浅析基于物联网的农业远程自动化控制

李林峰

（河南工业贸易职业学院，河南 郑州 451191）

0 引言

如今，农业领域已经取得了巨大的进步，通过融入“互联网+”、自动化、人工智能等技术，更精细化地实施农田管理。农业领域的新技术创新是非常重要的，也引领了农业的未来发展。在农业各个领域的发展中，笔者发现了需求的技术与方向，这些需要一个实时的系统来解决，该系统可以自动化控制并通过网络传输数据，也可以进行沟通交流。系统具有友好的用户界面，易操作，易维护，任何人都可以很容易地操作。系统由主控制器和若干传感器组成，通过物联网技术传递数据，农民和科技人员可以很容易得到农田的情况，并实时获得数据，而不需要亲自到田间地头[1]。

事实上，在农业生产中，任何一个机械化问题都是有可能出现的。出现问题的原因可能是某些自动化机械设备的参数来源问题，许多源参数是从其他领域获得的，可能在实际操作过程中不太适合农业领域，这就需要重新获取相应参数，应用到自动化设备中[2]。

物联网技术的出现具有颠覆性，其具有的连接功能，使其具有可以连接任何类型设备的能力。物联网的应用可以收集和存储数据在远程云端。物联网的特点是将低功耗和低内存的设备与其他类似的设备相连，这种通信和效率在近距离环境中的应用，主要集中在可穿戴设备、智能家庭、智能医疗、家电、交通控制、环境监测、工业检测等。目前，农业领域已经逐步使用物联网技术，涉及灌溉系统、水检测系统、土壤检测系统等，可以科学地为农民和科技人员提供参考帮助[3]。

1 实现

物联网被用于农业领域，将基于农业的传感器连接到控制器，互相协调并通过互联网发送和接收数据。收集的数据用于分析和决策。市场上有各种传感器可以用于农业领域，可以用于自动化检测温度、湿度、pH值、环境值等，这种自动化可以被优化，以减少人工调查。结果表明，通过传感器参数的设置，可以通过互联网技术通知用户。笔者主要介绍以下几种在农业领域中使用的设备[4]，如图1所示。

图1 农业物联网架构

1.1 控制器

Atmega328p板卡是一个控制器，它是一个主控设备，作为系统启动的控制单元，对其他设备进行控制，并通过物联网接口发送实时信号。Arduino板卡是一个有用的微控制器，作为主设备。这是一个处理单元，完成所有的内部操作。它可以获取数据，并将数据传递给运算器，也可以将数据传递给终端。这些数据当中可能存在错误，板卡可以很容易地进行修复，并同步到其他组件，同步的数据可用于传输和接收。阵列是有计算路径的，可以改变数字信号。从属方收集的传感器数据在主控制器上被读取。这个器件作为主控器可以依次提取数据，并有能力在控制器引脚上改变控制器引脚的优先级。这就是农业领域中经常使用的第三方核心[5]。

1.2 显示器

为了查看、了解主控制器接收的数据，需要使用显示器。在显示器上，每个操作都可以显示出来。参数的传入和传出都是可以显示的。它具有光调制特性，由液晶组成。显示屏将出现在设备中，以便实时显示，帮助农民和科技人员了解实时数据，确定可以采取的行动，然后再行动。也可以使用更大像素的显示屏，但是这种显示屏在与Arduino的固定连接中可以更加适合。在智能化的农业领域，像Arduino这样的设备是十分必要的，作为农民和科技人员了解农作物生长情况的数据收集设备，可以利用这一设备对下一步需要采取的应对手段做出判断。

1.3 pH传感器

pH传感器是一种逻辑仪器，用于检测被测物氢离子浓度并转化成可用的输出信号。智慧化农业需要这样的传感器为农民和科技人员提供所需要的数据。pH传感器可以精确地获取被测物的数据，并将数据转化为电信号，从而使其成为控制器。例如，pH传感器可以检测水的碱度，并将数据传输到控制器。pH传感器作为一个从属设备，可以产生输出数据，其结果被输入主设备。大多数pH传感器设备在精度上都有局限性，但是对于农业领域来说，pH传感器是绰绰有余的，可通过pH电极获得实时数据。

1.4 DHT11

DHT11是一款必不可少的、简易的、已校准数字信号输出的温度和湿度传感器。它利用电容式温度传感器和热敏电阻来检测空气的温湿度，并在信息引脚上发出一个高级信号。DHT11传感器每2 s输出一次数据，传输给主设备，使主设备立即获得更新的值，得到的实时数据和变化数据可以应用于计算。DHT11是一个低功率的设备，但是它是一个功能强大的传感器，可以将转换后的数据作为模拟电信号准确地输出。

1.5 湿度传感器

该传感器主要用于测量土壤中的水分含量，可直接将结果发送给主控制器，用于自动化灌溉的参数收集。这种传感器在测量传感器参数方面具有高精度的特点，并且可自动校准，对土壤实时监测，将数据发送给主设备。当土壤中水分较少时，可以在传感器的帮助下确定农田灌溉的需求，这样可以确保土地不会缺少水分，也不会水分过多。

1.6 GSM模块

GSM是与主设备和从设备建立通信，其中，系统设备作为主设备，传感器作为从设备。数据从一个设备传输到另外一个设备，没有任何延迟，一般用于同步通信，这样就可以获得实时数据。使用的频段是900 MHz，它将数据数字化，并以64 kbps的数据速率在信道中发送信息。该系统还可以用于发送短信，这样农民就可以得到实时的数据。

1.7 能耗

基于网络在整个系统中的重要地位，因此，网络的稳定性和可靠性是网络生存能力的最好体现。在生产、生活中，网络的修改和维护延长了网络寿命，但也可能对系统造成损失。在农业领域，有些设备需要布置在偏远地区，导致这些设备无法频繁充电，一些低功率传感器的应用能增加设备的续航能力，但是解决不了充电问题。笔者期望在整个架构中的每一层都有轻量级协议设备，这样在运转中需要消耗的电量会减少很多。传输数据时消耗的电量比设备接收数据时消耗的电量要多。由于物联网网络在数据传输和存储时需要与云端进行数据交换，所以每个节点都需要消耗电量。因此，在设计系统时，解决硬件和软件设备功耗问题是一个重点。

1.8 安全

设备数据的安全性和设备位置的隐私性是至关重要的方面。由于篡改或泄露数据导致的自动化系统故障，会在许多方面对系统造成威胁。随着感知数据和设备的安全，数据上游和下游的安全也应该得到保障[1]。

2 工作流程

1）下面利用水系统管理来描述基于远程控制的农业物联网。农业中的用水量根据以下因素而变化：作物类型、季节、一天中的时间、持续时间、气候、地面坡度的变化和耕作方法等。农作物的需水量可以统称为消耗性用水，消耗性用水是指植物在生长过程中的用水量，另外还有不可避免的水损失和特殊需要的水，可能是由于渗水、深层渗水和水在其储存区的蒸发。农业所需的水由降雨、灌溉、地下水和露水满足。如果降雨量少，地下水位很低，露水量不大，那么就必须依靠灌溉。这就需要一个高效的供水系统，以便在灌溉中合理利用水资源，不造成任何浪费，并保障水质[6]。

如图2所示为水管理流程框架图。①检查土壤和土壤的水分含量和污染物。如果没有达到最小值的标准，则检查灌溉系统。②如果灌溉系统不工作，那么控制器和管理组会收到有关该问题的警报，提醒管理组采取措施解决这个问题，并修正框架系统。如果灌溉系统工作正常，那么框架系统会检查供水量，通过传感器随时检测水分含量。③如果水位太低，农民和技术人员要向管理组说明情况，及时进行系统维护。如果水位正常，则实现对农作物的灌溉。

图2 水资源的自动化管理

物联网技术被用于连接基于农业的传感器和控制器，以便互相协调，并通过互联网发送和接收数据。所收集的数据可用于分析和决策活动。在决策应用的情况下，通过网络中智能传感端调控环境。这种自动化可以被优化，以简化农场的水、空气和土壤的质量监测工作，提高作物产量，节省农业资源。

2）土壤护理的流程。该流程分为几个阶段，主要是检查有机肥料的有效性，不同类型的肥料是否充足，后续应该使用哪种肥料，通过传感器给出结论。在检查中需要使用两种传感器，一个传感器主要负责筛查土壤pH值情况，以及检查补充剂的情况；一个传感器对土壤水含量及肥料含量做出筛查，如果水含量不达标，灌溉系统会告知管理组并启动；如果没有到达临界值，灌溉系统会告知管理组并提前结束。这就是传感器在农业领域的应用，随着相关技术的不断发展，越来越多的智能化设备被用在农业中，这样的工作流程是十分必要的[7]。

3）pH值的算法：启动程序——监测土壤成分——土壤pH值超过阈值——检查过量的肥料——显示传感器返回值——检查参数——显示传感器返回值——pH值<阈值——检查缺肥情况——显示传感器返回值。

3 结论

自古以来，农民遇到各种问题时，都是依靠经验判断解决。如今，利用物联网和计算机技术，可以解决很大一部分农业领域遇到的问题，而且可以根据大数据技术得出的结论，指导农民计划种什么以及如何进行科学种植。可以建造一个智能农业企业框架，它不需要人工进行干预，可以在没有人工的情况下实现种植与收割。综上，利用智能化技术，可以更高效地发展现代化农业。