基于物联网技术的农业温室管理系统

王国强 尹芳园

摘要： 物联网技术是一种将信息技术、传感器技术、无线通信等技术融合的新型技术，广泛应用于农业生产的监测，对降低农业管理成本、提高农作物生产流通效率起到了重大作用。本文从农业生产过程的实际需求出发，并结合相关的物联网技术，提出了一种基于传感器网络、Web技术的农业温室管理系统，该系统有利于提高农业生产的信息化水平和管理效率。

【关键词】物联网技术 温室管理系统 农业

我国正处于从传统农业生产模式向着现代化农业转型时期，对于能够提高农业生产效率和自动化管理水平的技术有着巨大的需求。通过对比传统农业和现代农业不难发现，传统农业的种植生产依靠农民的经验和对天气变化的感觉来进行浇水、施肥等作业，这种方式不仅费时费力，而且精度、准确度都不高，不利于农作物的生长；而且根据现代农业生产的要求，需要对影响农作物生长的多种自然要素进行科学化的精确控制，比如对大棚的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度等进行调节，实现按需求量进行供给。

所以，传统农业对农作物的生产管理模式已经不能满足需求，而本文研究的基于物联网技术的农业温室管理系统就能够解决现代农业生产中碰到的问题。该系统建立在农业物联网的基础之上，利用传感器技术、Web传输技术远程获取温室大棚内部的土壤和空气的温湿度、二氧化碳浓度、光照强度等环境参数，并实时传输到温室大棚管理中心，用户可以利用这些参数掌握农作物生长环境的变化，确保农作物处于最优的生长状态。

1 农业温室管理系统结构设计

物联网技术最为明显的特征就是网络智慧化，通过利用信息化的手段实现物与物之间相连，提高不同行业的自动化管理水平，减少人为干预，从而极大程度地提升效率，同时降低人工带来的不稳定性。因此，基于物联网技术的农业温室管理系统利用物联网技术的通讯优势，与传统农业温室大棚生产深度融合，通过网络传输方式实现信息的采集及管理，将物联网与现有的互联网整合起来，实现农业温室的智慧化管理。本文研究的系统主要由Zigbee通信网络、串网口转换模块、服务器三个部分组成，以下是对基于物联网技术的农业温室管理系统的各个部分进行详细介绍：

1.1 Zigbee通信网络

短距离无线通信技术包括蓝牙、Wi-Fi、Zigbee等，本系统采用更灵活低功耗的Zigbee通信技术，实现主设备和其它传感器之间的通信。ZigBee通信网络为整个系统最前端的通讯模块，主要构成部分为协调器、路由器、终端节点，其中协调器主要负责协调发送信息，管理路由器和节点，而信息转发则由路由器来完成。本系统利用Zigbee通信技术把温室管理系统中的各个硬件结点连接组成一个小型网络，这种方法降低了使用成本且简化了温室内线路布局，有利于系统的部署和后期管理维护。

1.2 串网口转换模块

在温室管理系统中，用于监控的传感器、控制器等底层设备通过Zigbee协议进行通信，传输的数据大部分为简单的数字，如温度、湿度等数据。串网口转换模块就是一个串口转以太网（ TCP/IP）协议转化器，便于实现嵌入式联网且保证联网的稳定性。该模块一端与路由器连接，另一端与主设备连接，而主设备与各个传感器相连并协调传感器数据传输。因为主设备没有集成网口模块，传感器获得的数据均以RS-232串口方式进行通信，所以为了实现系统的远程化管理，需要串网口转换模块将串口数据转换成网口数据，通过TCP/IP协议在Web网络上进行传输至Web服务器。

1.3 服务器

本文研究的基于物联网技术的农业温室管理系统使用Web形式的控制接口，上层的PC机作为Web服务器，对外界访问提供Web服务。服务器上的Web程序负责硬件结点的状态收集和展示，将传感器等设备采集到的数据传输至服务器控制平台，同时将控制指令发送给温室中需要控制的设备。Web服务器对数据的处理分为数据记录和数据传输，通过设置数据库服务器来存储所有传感器记录的实时数据。同时，远程客户端通过访问数据库服务器，由服务器上设置的程序进行数据分析和数据可视化处理，便于对温室中环境数据变化进行分析和处理。

2 功能模块设计与实现

一般情况下，根据基于物联网技术的农业温室管理系统的总体结构和用户分析结果，以提升物联网温室管理系统监测管理效率为目的，基于物联网技术的农业温室管理系统主要包括以下几个功能模块：

2.1 用户管理模块

用户管理模块在整个管理系统中独立设计和运行，主要实现用户系统登录、权限修改、新用户添加、用户修改等功能。普通个人用户则不能单独注册账号，需要系统管理员添加用户账号，管理员根据用户的角色和功能要求设定相关使用权限，避免出现系统相关的安全问题。用户管理模块的实现需要系统数据库Web程序成功连接，管理员通过对系统数据库进行添加、修改、删除等操作，完成用户的添加和权限设定。这些“增删改查”功能通过后台用户管理的数据库操作代码来实现，用户管理列表、增加用户等模块可以实现系统的用户管理功能，这种用户管理数据库操作代码的设计和编写便于该软件系统的后期维护和修改。

2.2 硬件结点管理模块

整个管理系统的硬件部分包括由多种传感器组成的网路，传感器网络由若干采集节点、汇聚节点、中转器、上位机控制中心组成。传感器网络采集节点完成数据采集、预处理和通信工作，汇聚节点负责网络的发起和维护，收集各个传感器和控制設备的状态信息并上传数据，同时将中转器下发的查询命令通告采集节点。中转器负责上传收集到的传感器数据并将控制中心发出的命令信息传递给汇聚节点；上位机控制中心负责处理最终上传数据，并通过Web程序将这些数据转化为图表显示给用户，同时用户还可以下达网络操作命令对设备进行查询和操作。采集节点和汇聚节点由SoC芯片作为控制核心，采集节点可采集并传递数据，所有采集节点采集到的数据由汇聚节点收集。中转器采用ARM处理器作为控制核心，和汇聚节点之间采用串口方式进行通信，以Zigbee通信方式和上位机控制中心进行交互。上位机控制中心通过人机交互处理，将上传的数据进行处理直接显示给用户，用户还可以直接下达网络动作执行命令，通过点击相应链接查看具体设备信息，了解设备的详细参数及工作状态，进行结点开启和关闭操作。

2.3 系统总控模块

系统总控模块为整个系统的控制中心，是用户最常用的模块，用户通过此模块对系统进行控制。该模块主要负责显示系统当前的配置信息及设备状态，包括温室内的温度、湿度、光照等参数，这些设备状态以表格的形式列出，其实现方式和硬件设备列表部分为相同原理。

为了实现该温室管理系统的自动化和智能化功能，分别在整个系统的软件和硬件方面做相应的设计。对于系统的软件方面，通过在编程语言中的定时服务功能来实现，该功能会根据所设置的时间间隔去获取相应传感器的实时数据，如实时的温度值、湿度值等信息，然后将获取的实时数据值与系统设置的临界值作比较，接着再采取下一步控制操作。比如，温室外的温度较低时，由于热量交换使得温室内部温度下降，当温室内的温度传感器测量的温度值低于系统设定的温度值时，说明此时温室内的温度低于农作物最佳生长温度；系统总模块根据数据比对结果，发送命令给温室内的温度控制装置，进行升温操作，直到温度达到系统设定值再停止升温。系统的其他参数监控和调节均按照此控制流程工作，对温室内设定的参数值进行实施监测，同时系统总控模块采取相对应的控制操作。

2.4 视频监控模块

视频监控模块功能上独立于硬件系统，整个视频监控模块由前端图像采集部分、网络传输部分、后台服务器及监控中心四个部分组成。前端图像采集部分使用高清摄像机采集高清视频，要求监控视频能够反映农作物的长势、浇灌设施的工作状态等温室内部工作情况。网络传输部分采用专线为主、无线方式为辅的模式，网络专线可以实现网络的稳定和保障图像的清晰度，对于临时点位或专线不能到达的点位，采用无线网络进行视频信号的传输。后台服务器和监控中心设置在温室管理系统的管理中心，通过设置IP地址实现网页中查看实时监控视频，实现远程查看温室内部情况。

3 结束语

随着信息化和自动化技术的不斷发展，物联网技术在农业生产领域的应用将越来越广泛，本文从系统结构设计、功能模块设计与实现两个方面对农业温室管理系统进行了阐述，利用传感器和网络传输技术，实现了温室管理的远程化和自动化，有利于提升农业温室的管理效率和降低农业生产成本。

参考文献

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