现代设施农业移动智慧实时监控系统分析

王艳丽，党国刚

(1．渭南师范学院计算机学院，陕西 渭南 714000；2．渭南市林业局，陕西 渭南 714000)

0 引言

近年来，我国农业农村经济保持着良好发展势头，农村改革步伐的加快、农村生态居住环境有了很大的改善，农民生活水平稳步提高，为我国成功应对各种困难和风险，保持经济社会稳中求进提供了有力支撑，增添了底气。同时，在新常态背景下，我国农业发展面临严峻挑战，必须要加快转变农业发展方式，加快推进农业现代化建设[1]。水利化、机械化、信息化是现代农业及农业现代化的3个重要标志。目前，信息化发展已成为我国农业现代化建设的一个短板。纵观全球的农业发展情况，可以说没有农业信息化就没有农业的现代化[2]。农业规模化经营、可持续发展、实施粮食安全战略等都迫切需要大力发展农业物联网、移动互联网、云计算等新一代现代信息技术。

农业物联网是以信息感知设备、通讯网络和智能信息处理技术应用为核心，以实现农业科学化管理，达到合理使用农业资源、改善生态环境、降低生产成本、提高农产品产量和品质的目的。目前，亟需通过发展农业物联网技术来提高农业生产效益、节约资源。农业物联网技术涵盖传感器、网络与通讯、辅助决策以及自动控制等新技术，它能够通过对农业生长环境、动植物生长过程、设施园艺可控环境等进行实时监测，从而获取动植物生长发育状态、水肥使用状况、病虫害发生及防治情况及相应生态环境的实时信息[3-4]。这些监测数据通过专家系统进行反馈处理与分析决策，实现对生产的指导作用。以科技惠农，以科技扶农，在此需求的推动下，本文设计智慧农业大棚控制系统，通过感知大棚环境温度、湿度和光照强度等环境参数，对数据进行有效分析，从而做出正确的判断，将结果发送给远程客户端，客户端可以控制大棚设备，使其能合理有效地工作，为大棚内植物的生长提供最适宜的环境。

1 系统设计

针对现有温室大棚进行深度调研与分析，设计智慧农业控制系统，通过物联网系统对农业大棚中的植物生长关键参数进行在线监控，系统结构图如图1所示[5]。

该系统采用三层结构模型，包括物联网感知层，网络层和应用层。物联网感知层通过数据采集传感器采集温湿度，光照强度，烟雾等，通过设备控制器模块实现环境参量的修正。网络层包括ZigBee无线传输模块和GPRS远程传输模块。应用层包括PC客户端，APP客户端和服务器。物联网感知层采集数据，将采集的数据通过网络层传输到应用层，应用层计算分析得到控制指令再通过网络层发送给感知层从而控制电磁阀、灯等。

图1 系统结构

2 硬件设计

2.1 传感器节点

传感器节点负责数据的采集，主要用的传感器包括空气温湿度传感器、土壤温度传感器和光照传感器等，其中，温湿度传感器选用DHT11，由电阻式湿传感器和一个连接到高性能8位微控制器的NTC温度传感器组成。

土壤湿度传感器用于测量土壤相对含水量，利用电磁脉冲原理，根据电磁波在不同介质中传播的频率来测量土壤的介电常数，从而得到土壤中的相对含水量，其组成包括温度检测电路和声控报警电路等部分。

光照传感器是通过光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，光敏元件可以感测光的亮与暗变化，并输出敏感波长接近可见光波头的弱电信号，包括红外线、波长和紫外波长[6]。光强度信号采集使用光敏电阻作为信号采集装置。随着照度增加，其电阻降低，利用电路电压采集光强度。

2.2 控制模块

2.2.1 液晶显示和按键

液晶显示主要显示系统关键参数以及系统设置信息[7]，提供人机交互界面，选用OLED作为控制端机显示器，液晶显示器与控制器采用SPI通信，其硬件连接如图2所示。

图2 液晶显示硬件连接

采用中断方式判断按键是否被按下，按键分为3种状态，即按下、松开和没有按下。通过定义临时缓存区，记录键值，若测有按键按下，则启动按键计数器；重新定义按键模式，若按键已经释放，则关闭按键计数器，清除记录键值，更新状态并等待按键按下状态。

2.2.2 CC2530接口电路

CC2530通过串行通信口进行通信，SPI通信模式，VSART通过3线接口或4线接口与外部系统通信，接口包含引脚MOSI、MISO、SCK和SS-N。当VXCSR、MODE设置为0时，选中SPI模式，在SPI模式中，VSART可以通过写UxCSR.SLANE位来配置SPI为主模式或者从模式，硬件连接如图3所示。

图3 CC2530接口电路硬件连接

3 软件设计

3.1 数据采集传感器软件设计

数据采集主要完成大棚环境内参数的获取，为科学调控大棚内环境提供有力保障，具体实现流程如图4所示。首先进行初始化，初始化完成后传感器采集环境参数，之后完成对控制设备的调节，促使控制设备的电磁阀等开关执行命令[8]。

图4 数据采集程序流程

3.2 控制系统软件设计

控制系统软件设计思想采用文献[8]的理念，控制系统感知层完成数据采集和数据处理，如图5所示。主控点初始化后接收网络层发送的数据，处理后再通过GPRS发送给服务中心，如图6所示。

图5 控制系统感知层数据采集

图6 控制程序流程

4 系统测试

4.1 Android与Web客户端测试

农业智慧控制系统实验在农业大棚内进行，分别选取2个温室进行测试，标记为1号温室和2号温室，现场测试环境如图7所示。首先检测系统需要数字展示和监控，通过手机客户端或者Web客户端等互联网数据终端获取预警和监控信息，并且通过终端控制大棚的设备工作，基于Android studio开发平台，采用Java编程语言，手机客户端登录，用户首先进行注册，输入用户名和密码方可进行后期相关操作。

当用户登录后，客户端主界面可以查看各个大棚的实时环境参数，其中包括1号温室和2号温室实时监测的空气温度、湿度以及土壤温度等数值，如图8所示。

图7 现场测试环境

图8 客户端首页

4.2 控制系统测试

农业智慧控制系统建立之后，首先完成传感层与协调器之间的通信测试，协调器接收采集到的数据，显示屏幕正常显示字符串，通信成功。然后在大棚内进行无线网络传输测试，在有效范围70 m左右系统运行稳定。设置空气温度和湿度数据阈值，当监测数据超出阈值，控制系统打开空气加湿设备或关闭加湿设备。同时，设置土壤湿度阈值，当土壤湿度超出阈值，控制系统打开或关闭水泵。采集的数据经串口通过3G/GPRS模块转换传送到移动通信网络，实现手机客户端数据信息显示，Web互联网远程终端进行远程实时观察，监控并记载历史数据，还可以修改相关的参数，Web控制管理界面如图9所示[9]。

图9 Web控制管理界面

以1号温室为例，当采集点温度为20～30 ℃时，系统控制装置不运转；当采集点温度低于20 ℃或高于30 ℃时，系统报警开启，提示用户启动控制系统，通过系统供热或通风进行调节。通过运行智慧控制系统，测试所得数据如表1和表2所示。

表1 温度运行测试数据

表2 湿度运行测试数据

测试数据可以在手机端查看，对实时数据统计，用户可以宏观上掌握大棚环境的温湿度。同时，如果想了解历史数据并对其分析，系统可以通过历史数据分析来帮助用户预测本年度不同时期的不同参数的数值。

5 结束语

本系统将物联网融入现代农业，采用了嵌入式技术、计算机技术、无线通信技术，实现了一套智慧大棚控制系统。该系统传感层负责数据采集与远程控制，网络层负责网络传输，应用层负责分析数据并将结果发送给感知层来完成控制操作。同时，系统测试显示，系统操作界面简洁明了，实现了环境参数实时数据显示，数据阈值范围的设定，控制设备的开启与关闭，还可以读取历史数据，为评判近期环境提供参考，具有较高的实用性。