基于Arduino的智能农业远程监测与异常预警系统研究

董宇轩 ， 崔啸鸣

（内蒙古工业大学电力学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

1 介绍

Arduino是近年来流行的开源硬件平台。它可以接收和发送数字或模拟信号来控制外部设备。它还支持多种传感器扩展板，操作简单，功能多样。可用于智能农业的远程监控和系统设计。这种设计有利于解决农业生产中智能化、信息化程度低的问题，对发展智慧农业具有重要意义[1]。本项目旨在研究一种基于Arduino的智能农业远程监测与异常预警系统，能够实时采集和分析农业温室内部环境，并通过网络与手机通信，使用手机APP实现对农业大棚内部环境的检测和异常情况的实时预警，解决农业生产智能化、信息化程度低的问题。

2 系统设计

2.1 总体设计

系统以LabVIEW为基础编写的软件作为上位机，负责识别和显示Arduino Uno微处理器发送出来的温湿度、光照强度和土壤湿度。Arduino Uno微处理器作为下位机，通过网络化模块W5100接收上位机的指令，负责接收和判断命令，收集和传送接收的温度、空气湿度、光照强度、土壤湿度等数据，并通过网络化模块W5100上传到LabVIEW显示软件[2]。光照强度、温度、土壤湿度、风速等物理量均由各种传感器检测，并将检测到的模拟量转换成相应的数字量。异常监控画面由摄像头监控感知上传。

2.2 硬件配置

1）光学精密光敏发射机。光学精密光敏变送器，输出值测量单位为勒克斯，设备采用壁挂式防水外壳，壁挂式安装，防护等级高。485通讯，标准Modbus RTU通讯协议，可设置通讯地址和波特率，最远通讯距离为2000 m，产品电源为10 V～30 V宽电压电源，主要应用于农业大棚、花卉栽培大棚、电子设备生产线等需要照度监控的场合。该设备用于检测温室内的光照强度，多点安装在温室的适当位置。

2）温湿度传感器。XW-TH-B/O温湿度传感器用于测量和显示环境温湿度。产品采用高性能进口元器件，抗电磁干扰设计。XW-TH-B/O是为机架环境设计的。产品采用RS485通讯，双RJ45端口设计，大大简化了系统布线，可与各种监控系统集成，实现远程控制。该设备用于检测温室内的温度和湿度。

3）摄像机监控。摄像机监控和红外监控，白天开启普通摄像机监控，检测是否有降雨、冰雹等自然灾害和可见灾害，还可以监控人畜等破坏性生物是否进入温室；晚上开启红外摄像机监控，使用红外摄像机由摄像机的功能特性产生的一种类型，其工作原理是通过红外光灯发射红外光照亮物体，然后红外光将漫反射，最后返回摄像机，由监控摄像机接收，并形成视频图像。在温室的四个角落和入口处有五个装置。

4）风速计。测量空气流量的仪器。它有很多种类型。气象台站中最常用的风杯风速仪是由三个抛物线锥和空杯相互成120°固定在支架上的感应部分。空杯子的凹面都朝一个方向。整个传感部分安装在垂直旋转轴上。在风的作用下，风杯以与风速成比例的速度绕轴旋转。该设备安装在温室入口处，用于及时检测温室内的风速。

5）Arduino平台。接收上述传感器和监测结果，分析其与设定值之间的差距，显示指标为：正常/异常；自然灾害：是/否；人为干扰：是/否。遥控终端分为移动应用终端和计算机客户端两种，方便人们随时监控温室内的情况。在界面上，根据Arduino发送的值，提供温馨提示和待检查区域。

2.3 软件设计

1）Arduino下位机程序设计。Arduino下位机负责温室环境的数据采集和传输，接收Kingsview的指令，控制相关执行机构的开闭。数据采集部分通过程序读取测得的空气温度、湿度、光照强度和土壤湿度。由于测得的光照强度和土壤湿度都是模拟电压值，需要通过转换程序将模拟电压值转换成百分比形式，然后与空气温度和湿度进行比较后一起输出到串口。同时，需要对Kingsview发送到串口的字符进行读取和判断，使相应的中继工作[3]。

2）基于组态王的上位机组态界面设计。在Kingsview中定义外部设备，选择相应的COM端口，按照设备配置向导的提示确定制造商、设备名称和通信方式。在数据字典中定义变量主要涉及I/O字符串、内存字符串、内存整数和内存实数。创建和设计屏幕，连接动画中的相关控件和变量，并建立人机交互界面。

3 系统功能实现

3.1 系统登录

为了确保系统的安全指数，需要账号密码才能进入次系统。系统后台管理员是admin。一般用户想登录系统，需要在系统管理员所在处进行登录，确认自身权限，输入自己的账户。账号和密码与系统自身数据库匹配。有以下两种情况：账户本身存在，但密码显示不正确；账户本身不存在。如果用户账户显示正确，但密码输入不正确，则会提示用户自身密码错误。如果账户不存在，则会出现账户“不存在”对话框。登录界面分为四个模块：核验模块、识别匹配模块、错误报告显示模块和权限控制模块。用户登录时，需要匹配所有四个模块才能成功登录。

3.2 决策支持

决策支持包括风扇决策、滴管决策和灯光补充决策。决策子系统的主要功能是提供支持。如果温度较高，风扇将被打开；如果温度达到设定的范围，风扇将会自动关闭；滴管将会在早上8点准时开启，在12点准时关闭；当光的强度没有达到一定的水平时，生物效应灯便会打开，当光照充足时，它将会自主关闭，决策支持的功能就是这样完成的。其中滴管决策的开启条件，若超过12分钟，则不会再打开。为了能够更智能准确地运行，在程序设计[4]过程中增加了一个核验功能。主要目的是开通决策服务，当时间检查开始运行时，系统将自动获取网络时间，并自动判断滴管决策的开启和关闭时间。为了使系统能够正常运行，需要在每次倒计时后进行新的判断。

3.3 数据收集

成功进入系统后，需要建立长期连接。采集子系统每1分钟将此数据采集发送到指定端口。数据传输后，服务器自身需要对传输的数据进行分析，获取系统指令参数，并进行识别与验证。数据储存在系统数据库中。通过连接的管理，搜索到手机终端，然后将识别分析的数据传输到手机终端。当手机接收到最终数据时，它自身便会向服务器所在系统发送请求，并通过自己的显示图形功能模块显示图形。对于用户自身来说，通过分析系统数据，然后调用相关的系统函数，最后使用插件使其在浏览器网页上显示图表。

3.4 远程控制

手动遥控和智能遥控是本系统的主要监控方式。在手动遥控中，需要彻底理解遥控箱的原理。在掌握了原理之后，进行远程控制就变得非常简单了。遥控箱内只需安装一个GPRS/3G转换模块便能把信号进行转换，然后控制电源的开关，控制电能。控制箱总共有8个接口端。当用户按动对应的按钮时，系统同时会发出对应的命令[5]。当模块识别到命令时，判断是否需要自身控制。其过程是：使用终端的设备向服务器发送指令，服务器识别指令并搜寻对应编号，扫描模块状态确定是否自身处在控制模式，控制模块对指令进行分析，然后激活对应的数据，命令服务器执行指令；设备已经打开或已经关闭。

4 系统实验

将本系统放在20 m×40 m的温室大棚里面进行全方位测试。在整个实验测试过程中，中国移动的SIM卡被插入GSM模块。首先，通过碳纤维电热丝模拟加热装置、水泵模拟浇水装置、电机模拟通风系统、卷帘模拟温室被子等，检测温室内的控制功能的智能化，即红外感应HC-SR501模块，以及温度、湿度和光线传感器是否能够正常识别外界环境。当收到不同的数据值时，Arduino终端便会控制相应的照明、加热、散热、喷水和通风继电器的开关。然后根据GSM短消息控制协议格式编辑短信，并发送给GSM模块进行核对，以便确定GSM模块是否可以收到短消息。当短消息的内容与微控制器的内部设置指令匹配时，将发出控制命令。系统测试结果如表1所示。

表1 系统测试结果

5 结论

通过本项目的开发，可以采集温室内环境的土壤pH值、空气二氧化碳浓度、水汽、光照强度、温湿度等。多样化的数据采集和分析可以直观地显示温室的环境，农民可以根据作物所需的环境进行操作。利用远程传输技术突破地域限制，打破传统的农业监测模式，让农民足不出户就能对温室环境进行监测和调节。当农业大棚因自然原因（如大风、暴雨等）或其他原因（人为故意破坏、动物进入等）出现异常情况时，及时收集异常数据可以让农户更快地实施预防和保护，减少经济损失。