智慧农业大棚监控系统的设计与实现研究

2023-02-10杨一凡

南方农机 2023年2期

杨一凡

（山西应用科技学院，山西太原 030062）

农业是我国的支柱产业，在国民经济中占有十分重要的地位，随着互联网技术的不断发展，农业生产模式发生了翻天覆地的变化，智慧农业生产逐步替代了传统农业生产，农业生产呈现出了新面貌、新气象。在温室大棚种植过程中，农业工作人员都认识到了构建智慧型监控系统的重要性，因此全力推动大棚监控系统的设计与革新，该技术目前已成为智慧农业技术人员关注的重点。未来的农业大棚监控系统将不仅拥有空气环境参数传感功能，而且还拥有土壤环境传感及光照强度传感等各项功能，可以为未来的农作物耕种和发育提供更好的外部环境与生长条件。

1 物联网体系结构概述

所谓物联网体系结构指的是用计算机模拟人脑来感知周围事物，通过模拟信息由神经系统传递到大脑的整个路径，来完成物联网技术的革新与研发，使得计算机能够模仿人类大脑的信息处理方式，来进行信息的快速存储和筛选。在互联网技术的使用过程中，智能化机械设备需要与外界信息进行交互，充分感知外界具体信息，由于物联网的系统结构较为复杂，因此针对不同领域的信息获取，其在功能和规模上有不同的实现方式，但不论何种方式，物联网都需要使用正确的技术架构来完成分层模型的构造，以完成信息传输，促进智慧化信息处理工作顺利开展[1]。就目前而言，物联网体系结构已经完成了对人类日常生活的全覆盖，不仅农业生产建设可通过完全智慧化的技术来进行改革与创新，城市建设、家居建设、交通建设甚至医疗体系建设都可以通过物联网体系结构来得到进一步优化。

2 智慧农业的生产形式

智慧农业是指在传统农业生产建设的过程中添加物联网技术，并通过物联网技术的不断研发与完善，让农业生产在结构模型上发生改变，使得农业生产效率和质量得到进一步提升。在智慧型农业生产模式运行过程中，大部分工作人员都会使用各类智能化的感知设备和控制设备来获取农作物耕种和成长发育过程中的各项关键信息，并通过信息分析和信息整理等方式，掌握当前农作物的实际种植情况，来制定针对性的措施以应对农业生产过程中可能存在的风险，使得农业生产质量得到提升。除此之外，工作人员还会利用智能化设备获取关键信息，完成对当前农业市场环境的分析和预测，让农业生产企业在某一农作物的生产周期内作出关键性的决策，为企业发展和建设争取更高的经济收益，从而带动农业的发展和创新[2]。

3 智慧农业大棚监控系统的设计

3.1 总体需求分析

在传统的农业生产建设过程中，存在农业生产效率不高、生产经营模式落后等问题，因此极易受到外部自然环境等因素影响。为此，技术人员需要在农业生产过程中渗透智慧信息技术，转变传统的农业生产和发展方式，全面推动农业生产建设效率的提升[3]。

智慧农业大棚监控系统的设计和运用能有效解决上述问题，种植人员在监控系统运用的过程中，能随时随地获知农作物的实际生长情况，预测农作物生产过程中可能出现的各类风险性因素，从而制定有针对性的风险预警机制，降低风险发生概率，极大地提升了农作物耕种和生长的质量。较传统种植而言，大棚种植能够人为改变外部环境和条件因素，配合监控系统的使用，使农业生产建设效率达到最佳状态[4]。

3.2 控制系统总体架构

在具体监控系统设计过程中，大部分技术人员会通过云平台、传感器网络、无线视频监控网络的相互融合与应用来实现监控系统的各项功能，使工作人员明晰温室大棚内具体作物的生长环境，工作人员可通过云平台来及时获取现阶段农作物的生长信息和数据，并通过数据分析的方式，来制定调节大棚内部温度和其他参数的具体方案。若在数据收集和整理的过程中，云平台所反馈的具体参数出现异常，工作人员也可通过实时反馈数据信息来对当前作物的生长状况进行及时判断。全面推动农业生产和建设，也能够让工作人员根据当前农作物生长过程中出现的问题，及时调整温室大棚的整体布局，使得农业生产达到最佳状态[5]。

3.3 信息数据监控流程

1）数据采集。在监控系统运用过程中，工作人员需使用放置在温室大棚内的各类传感器设备，完成一手数据信息的采集工作。监控系统需要监督和回传的数据不仅包括温室大棚内的温度、湿度及光照强度，还包括温室大棚内的具体土壤湿度、土壤酸碱度等信息，通过全面分析数据参数，从而掌握农作物的生长情况[6]。

2）数据传输。在通过传感器获取了一线数据后，可在Wi-Fi网络的助力下，通过modbus现场总线协议技术，将一线数据回传到云平台。在传输过程中，大部分构建监控系统的技术人员会使用RS-485双绞线来完成数据上传，以此保证数据顺利传输到云端服务器，供工作人员进行查阅和运用。

3）数据处理。在完成数据传输工作后，后台农业生产建设人员需要根据回传到云端服务器的关键信息和视频录像来完成数据信息的融合处理工作，对现场回传的信息进行相关分析，判定当前农作物在大棚中的生长效果，并最终作出是否通过监控系统完成报警和控制指令输出的决定[7]。

4）数据反馈。在数据分析工作完成后，监控系统的技术维护人员需要及时进行监控系统运行环境的监督和管理工作，一旦发现监控系统的数据传输存在异常情况，就需要及时通过下达控制指令等方式来处理各类突发性事故，确保控制系统能够正常发挥作用。

4 采集与控制单元设计

4.1 采集与控制单元的部署

我国地域辽阔，不同地区的智慧农业大棚设计方式和理念存在一定差异，各地主要培育耕种的农作物也不相同，但温室大棚结构设计的主要理念趋于一致，大部分温室大棚使用背靠砖头的混凝土为主要原材料，以圆弧形钢架为主体结构模式进行结构方面的设计，并通过塑料棉和棉毯进行保温工作。实际上，温室大棚作为智慧监控系统应用的主要对象，许多控制单元都会直接在现场进行布置。因此工作人员在监控系统的具体设计过程中，需要到温室大棚现场来完成考察调研工作，根据温室大棚具体的长宽高等参数，来完成温室大棚控制单元结构的部署，针对温室大棚具体功能的实现需求，来完成控制单元的具体方位设计。如果温室大棚的面积较为广阔，存在参数变化不统一的现象，那么技术人员在监控系统构建过程中，可将温室大棚划分为6个不同的区域，分别完成数据采集工作，每个区域部署一个采集控制单元，在每一个控制单元内都部署监测空气湿度和温度、土壤湿度和温度以及酸碱度的传感器。这种分区域部署的模式，能够保障监控系统的监控力度达到理想状态，即使在面积较大的温室大棚中，也依然能够发挥作用[8]。

4.2 网关硬件结构的设计

数据网关是监控系统运行过程中完成数据传输的重要桥梁，一旦数据网关设计结构方面出现了问题，数据传输工作就无法顺利推进，在后台进行实时数据监测的工作人员就无法及时获取有效信息，直接影响到监控系统运行效果的落实，也会影响到农作物的生长发育质量。就目前而言，智慧温室大棚监控系统在构建过程中，都会使用Wi-Fi通信模块、微处理器模块及供电模块来完成网关硬件结构的组合设计。在具体的数据网关结构设计过程中，技术人员要以CPU作为核心部分来进行传感器数据的协调处理工作，在这一部分工作逐步推进的过程中，485串口通信模块需要及时发挥作用，将传感器中采集到的一手数据上传到微处理器上，通过指令发送的方式，顺利经过Wi-Fi模块构建的通信桥梁，使网关与云端服务器能够实现无障碍沟通。需要注意的是，Wi-Fi模块在发挥作用时，其所传输给云端服务器的数据只是经过初步处理的原始数据，后台工作人员在接收数据信息的过程中还要完成信息的二次处理工作，否则相应信息将无法直接在农业生产建设中发挥作用。农业生产人员也需要通过云端服务器来下达控制指令，完成接收信息后的回应工作[9]。

4.3 传感器模块具体选型

在监控系统运行的过程中，系统是否拥有强大的信息感知力与传感器模块的选型密切相关。想要使大棚监控系统具有智能化的决策特征，需要优化传感器模块的具体选型工作，使得传感器能够精准获取温室大棚种植过程中的各项参数，不断回传农业生产过程中会影响到最终生产质量的温度、湿度、光照强度等各类数据。在大规模的温室大棚监控系统搭载过程中，由于环境参数分布存在不均匀特征，所以，控制和采集单元分布点需要变得更为广泛，从而全方位收集温室大棚内的各项数据。在传感器选型过程中，工作人员需要根据以下要求来完成选型工作。首先，工作人员要尽可能降低每个节点的成本，使得监控系统的日常运作成本得到合理控制。其次，工作人员在节点测量的过程中要重视功耗问题，尽可能选择低功耗的传感器来完成数据传输工作。再次，在传感器模块选型的过程中，工作人员需要提升信息传输速率和准确度，使监控系统在具体运用的过程中达到实时监控的效果。最后，工作人员需要使用model bus通信协议，来完成传感器和数据网关之间的通信连接，在保证数据传输效率的同时，进一步保障数据传输的精准度[10]。

4.4 Wi-Fi通信软件的设计

智慧农业大棚监控系统的构建，最突出的系统特征是云平台才是最终的数据处理服务集中地，云平台的合理运用能够有效解决传统农业中出现的问题。然而，想要让云平台设计发挥更大的作用，就需要在系统结构建设过程中，提升数据网关在一手环境数据参数接收方面的灵敏度，使其迅速上传到云平台。因此技术人员设计了ESP8266模块，通过Wi-Fi通信方式的运用来完成公共网络同云平台之间的无障碍连接。应用模块软件在设计过程中具有明显的数据整合打造特色，且在数据传输过程中，会初步完成数据异常诊断工作，若发现数据存在异常，会及时向云平台发送指令，并自动完成数据异常的判别。这能大幅提升监控系统的数据传输效率和质量，并在数据传输的过程中规避可能出现的突发状况，让监控系统的数据传输和外部环境变得更为安全。这类Wi-Fi通信软件的设计能够让信息在汇总后完成初始化的处理，能够对降低后台处理工作人员的工作压力起到至关重要的作用。