基于物联网技术的智慧农业沙盘系统设计与实现

李 浩

（湖南生物机电职业技术学院，湖南 长沙 410126）

智慧农业是按照工业发展理念，以信息和知识为生产要素，通过互联网、物联网、云计算、大数据等现代信息技术与农业跨界融合，实现农业生产全过程的信息感知、定量决策、智能控制、精准投入和个性化服务的全新农业生产方式[1]。其中物联网技术的快速发展[2]，为智慧农业提供了重要基础。智慧农业设施大棚是应用农业物联网技术的一个典型代表[3]，在智慧农业专业人才培养中，并非所有的教育和培训机构都具备在智慧农业大棚中开展实训教学的现实条件，而随着沙盘系统设计向通用模块化方向发展，能够在软硬件层面以有限的资源集中体现复杂的应用场景，因此可利用沙盘模型模拟真实大棚的农业生产环境。以沙盘展现的智慧农业生产应用场景为教学引例，以其运行过程为教学演示、以系统的实现过程为教学内容，形成有效的教学方式与手段[4]。除应用于智慧农业教学外，也可针对真实的智慧农业大棚生产管理，以沙盘系统为载体，运用物联网技术对大棚生产环境进行监控，对各项生产环境指标进行智能化分析并据此进行生产环境调控。为此，基于物联网技术，设计一种可同时应用于智慧农业实训教学和智慧农业温室大棚生产管理的农业沙盘系统，为智慧农业教学与生产实践提供技术支撑。

1 系统设计

按照基于物联网技术的智慧农业温室大棚系统架构，即感知层、传输层、服务层、应用层（图1），在学校教室内或户外制作智慧农业沙盘模型，在沙盘有限的空间内集中体现智慧温室大棚的上述4个系统层次。

智慧农业沙盘系统以沙盘实体模型为载体（图2），由环境感知和控制系统与配套软件系统（服务管理平台）构成。沙盘可独立模拟智慧农业温室大棚生产管理的各个环节，为智慧农业实训教学提供实操环境，还可与实际存在的智慧农业温室大棚相配套，支持触控一体机、Web 应用或利用智能手机App 通过4G 或5G 网络远程实时监控大棚生产环境，并可基于对各项环境数据的分析，手动或自动地对大棚内的控制设备下达指令，调控大棚生产环境，为大棚提供可视化、全天候、自动化的智能管理平台。

图2 智慧农业沙盘实体

2 系统实现

2.1 硬件系统搭建

2.1.1 环境监测 在沙盘或真实大棚内安装工业级传感器进行实时数据采集，监测空气温湿度、土壤水分、光照度等生长环境指标，如采用CO2浓度传感器实时检测CO2浓度；采用雨水传感器实时检测是否下雨及雨量的大小；采用风速传感器实时监测风速、风量大小；采用风向传感器稳定准确地采集环境风向信号；采用土壤酸碱度传感器实时监测大棚内部土壤pH等。采集的各项数据通过ZigBee无线通信等方式，以ARM智能网关为核心[5]，传输给服务管理平台进行分析处理。

2.1.2 视频监控 通过部署摄像头实时捕获大棚内部影像，用户通过服务管理平台可在控制中心的显示器上实时查看大棚的各项环境参数，还可通过PC或手机APP远程访问的方式观看大棚内实时影像，对大棚内部各项设备的运行状况进行有效监控。

2.2 软件开发

以云服务为核心，整体使用spring +hibernate 框架进行设计，开发基于云计算平台的服务管理平台，所有代码开放获取，便于用户使用和学习。采用通用分组无线服务（4G、5G、WIFI）组网技术实现数据的接入，使用websocket作为服务器和网关节点之间、服务器和客户端之间创建全双工的数据通讯通道，便于云服务器推送和接收实时数据。数据存储采用SQL 数据库和云存储。数据呈现、查询、分析通过应用NET．ASP 及Flash技术在云平台上开发和部署Web门户网站实现。为保证平台用户的安全性，登陆采用仿oauth2.0 的token 认证机制，token 存储放在redis数据库中。用户密码通过根据时间变化的md5 加密后保存。使用Validate.js 的jquery 插件保证用户输入form 的格式正确性。

由感知层采集获得的空气、水、土壤等环境监测数据呈现使用Datatable.js 的jquery插件为用户提供清晰明了的数据表格，方便用户进行排序和查询等相关操作。通过jstl标签将数据进行动态输出，使用chart.js的插件绘制数据折线图，可对历史数据走势图进行对比分析，并利用历史数据预测大棚内作物生长环境中各种因子的发展趋势，提前发出预警。平台管理指令的下达通过ajax 异步提交网络通讯请求，使用socke.js 与服务器建立连接，获取传感器的实时数据以及向网关发送实时控制指令，对水泵、植物生长灯、加湿器、加热器、温室窗帘等实现控制。

3 系统应用效果

智慧农业沙盘在湖南生物机电职业技术学院物联网实训室应用以来，学生依托沙盘模拟的真实智慧温室大棚生产情景开展实训，直观地感受大棚环境监测相关硬件设备的运作过程，同时可在手机端的APP 和PC上登录大棚管理平台，实时查看各项环境指标，并可对各硬件设备下达控制指令，对设备进行调度，对模拟的大棚环境进行调节，能够在模拟场景中实现参与真实生产环境管理的操作体验，由此更好地了解智慧农业相关技术在智慧温室大棚中的应用，通过实训过程更好地掌握所学的智慧农业相关技术理论知识，进而极大地提升了教学效果和学生实践技能，获得了师生的积极评价。通过应用该系统，在拓宽教学领域、创新人才培养模式方面发挥较大的推动作用，促进了实训教学的职业化、专业化、现代化。

4 结语

基于标准的物联网体系架构，融合多种信息技术，设计开发智慧农业沙盘系统，模拟真实的大棚作物生产环境，系统采用模块化设计，同时软件代码开源，可针对不同学校的教学要求和教学条件进行二次开发，自行定制软硬件功能，对系统各组件和模块自由拆分和重组，以更好地满足教学或课题研究的需求，使用上优于普通的电气联动沙盘。使用该系统开展教学实训，可实现较好的演示效果，促进教师和学生对智慧农业，特别是农业物联网技术应用的认识和理解。另外，可将沙盘作为农业智慧温室大棚管理的载体，提高对大棚生产活动的管理效能。