一种基于物联网的智慧农业信息系统的设计研究

张吉圭，陈 敏，付 江

（贵州城市职业学院，贵州 贵阳 550025）

随着经济社会的发展及物联网技术和人工智能技术的发展，传统农业向现代化智慧农业的转变，使得农业的智能化逐步发展，而现代化智慧农业利用网络技术、云计算、物联网、电子信息技术和传感器对农业种植地的生产加工进行覆盖，有效地对农作物的生长环境和生长参数进行追踪和管理。虽说物联网系统结合农业系统能够有效地提高农产品的产能，避免资源的浪费，合理利用，但用大面积的传感器网络来实现农业生产的现代化、智能化、智慧化，对于目前农村形势来说，不可能大规模推广。采用物联网技术和嵌入式技术来实现智慧农业产业，极大地降低了成本，充分发挥了智能物联的技术优势，使系统的构建和平台建设变得简单，有效地对智慧农业的生产环境、生长参数进行管理、预判和分析。

1 智慧农业信息系统总体方案

通过对智慧农业的需求进行调查分析，提出一种解决基于物联网嵌入式技术的网联系统。用传感器对智慧农业或智慧农场的环境参数、农作物生长参数、土壤墒情进行采集，结合微处理器STM32F4用代码实现数据的采集、处理、云端等服务。根据智慧农业系统的生产要求，设计一套智慧农业系统软件和硬件，实现智慧农业基础的环境参数温湿度计光照的采集及控制，同时安装报警装置和摄像头实时监控，连接远程云端平台及客服端。其系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构图

2 智慧农业信息系统采集硬件研究

物联网农业系统采用嵌入式技术，对土壤环境的光照、湿度、温度、水分、病虫害、风速、风向、雨水等种植环境参数和植物生长状况图像信息进行采集转换为电信号，通过ZigBee网络，把信息传递到以STM32F407组成的处理核心进行数据处理，通过移动的NB-IoT连接OneNet移动物联网云平台，可在客户端或WEB端能够对现代智慧农业进行远程监控，同时可远程发布命令控制执行，远程采集智慧农业系统信息数据。在信息采集硬件部分，主要采用ZigBee网络RS232和处理器进行信息通信，ZigBee网络是一种无线通信技术，传输速度能达到250K/s，距离在75m左右，具有低功耗，大容量，成本低，可靠安全等特点。通过ZigBee协调器，ZigBee路由器，ZigBee终端实现网络自组织。其ZigBee网络拓扑如图2所示。串口RS232实现摄像机把采集到的图像信息经微处理进行云端的远程传输控制，其农业系统信息采集硬件如图3所示。

图2 ZigBee网络拓扑

图3 农业系统信息采集硬件

3 智慧农业信息系统传输系统设计

系统信息传输主要通过NB-IoT通信模块远程连接OneNet物联网平台，MN316是一款工业级的NB-IoT通信模组，支持更高速率的传输，支持基站定位，支持eSIM和OneNet平台协议，较低的功耗和温度特性，工作在频段Band3/Band5/Band8，支持最新release14标准，内置华为轻量级物联网操作系统LiteOS，并支持OneNet、CTWing、华为云、腾讯云、阿里云等主流的物联网平台，真正实现了无缝对接，快速开发的原则。广泛应用于智慧城市、远程抄表、智能家居、智慧农业等物联网工程项目中。系统中STM32F407主处理器通过串口连接到NB-IoT无线通信模块MN316，通过BN网络和OneNet协议连接到物联网云平台，实现数据的远程传输。其通信流程架构图如图4所示。

图4 处理器与云平台通信流程架构图

MN316通信模组的配置是通信的关键因素和步骤，物联网系统是否能够正常开展数据业务，决定与MN316的通信配置，通过处理器STM32F407串口与MN316模组的连接，在软件里使用AT指令集对MN316进行初始化配置，SIM卡初始化配置，远程连接配置等初始上电信息配置，其配置流程图如图5所示。

图5 MN316配置流程图

4 智慧农业信息系统控制系统研究

智慧农业信息系统的控制系统，根据采集的农业环境数据、生长态势，实现对农业系统的温湿度控制，光照控制，湿度及节水灌溉控制。可远程自动控制或现场手动控制，远程控制通过云平台的WEB端或APP对系统发布操作命令，设备端执行操作完成远程自动控制。控制模块的原理框图如图6所示，其控制系统模块功能具体如下：

图6 控制模块的原理框图

（1）加温加湿控制：当传感器监测到温湿度小于或大于设定的阈值范围，加湿器自动执行湿度的控制，换气风机执行温度的控制。当达到设定的温度后，设备停止工作。

（2）光照控制：植物的生长需要光合作用和二氧化碳，结合卷帘设备、电机、风机实现对光照和二氧化碳的有效控制，达到科学管理的目的。

（3）灌溉控制：湿度传感器采集到的土壤湿度信息值超过农作物生产的环境值时，开启灌溉系统，为农作物土壤及农作物补水，当土壤湿度达到预设值时，灌溉系统停止节水灌溉。

（4）水箱水位的控制：当灌溉系统蓄水箱水位低于预定阈值时，系统启动水泵为水箱蓄水，当蓄水箱内水位达到上限阈值时，水泵停止运行。

5 实验结果分析

通过以STM32F407为核心搭建系统仿真平台，结合智慧农业系统各传感器对农业各生长势态，生长参数进行感知。以电机、继电器、传感器、限位器、卷帘机、风机及加湿机等组成系统控制设备。以中国移动NB-IoT模块MN316实现信息数据的远程云端连接，以OneNet物联网云平台作为远程数据中心，连接设备端和用户控制端。对系统进行仿真测试，结果满足要求，能够实现现代农业的参数的远程连接和控制，其实验仿真结果如图7所示。

图7 实验仿真结果

6 结束语

智慧农业是物联网结合农业产业，对农业现代化的技术改造，提升信息化的农耕方式和管理方式，把物联网技术应用在田野农业里的延伸，让农业产品实时在线，将通过传感器实时采集的环境数据、光照数据、气象数据结合传统的种植经验，实现农业产业生产信息化、数字化和智能化。对农业生产环境控制进行本地化和网络化部署，使农业信息数据上云，实现远程云端的监控，这对现代化农业的发展和乡村振兴都具有十分重要的意义。