络拓扑图Fig.1 Network topology

基于物联网技术的设施农业大棚系统主要是由空气温湿度传感器、光照传感器、CQ2传感器以及土壤温湿度传感器等实时检测大棚内部的环境参数，通过RS485网络将数据实时的传送到田间管控中心，田间管控中心（值班室）再通过3G网络与监控中心、各级监管、各级应用进行连接，在监控中心的物联网共性平台上可以显示与存储每个时刻点所对应的温湿度数据以及直观的时间-温湿度曲线图；大棚内部安装的高分辨率的视频摄像头通过WIFI网络将采集的数据传送到监控中心，在终端建立专家库，用户可以挑选专家对棚内作物进行实时的分析、诊断，可以及时获得作物的预防与治疗方案，完成专家远程会诊应用；用户还可以用手机或电脑通过3G网络及互联网方式获取大棚内部实时的环境数据，当设定的环境参数值超出了预定值，监控中心则会通过3G网络向用户手机发送相应的警报信息，同时向对应的大棚控制柜传输指令，控制柜的显示屏操作系统会自动执行指令所对应的程序来启动继电器，执行及时的调节措施；监控中心还可通过3G网络及互联网方式向用户发送有关农业大棚养殖管理、病虫害预防、天气预报、市场行情等人性化服务信息。

3 系统总体构架设计

本系统总体构架的主要组成部分有：大棚内部模块、田间管控中心模块、物联网共性平台、应用平台，如图2所示。系统总体构架的设计既可以实现所有农产品的联网监控，又可以满足用户或研究人员根据环境状况制定农作物的合理生产管理方案，进一步提高了农产品的产量与质量，促进了农作物品牌化的发展道路，大大的提升了农产品的生产效益与市场竞争力。

图2 系统总体架构图Fig.2 Overall system architecture diagram

3.1 大棚内部模块

大棚内部模块主要包含了调节环境参数与视频监控两部分功能。温室大棚内部的环境参数通过空气温度、湿度、光照、CQ2、土壤温湿度等传感器进行采集，然后通过RS485网络实时传递给数据处理系统，如果传感器上报的参数超标，系统则会出现阀值告警，并自动打开或关闭农业设备（如控制浇灌、自动降温、开关卷帘等）进行智能调节。此系统选用了北京迪辉科技有限公司研发生产的DWSCZ-T8系列数字温度、湿度、CO2和光照传感器四合一体的变送器，其具有测量数据稳定，精度高，抗干扰能力强等特点，将其安装在大棚内部中间位置采集环境参数；同时大棚内部安装的高清摄像头，可以通过WIFI网络进行实时的采集视频信号，通过服务器传输到监控中心，实现了对农作物生长进程的远程监控。用户也可以通过电脑登陆检测系统（如图3（a）所示）或使用手机客户端（如图3（b）所示）随时随地的观察棚内情况、查看现场温湿度等数据和远程智能控制调节指定设备。

图3 环境参数查询平台Fig.3 Environmental parameters query platform

3.2 田间管控中心模块

田间管控中心系统不仅能够实现数据的采集、通信、诊断与报警等功能，而且可以在无人监管的情况下控制设备安全经济可靠的自动化运行功能。田间管控中心系统的核心控制器采用了北京蓝海微芯科技发展有限公司的LJD-eWin系列ARM＆Window CE触控一体机LJD-eWin7000（如图4所示），它以32位高速ARM做为主CPU，以 Windows CE5.0系统作为主操作系统，具有友好的人机对话的能力。LJD-eWin7000通过对控制程序的编译，本系统将采集到的环境参数值通过有线或者无线的网络方式上传数据给LJD-eWin7000，进过信息汇集与信息融合以后，可以通过LJD-eWin7000的显示屏直观的显示棚内环境数据与处理的数据结果，而且能够以时间分布状况曲线图和棚内空间分布状况图直观的形式展示在电脑界面上（如图5所示），使用户更加方便查看棚内的相关情况。

图4 LJD-eWin7000显示屏Fig.4 LJD-eWin7000 display

3.3 物联网共性平台模块

图5 田间管控中心界面Fig.5 Field Control Center interface

在物联网共性平台上可以显示与存储每个时刻点所对应的温湿度数据以及直观的时间-温湿度曲线图，从而实现农业生产环境进行实时检测功能；在共性平台上用户可以挑选专家对棚内作物进行实时的分析、诊断，及时获得作物的预防与治疗方案，完成专家远程会诊功能；通过设置环境参数阈值能够实现大棚的自动通风、光照、灌溉等农业设施智能管理功能；用户和超市采购通过共性平台可以方便的实现对接工作与查询农产品相关的培育、生产、质检、运输过程等溯源信息功能；工程师可以通过数据仓库功能进一步完成数据挖掘工作，作出一个较为合理、准确的农业大棚发展状况的分析与预测；用户、专家与视察人员可以通过WebGIS功能方便的查看大棚与设备所在位置，了解其详细的地理信息。可以看出物联网共性平台（如图6所示）主要具有对农业生产环境进行实时检测、远程视频专家会诊、农户与超市对接、农产品溯源、农业设施智能管理、数据仓库和WebGIS（与地理信息系统相结合，如图7所示）查询功能等。

图6 农业物联网共性平台Fig.6 Agricultural things in common platform

图7 与地理信息系统相结合Fig.7 Combined with geographic information systems

3.4 应用平台模块

通过应用平台，用户可以在任何的时间、地点通过任意能上网终端（PC、Ipad、3G手机等）实时农业生产环境数据，实现对大棚内部各种设备进行远程控制（例如喷淋、卷帘、风机）。系统允许用户制定自定义大棚环境的数据范围，若是超出范围的错误情况发生，将以短信的方式把报警信息发送到用户手机上，并会在系统中进行标注。农户还可以借助农业专家电话服务热线、彩信、短信的方式，咨询农业专家在农业生产方面遇到的问题，同时获得更多的及时的农业生产信息。

4 结束语

基于物联网技术的设施农业自动控制系统农业大棚的应用，使农户摆脱了凭经验、依赖天气、粗放型的的农业种植管理方式，也提高了农产品的疫情疫病防控能力，确保了农产品的质量安全，促进现代农业更加精细化生产；促使运营商加速利用无线网络拓展无线城市的应用方向，一旦此应用在农业中得到了普及，运营商便可获得源源不断的收益；也促使当地政府更好的服务于三农，塑造了地方农业品牌与产业升级，提高了农产品产量与品质的同时，惠及了广大农户。

[1]宣传忠，武佩，马彦华，等.基于物联网技术的设施农业智能管理系统[J].农业工程，2013，3（2）22-26.XUAN Chuan-zhong，WU Pei，MA Yan-hua，et al.Networking technology based agricultural facilities intelligent management system[J].Agricultural Engineering，2013，3（2）：22-26.

[2]曲广明.基于ZigBee物联网的设施农业大棚多参数检测控制终端的设计与实现[D].呼和浩特：内蒙古工业大学，2013.

[3]李金莹，杨宏业，吕文娟.物联网技术与我国设施农业发展[J].安徽农业科学，2013，41（19）8344-8346.LI Jin-ying，YANG Hong-ye，LV Wen-juan.IOT technology facilities and agricultural development in China[J].Anhui Agricultural Sciences，2013，41（19）：8344-8346.

[4]鲁艳，毛旭.基于WiFi的无线网络安全方案对比分析[J].广东通信技术，2007（3）25-29.LU Yan，MAO Xu.wireless WiFi network security solutions based on comparative analysis[J].Guangdong Communication Technology，2007（3）：25-29.

[5]傅扬，潘敏，史晓翠.WIFI网络技术与安全问题分析[J].计算机安全技术，2010（7）121-122.FU Yang，PAN Min，SHI Xiao-cui.WIFI network technology and security analysis[J].Computer Security Technology，2010（7）：121-122.

[6]吴红举，沈建华.嵌入式WiFi技术研究与通信设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2005，（6）5-7.WU Hong-ju，SHEN Jian-hua.Embedded WiFi technology research and communication design[J].Microcontrollers&Embedded Systems，2005（6）：5-7.