物联网技术支持下的智能农业自动控制系统

张俊玲

（铜仁职业技术学院 贵州省铜仁市 554300）

近几年，随着我国各项科学技术的迅速发展，农业现代化逐渐成为我国农业未来发展的主要趋势。将物联网技术应用于我国农业的过程中，逐渐衍生出一种全新的农业发展模式，其就是智能农业。智能农业不仅可以提高我国农业的生产质量，还能优化我国农业的实际发展以及各项资源。因此，将物联网技术应用与我国农业发展中具有十分重要的意义。当前，将物联网技术应用于智能农业的过程中，其自动控制系统相关设计部分依旧需要继续探索，从而有助于我国智能农业更好的发展。

1 物联网与智能农业的相关概述

1.1 物联网技术

现阶段，物联网技术虽然是一个全新的概念，但其并没有离开我国的互联网技术，通过我国多种海量传感仪器采集的多个信息数据内容，最终通过互联网技术的相关技术标准和互联网技术完美融合，可以及时准确的将多个信息传输到实际管理中心，从而满足不同用户的实际需求[1]。物联网技术中包含着射频技术、Wi-Fi 技术等多个内容。

1.2 智能农业

智能农业具有较高的技术规范操作以及高效益的集约化生产作业模式，主要是将科研、销售、生产以及加工融为一体的作业模式，其可以实现全天候、反季节的农业企业生产作业规模[2]。智能农业的最大特色就是使用物联网技术展开作业，可以实现农作物生产环境和农业管理人员、农业大棚智能化控制的完美联系，帮助广大的农业生产人员实现信息化管理以及信息化控制的目的。

我国智能农业又被称为智慧农业，其主要是指将计算机和网络技术完美融合，并融入我国全球定位系统、地理信息系统等多种先进的思想以及技术理念，从而实现我国农业迅速发展的目的[4]。

2 智能农业自动控制系统的国内外研究现状

2.1 国外研究现状

在国外的农业发展过程中，智能化农业已然成为了全世界农业体系的发展趋势。在德国，国家重点扶持智能化数字农业发展。比如，对于农业种植中的土地光照强度、土地适合种植哪些植物以及地点等信息，相关人员需要整合这些信息内容，并选择适合这块土地生长的农作物，充分发挥出土地具有的潜在价值，最终帮助农业种植人员提高种植效率以及经济利益。而英国则常使用数据整合对农业进行调整。这不仅需要政府实现农产品的宽带覆盖率，还需要积极建设多个不同的平台以及途径，对农业数据信息进行整合处理，从而提高农业作业的实际收入。除此之外，国外先进的物联网技术也应用于农业领域中，对于农业的发展起到了积极的推进作用，给农业发展提供了重要的助力[5]。

2.2 国内研究现状

图1：网络拓扑

截至目前为止，我国先后出台了多个相关政策文件，全力支持我国农业的发展。随着我国物联网技术的迅速发展，越来越多的科学技术广泛应用于农业生产中。当前，多个信息技术也逐渐成熟，像RFID 电子标签、远距离监控系统、无线传感器监测等技术，也被广泛使用于智慧农业的发展建设过程中，大幅度提高了我国的农业作业的管理效率，并逐渐加快我国智慧农业的生产建设步伐。而根据智能化农业技术相关思想所提出来的创新性农业技术已经开始被大范围的应用在实际的农业生产活动之中，例如，我国首都北京市所开展的智能化农业技术项目,其常是选择将农业无线传感器应用与大棚农业生产中，并通过线机内的无线传感机器，对农作物生长的实际信息以及状况展开实施的检测。但是，由于我国农业信息技术发展比较晚，其依旧存在着诸多的问题，如没有建立完善的标准信息，严重影响了我国智能化农业的发展[6]。

3 物联网技术下智能农业自动控制系统的设计

在物联网视角下设计智能化农业自动控制系统时，设计人员还需要结合实际的状况设计出合理的设计方案，设计人员需要注意以下几点内容：首先，工作人员需要根据协议内容建立出合理的物联网技术体系，保证这一系统中包含多个不同的节点。其次，设计人员还需要根据实际的网格设计出一个完整的系统，并允许这一系统在实际运行中，可以使用节点加快网络的速度，最终可以实现系统节点处理以及指令下达的内容。并且，设计人员还需要根据网络的内容，设计出合理的配置显示器以及报警系统，最终实现监控系统下多个节点的实际信息，并正确、准确的设置节点阙值，如果在运行的过程中出现超出节点阙值这一范围的数据，则报警系统能够及时的检测到这些数据，并向有关人员发出相应的报警信息。并且，ZigBee 网络之中包括处于独立状态的时钟芯片，其可以对收集到的数据信息进行处理，严格按照相关数据信息对其及进行合理的划分措施，便于及时对其他的不同节点发出有效的指令。最终，自动控制系统必须要拥有高水平的扩展性，这样才能够给传感器以及控制器可以顺利网络关口提供有效的保障。

3.1 系统设计

设计人员在结合物联网技术设计智能化农业控制系统的时候，经常会选择使用CC2530，并依据IEEE802.15.4 相关标准中的协议部分进行设计。此外，CC2530 具有的典型特点就是，芯片的内部存在一个高性能、低消耗的内部核心处理器，这一核心部分需要具有2.4Hz IEEEE802.15.4 的收发器天线设备。另外，给予CC2530设计的通讯板块中，还需要具有配套的数模转化仪器以及串行接口设备，并为其配置合理的定时一起，最终添加一个具有较高密度的处理器以及引脚部分，保证最终设计的电路具有合理性。

图2：协调器节点

图3：终端节点

本系统硬件使用的是S7-200 系统PLC。它提供了4 种不同基本单元以及6 种型号不同的扩展单元，本文选用的CPU224，包含14 输入/10 输出共24 个数字量I/O 点，并连接7 个扩展模板，促使其可以扩展至168 路数字量I/O 点或者35 路模拟量I/O 点。

其次，需要重视对数据采集这一部分的设计，这样才可以提升采集模块的工作效果。对于农作物而言自身的生长会受到多个因素的影响，例如土壤中水分含量、天气引起的温度变化等，因此在设计数据采集模块的过程中也需要按照影响农作物生长因素来进行设计：

3.1.1 土壤水分

根据调查结果表明，土壤中包含的水分对农作物的生长发育具有直接的联系，所以相关工作人员在实际采集信息数据的时候，需要属于土壤的水分含量，再加上土壤的构成比较复杂，需要将系统中包含的传感器长期放置于土壤内，充分保证最终接收到的数据信息真实、稳定、有效，降低传感器发生腐蚀、破损的可能性。因此，大部分设计人员常选择使用镍物质涂抹在传感器上，不仅可以提高传感器的测量灵敏度，还能显著解决传感器生锈的情况。

3.1.2 大气温湿度

由于农作物的生长发育和外部环境温度都存在着密切的关系，一旦环境发生变化会对其产生直接的影响，尤其是农作物的生长环境超过正常范围之后，将会显著影响农作物的生长发育以及最终的产量，甚至发生农作物死亡的情况。因此，设计人员需要保证农作物的生长环境适宜，并注意农作物种植地区的湿度，避免由于空气湿度导致农作物的气孔开闭，从而影响到病菌的繁殖，最终对农作物的生长发育产生影响。因此，在设计这一模板时，需要选择DHT11 温湿度空气传感器，其具有两个不同的参数，属于一种集成程度比较高的处理模板。

此外，则是执行器处理模块。当物联网技术采集到的相关信息之后，其需要执行器对周围的数据进行执行处理。在这一系统的执行处理器中，其主要包含两个部分：电磁水阈以及排风扇的相关设备。此外，执行其处理模块中所包含的电流较多，常以小信号和小电流电路常见，且执行器在实际控制阶段的驱动压力以及电压电流比较大。由于仪器电压电流较大的时候，会对周围的信号电路产生相关影响，极易影响人员后续使用继电器的方法，而对于保护信号以及电路的稳定而言，其主要的内容及时使用继电器实现控制以及保护措施。因此，执行器在收集到相关信息数据之后，当其超过原本的阈值时，需要通过下达相关指令以及信号内容，可以实现控制三极管的作用，最终保证继电器可以顺利运行或者断开，有效保证继电器可以正常运行。

最后，则是系统中的通信模板中电源部分，在实际系统的执行器过程中，其在电磁水阈电路电压系相关要求比较高，其主要的输入信息常为20V，并满足系统驱动的实际电源。因此，设计人员在设计系统的时候需要选择则输出的开关电压，其电源开关主要包括双组输出部分，从而满足系统中大部分的电流实际需求。

3.2 网络设计

ZigBee属于目前存在的一种新型的网络技术，具有较多的优势，如距离较短、速率较低、应用方式简便、频段灵活、功耗较低、成本较低、可靠性较高的特点，ZigBee 是在无线标准的基础之上所研发出来的，可以自主组成网络，同时还具有自恢复的能力，已经得到了广泛的应用。

3.2.1 网络结构

在ZigBee 的网络系统中有路由器部分、终端节点部分以及协调器部分，资这三个组成部分使ZigBee 拥有了更加优越的功能。协调器负责构建网络系统、存储信息节点以及管理节点等内容。路由器部分则是通过将新加入的节点添加至网络拓扑中，再对其展开维护工作、管理工作以及通信工作等内容。而终端阶段通常并不具有维护网络系统的能力，其主要的工作内容就是发送信息、接收信息内容，网络拓扑也包括多个不同的内容，详细见图1。

表1：土壤湿度效果

表2：大气温度效果

表3：空气湿度效果

3.2.2 软件设计

根据我国ZigBee 联盟所发布的技术相关标准信息内容，大部分生产芯片的企业也根据这一标准设置了合理的协议内容，这些生产企业包括多个TI 公司、AVR 公司、Microchip 公司等，其中的IT 公司选择自主研发源代码内容，并对其设置合理的协议内容，而ZigBee 协议则是由企业内的领导层公共协商后定义，并将函数数据库的作用充分发挥出来，为公司内的编程人员提供根本的数据信息。

ZigBee 协议常选择使用和CC2530 配套的相关配置，ZStack-CC2530-2.5.1a。并且，ZStack 协议可以充分实现ZigBee 协议内容，编程人员只需要合理编写实际的使用程序就可以。所以，大部分企业的实际设计过程中，常选择使用IAR FOR 8051 8.10.3 展开后续的研发工作，而且其可以之处单片机开发，便于设计人员合理开发应用软件。

部分回路输出的过程中，由于其输出值并没有下一周期的加热时间，回路的输出值常是在0.0-1.0 内，其属于标准化的实数，在输出变量中传送D/A 模拟量单元的时候，需要将回路输出变量转换成对应的证书，在这一过程中常是实数值标准化的过程。R，（M,OFF）Span（3-7）scalnest

S7-200 并不直接提供实数转化的质量，需要将实数转变成双整数，再将双整数转变成证书，其程序代码如下：

系统中协调器节点常位于网络节点中，由于协调器不仅承担着组建网络以及维护网络的工作，其还需要承担和PC 端口交互数据的工作内容。所以，协调器属于整个网络系统的中枢部分，详细见图2 所示。

系统中的路由器节点常和初始化的协调器相似，其在实际启动的过程中，会发送相关的入网请求，并由协议栈的网络层次实现相关工作内容。当系统完成初始化工作之后，可以监听系统中的无线数据请求信息，并识别即将跳转的网络地址。因此，网络系统中的终端节点不仅需要收集诸多的数据环境信息，还需要对执行器实现局部的控制措施，详细见图3 所示。

3.3 系统测试

3.3.1 组网测试

组网测试主要是一个模拟组网，其是由协调器以及终端节点共同组合而成，并通过连接PC 端口接受数据信息，可以实现我国网络安全的管理以及监控措施，且其进行实际数据处理的结果可以让PC 端口的串口测试软件，促使其可以充分出自身的作用，并满足人员的实际需求。组网测试中的主要命令部分就是系统中的十六进制指令内容，当系统内输入相关的数据节点后，一旦节点发生问题可以实现自动关闭节点电源，帮助系统顺利找回丢失的数据信息内容。

3.3.2 执行控制功能测试

设计人员想要保证测试结果后的最终数据端口可以顺利采集信息并实现自动化的控制功能，可以让其模拟不同的系统对土壤湿度以及大气湿度的控制效果。首先，对于土壤控制方面，设计人员想要通过系统设计出土壤湿度的实际控制情况，需要将不同的土壤湿度分别放置干湿度不同的土壤中。设计人员通过上位机可以发现参与测试土壤的湿度分别是02D0 以及05E9（十六进制），设计人员还需要将电磁水阀的实际阈值参数设置为05DC，最终测试结果见表1。

空气湿度若高于原本设定的阈值时，风扇会自动进行降温处理。通过设置上位机设备风扇的相关阈值参数为指定的27℃后，可以使用加热器设备模拟空气温度逐渐上升的情况，详细请见表格2。

最后，则是空气湿度的控制效果测试，相关人员可以使用加湿器对其进行人为的干预措施，其使用原理和降温大致相同，同时使用排风扇对空气的实际湿度进行合理的控制措施。本次实验测试过程中，主要将排风扇的实际阈值参数设置为75，详细见表格3。

4 结束语

简而言之，智能农业是我国未来科技发现的主要趋势，随着我国科学技术以及农业迅速发展的同时，物联网技术也广泛应用于农业发展中。本文主要介绍了物联网技术下智能农业的相关设计，通过数据信息采集、自动控制等相关方面，使物联网技术下的智能农业可以稳定运行，极大的促进了我国农业的发展。我国不仅开展了智能农业，同时还实施了智能制造的发展战略，由此可见在未来的社会发展进程中，每个行业都会向着智能化的趋势发展。