基于物联网技术的智慧农业管理系统设计

王英杰　郑明辉

摘要：为解决目前土地荒漠化严重、土地资源紧缺的问题，在分析我国实际情况的基础上，利用无土栽培技术和物联网技术，设计了一款智慧农业管理系统。该系统将硬件系统检测与调节功能、软件系统自动运算功能与控制功能等相结合，依托物联网技术进行农作物培育，为实现现代农业的产业化提供新的解决方案。

关键词：农业;管理系统;物联网技术

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2019.06.015

Abstract： In order to solve the problems of serious land desertification and shortage of land resources， an intelligent agricultural management system was designed by using soilless culture technology and Internet of Things technology on the basis of analyzing the actual situation in China. This system combined the detection and regulation functions of hardware system and the automatic calculation functions and control functions of software system， and cultivated crops by relying on the Internet of Things technology， thus to provide new solutions for the industrialization of modern agriculture.

Key words： Agriculture;Management system;Internet of Things technology

目前我國设施农业面积增长幅度大，集成化程度低，灾害应对能力差，其中设施园艺绝大部分用于蔬菜、花卉生产，主要依赖经验和单因子定性调控，智能化程度低。蔬菜设施种植茬口安排存在单一、生产率低下的情况，重茬、连作问题较为突出，导致病虫害频发，栽培环境恶化，品质难以保证。在设施农业中，土壤结构逐年变差，土壤长期处于覆盖状态，没有雨水淋溶作用，加之施肥不合理，尤其是过量施用氮肥，使土壤中的盐浓度超标，出现不同程度的酸化或盐碱化[1-2]。

智慧农业管理系统根据农作物的实际情况而采用与之相适应的传感器与调节设备，对农作物的生长进行实时数据监控与采集，借助物联网技术对其进行统筹管理、自动控制，以达到合理利用土地、减少资源浪费与环境污染的目的。

1系统总体设计

智慧农业管理系统系统是一种统筹软硬件，代替传统农业中人对农作物生长及生产控制的综合管理系统。选择一个合适的培养空间，将植物放入，以无土栽培为基础，通过手机或电脑控制端对植物的生命周期、生长速度进行实时监控，并实时收集培养空间内湿度、温度、光照强度及营养摄取情况，遥控培养空间提供所需条件。图1为系统的总体结构图。

2系统硬件设计

2.1营养液自动调配灌溉

王英杰等：基于物联网技术的智慧农业管理系统设计2019年第6期2019年第6期王英杰等：基于物联网技术的智慧农业管理系统设计营养液调配回路由营养液母液储藏部分、电磁阀、水泵、浓度检测装置、取样管道、搅拌器等部分组成，水泵通过取样管道将养液池内已用过的部分营养液进行取样，输送到浓度检测装置，检测营养液中营养物质所剩含量，检测后的营养液经回收管道流回到养液池。控制系统根据检测到的数据，控制电磁阀通断向已有营养液中输送适量的营养液母液，并运行搅拌器使已有的营养液与母液充分混合。搅拌完成后，水泵再次通过取样管道将养液池内部已充分混合好的营养液输送到浓度检测装置，进行取样，检测营养液中营养物质含量，达标后养液池内的营养液可供下次灌溉使用，若不达标，再次执行营养液调配的程序，直至达标。在实际中测得的数据显示，本装置可以一次性调配4.25 L营养液，溶解性固体总量TDS的绝对增量可以保持在2500以上，这使得本装置可以适应绝大多数作物生长时的营养要求[3]。

营养液灌溉回路由养液池、养液泵、供液管道、培养皿及养液回收管道等部分组成，到达设定的时间后，控制系统控制养液泵通过供液管道将已经调配好的营养液输送到各栽培床中，不达标的营养液将经养液回收管道回到养液池，进行再次调配，提高利用率。营养液的灌溉采用间歇供液，能使作物根系较长时间暴露在空气中，促使作物根系生长发达，同时养液泵处于间歇的工作状态下可大大地节约电能，一般说来，供液时间约是15 min·h-1。在设定中，默认供液15 min，停45 min，但在不同的植物生长期或不同季节，供液时间可以作适当的调整。图2为营养液自动调配灌溉的工作流程图。

2.2温湿度控制

温湿度控制包括营养液温度和植株生长环境的温湿度控制。

冬天营养液温度需要加以调节，由液温传感器检测营养液温度，将测得的温度输入控制系统。若液温低于设定值，由控制系统输出控制信号经驱动电路接通液温加热器进行加热;当检测温度达到机内设定的上限值时输出信号断开加热器停止加热。系统默认设置营养液的温度值保持在20℃，但在不同的季节之中，面对不同的情况，营养液温度可以在一定范围内自由调整。

植株生长环境的温湿度控制主要由温度检测模块、湿度检测模块、通风扇、微型暖风机、加湿器等部分构成，由温度传感器检测温度，输入控制系统。若温度低于设定值，由控制系统接通暖风机进行加热;当检测温度达到机内设定的上限值时输出信号断开加热器停止加热。湿度检测同理，若湿度低于设定值，由控制系统接通加湿器进行加湿;当检测湿度达到或高于系统设定的上限值时接通通风扇进行通风降低湿度，使植株终处在一个适宜生长的环境中。图3为温湿度控制的工作流程。

3系统软件设计

该系统利用物联网技术，可实时远程获取种植环境内部的空气温湿度、营养液温度、营养液浓度等信息，远程或自动控制营养液循环、加温补光等设备，保证种植环境内环境最适宜作物生长，为作物高产、优质、高效、生态、安全创造条件。本系统还可以通过手机、笔记本等移动信息终端进行实时管理，实现集约化、网络化远程管理，充分发挥物联网技术在设施农业生产中的作用。在本部分的设计中，主要包括下位机的软件设计和上位机的软件设计。

3.1下位机的软件设计

下位机软件部分的设计对于整个系统而言起着至关重要的作用，为了保证控制系统可以实时和准确进行控制，在本系统采用了以ARM公司的高性能“CortexM3”为内核的STM32F03ZET6芯片为主控芯片，这个芯片上集成32 kB的Flash存儲器和64 kB的SRAM存储器，最高工作频率可以达到72 MHz，能够满足系统的控制要求[4]。

下位机的软件设计主要包括以下3个方面：

（1）数据的采集模块，主要是农作物生长环境参数数据的采集，包括温度、湿度、光照强度等参数，将所采集到的数据经STM32微控制器整合处理。

（2）控制模块的软件设计，主要是单片机收到上位机传送过来的信号，对设备进行控制，包括水泵和温度调节设备的控制。

（3）无线模块的软件设计，STM32微控制器将采集到的数据通过串口传输至3G模块。

3.2上位机的软件设计

上位机的软件设计包含数据库的设计和界面的设计。数据库主要是数据的存储部分、设备管理和用户管理部分，将STM32微控制器所检测到的数据按照设备编号和时间进行存储，设备管理部分可以控制设备的状态，并可以实时查看，用户管理主要是可以设定各个参数的阈值，在超出阈值范围内，发出有效的控制信号，对设备进行控制。

在本系统中利用LABVIEW进行上位机的开发，LABVIEW与C和BASIC一样都是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LABVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等。LABVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等，便于程序的调试[5]。

上位机以ESP8266WiFi模块为接口与服务器进行连接，上位机的主要工作流程：服务端接收到数据之后，通过运行Java接口函数将收到的数据写入数据库中，监控中心通过函数调用数据库里边的数据显示在界面上，写入相应的控制指令，改变设备的工作状态。图4为上位机的数据显示界面。图5为上位机的任务管理界面。

4小结

智慧农业管理系统系统具有营养液自动调配、定时灌溉、加热、温湿度检测、自动补光等功能，可以提高资源利用率，增加农作物的单位面积产量，降低农产品的生产成本，具有价格低廉、实时控制、易于维护、多方面调控、自动化程度高等优点。该系统的应用可节约劳动力成本，减轻劳动强度，增加产量、提高设施农业水平，具有很高的推广价值，基于传感器技术的智能农业将是未来发展现代化高效农业和特色农业的必经之路。

参考文献：

[1]马秀飞.基于物联网及云计算的智慧农业生产管理系统研究[J].河南农业，2018（11）：54-56.

[2]韩秀燕，孙涛.我国智慧农业发展路径设计及其优化策略研究[J].陕西农业科学 ，2016（12）：98-101.

[3]秦琳琳，孙德敏，王勇，等.无土栽培营养液循环控制系统[J].农业工程学报，2003，19（4）：264-266.

[4]卢有亮.基于STM32的嵌入式系统原理与设计[M].北京：机械工业出版社，2017.

[5]陈树学，刘萱.LABVIEW宝典（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2017.

（责任编辑：柯文辉、张磊）