基于物联网的智慧大棚种植系统的研究

杨常捷 刘任任

摘 要：采用传感器技术、物联网技术与无线通信技术结合的方式，设计了基于物联网的智慧大棚种植系统。它是一种新型的高效农业生产模式。将种植环境接入无线传感网络系统，采集土壤、空气温湿度等信息并实时传输存储。该系统的功能特点是：实现了监测调控一体化的自动的闭环系统；根据蔬菜作物习性进行配置设计，具备智能数据分析功能，满足植物科学管理的需要；系统不仅实现PC登录服务器实时查看，同时也支持手机终端APP登录，方便办公或户外条件下的及时管理。Web服务器及智能终端的软件功能界面设计实现了远程种植与管理人员之间的信息交互。实验结果表明，系统具有良好的稳定性，实现对蔬菜大棚的远程智慧种植管理。

关键词：物联网；传感器技术；智慧种植；智能数据分析

中图分类号：S126 文献标识码：A

Abstract： By using of sensor technology，Internet of things technology and wireless communication technology combined with the way，the smart greenhouse planting system based on Internet of Things designed，achieved the wisdom of agricultural vegetable cultivation.It is a new type of efficient agricultural production mode.With the planting environment access into the wireless sensor network system，soil temperature and humidity，air temperature and humidity and other information can be collected and real-time transmission and storage can be achieved.The system has the following features：the realization of the integration of monitoring and control of the automatic closed-loop system；according to the habits of vegetable crops configuration design，with intelligent data analysis capabilities to meet the needs of plant science management；the system not only achieve PC login server real-time view，but also supports mobile terminal login App view at any time，to facilitate the timely management of office or outdoor conditions.The web server and intelligent terminal software interface design make the information exchange between remote planting and management personnel achieved.The experimental results show that the system has good stability，to achieve the remote cultivation of vegetables greenhouse management.

Key words：internet of things；sensor technology；wisdom planting；intelligent data analysis

1 引 言

隨着现代化技术的发展及人口密集化水平的加剧，土地资源匮乏问题及环境污染问题日益突显。传统的农业种植模式已不能满足市场需求。近年来，物联网技术开始应用于农业领域，但是仅限于基础研发及人工监测阶段，自动化数字化智能种植的产品较少。国内外就植物智能化种植也已经提出了不同的设计方案。文献[1]提出一种通过终端收发GSM短信的形式来控制电表系统，但方案较为繁琐，实时性较差。文献[2]通过GPRS 模块将传感器采集的数据传送至远程数据服务器上。

结合国内外研究成果，增加了数据分析及智能化驱动的研究，设计了基于物联网的智慧大棚种植系统，将物联网技术、无线通信技术、计算机技术相结合，构建了自动化监控平台。

该系统远程监测植物生长环境信息，具有针对火灾识别及外人闯入等突发情况通信报警功能，视频压缩，支持视频回传，同时可对采集数据进行解析，智能化驱动农业设备改善大棚植物生长环境。该系统各模块相对独立，操作简便，实时性强，可自动化控制。投资成本低。

设计的智慧大棚种植系统，将感知设备接入植物生长环境，实时采集作物生长环境信息；采集数据可上传至云平台，方便查看及功能设置；将不同植物生长习性予以算法分析，实时记录植物生长状态；远程控制植物生长灯、浇灌、风机等设备，保证蔬菜生长环境，解放人力。

2 研究的技术路线

无线传感器网络是传感器阶段以自组织的方式构成的网络系统[3]。无线网络可感知环境信息、采集处理、经Internet无线传输至监控中心。嵌入式主控制器对数据予以处理。嵌入式网关在系统中负责数据接收，数据处理和协调处理等功能[4]。

利用ZigBee低成本、低功率、抗干扰能力强、与现有网络兼容的组网特点，结合智能网关，实现Android与无线网络连接。通过WiFi、3G等通信方式与Android控制程序相连，将控制程序发送的指令通过串口发给ZigBee网络协调器并经解析发送到各传感器节点[5]。

无线网卡采用EDUP EP_N8508GS，主要芯片是REALTEK8188，基于802.11n，传输速度快，热点发射电波远，可高速接入Internet。因此，通过无线网卡的驱动，用户PC与智能手持终端的WiFi就可连接至智慧大棚种植系统，实现数据的资源共享。连接成功后，启动服务器个人PC或智能手持终端登陆浏览器网页即可访问该系统。

控制平台驱动采集植物生长环境信息，并将数据通过WIFI接入互联网，传入数据库。服务器平台建立模型，对传感器采集数据进行分析并存储，通过编程监控平台调取数据库的数据，根据分析结果远程驱动调控设备，如下图1所示[6]。

3 总体架构

智能农业监控系统总体设计方案如下图2所示。该系统主要包括：信息采集设备、控制装置、调控设备、远程计算机。信息采集端通过传感器网络组采集大棚内的环境参数温度、湿度、二氧化碳浓度、光照等信息；数据采集端通过串口与监测终端连接，实现数据传输，在无线WiFi下接入Internet传送至远程服务器，智能分析及服务器响应；调控设备包括浇灌设备、光照设备LED灯、通风装置、温度调控设备、加湿器、加热器，可根据监测终端的指令控制进行相应驱动操作。当监测到火情、外人闯入等紧急情况时，报警提醒，经监测终端将信息发送至Android手持终端设备。系统监控对象主要是农业蔬菜大棚，方便管理员对蔬菜大棚作物生长的实时远程精准管理与控制。

远程终端负责数据实时查询，远程人为控制指令的发送，并提供可视化界面，方便用户进行参数设置。

4 系统设计与实现

系统体系结构由传感器、服务器、调控设备等组成。本系统遵循了安全、可靠、稳定、可用性和可扩展等设计原则，从实际需求出发，具备以下基本功能：实时感知土壤温湿度、空气温湿度、土壤PH值、二氧化碳浓度、光照强度等植物生长环境参数信息，采集、传输、存储和处理植物环境数据，并支持历史数据查询访问、报表生成和绘制分析曲线、远程调控、远程界面管理功能。ZigBee无线技术实现数据至嵌入式网关的传输，根据TCP协议将数据传输至Web服务器，最后完成处理后的数据在移动终端与Web服务器的显示。

基于物联网与计算机技术相结合设计研究，采用浏览器/服务器模式，用户通过web浏览器、手持终端APP即可实时获取植物生长数据及生长视频图像，如图3所示。

4.1 预警系统设计

当植物生长环境参数范围超出植物生长标准阈值时，该系统的预警系统可发送提示短信给值班管理人员或在远程计算机上提示相关预警信息。预警提示信息的模板为：

日期（‘yyyy-mm-dd）；n 号大棚异常信息如下：

土壤环境参数1 数值 参考范围1 波动幅度1

土壤环境参数2 数值 参考范围2 波动幅度2

......

4.2 传感器节点及调控模块设计

在温室大棚等农业种植中，传感器网络作为感知层，负责监测植物生长环境因素信息。此外，系统感知层可进行视频采集、人体电红外感知，当监测数据超出植物生长参数阈值时，可驱动布设的调控设备改善环境参数。

ZigBee无线通信技术，具有速率低、损耗低的特点，非常适合近距离通信。

感知層是整个物联网网络的基础，负责信息采集，将感知信息反馈至上层并接受上层发来的控制指令，能按照指令完成相应的操作[ ]。传感器采集数据后，通过无线传输与监测终端及远程计算机进行数据通信。CO2传感器用于采集CO2浓度；高清摄像头模块用于采集植物生长视频图片；防火传感模块用于监测大棚温度，防范火灾，降低损失。常见的二氧化碳浓度传感器及光照传感器如图4所示。

控制模块：监测终端根据种植环境信息可智能驱动调控设备。嵌入式网关依据ZigBee 协调器传送的数据信息进行处理并通过局域网传送至手机客户端，并可对手机客户端反馈的数据信息予以处理，系统控制相应传感器执行开启操作。生长灯、灌溉装置是常用到的协调植物生长设备。

4.3 视频监控设计

视频采集监控，图像传感设备采集图像并通过H.264编码压缩处理为HDMI视频流，在网络条件下将数据发送给处理装置，处理装置对视频数据进行解码，并通过Internet传送至远程数据库。在网络覆盖区域，用户可通过PC或手持终端登录服务器进行远程访问，有效监测植物生长状态，避免外人闯入及火灾引擎等[ ]。同时为用户提供植物生长环境参数及开花病虫害等信息。视频监控如图5所示。

4.4 远程管理中心设计

远程管理中心，由接入设备与计算机组成，完成对采集数据的处理与显示，环境参数信息的动

态分析，亦可实现对植物生长视频的远程控制查

看[9]。系统远程界面要实现静态网页和动态CGI的相互配合。编写相对应的CGI程序实现与HTML静态网页的交互[10]。PC浏览器可以实时访问查看系统监测到的数据信息，并实现对驱动设备的远程操作。系统远程登录访问及查询如下图6（a）和图6（b）所示。

监控系统的主页面可实现的功能包括：实时展示环境参数信息，调控设备的开关，视频信息访问等。访问智能种植监控系统，截取温室大棚中黄瓜作物的部分生长环境数据及相应曲线如图7（a）和图7（b）所示。

4.5 系统智能驱动的实现

系统驱动布设在大棚内的传感器，采集该范围内的光照、土壤、空气等环境信息，并自动调节控制。通过长期的数据记录与分析，得到温室植物生长品质与环境参数的相关性，获得生长的最佳条件。系统可自动或管理员手动调控远程设备的开关状态，以满足紧急场景的需要。图8为，系统读入土壤湿度值并与参考值对比判断土壤湿度较低，发出灌溉指令，驱动打开灌溉电磁阀进行洒水作业。此时，通过查看Web客户端，看出前后土壤湿度数据出现骤然上升。同时，监控画面展示了植物生长状态良好。此外，系统可给予专家决策建议，进一步增强了系统实际应用中的智慧性。

随着季节的变化，作物各阶段对生长环境的要求是动态变化的，我们可通过调整作物控制区域的环境因素标准值来满足植物生长的需要。

5 结 语

本系统依据传感器网络、无线通信技术与数据库存储技术实现。该系统在架构及功能上，实现了远程、多参数的信息采集、实时传输及智能调控，成功地实现了物联网技术在智能种植上的应用。数据通过无线通信存储于远程数据库，可实现数据的共享；硬件购置上成本较低，应用方便；在设计上，各模块相对独立，易于扩展及后期维护。本系统提供了智能监控一体化，远程界面有效预警火灾引擎、外人闯入、植物生长状态，远程控制设备的开关操作，降低了农业种植投入成本并解放劳动力，应用前景十分广阔。本系统对有效提升温室蔬菜的科学管理水平，但是在智能化控制及功能应用创新性方面还存在一定不足。例如，增加软件功能界面的多功能设计。后期将在系统自动化控制及软件实用性上作进一步的研究。

参考文献

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[9] 黄颖，张 伟. 基于物联网的智慧农业监控系统[J].物联网技术，2017，（4）：33～34.

[10] 姜元.基于物联网的智能农田远程监控系统的设计[D].哈尔滨： 哈尔滨理工大学硕士学位论文，2016： 54—55.