智慧农业温室管控系统研究*

2023-07-12朱婧玮

南方农机 2023年14期

朱婧玮

（兰州现代职业学院，甘肃兰州 730300）

2021 年全国两会提出制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要，明确提出坚持农业农村优先发展，全面推进乡村振兴战略，走中国特色社会主义乡村振兴道路，立足农业资源多样性和气候适宜优势，培育特色优势产业，探索开展种植新模式，把产业培育、企业发展同群众就业、乡村振兴、民族团结更好地统筹起来，相互促进、相得益彰[1]。甘肃省在中央企业助力甘肃乡村振兴和高质量发展座谈会中指出，甘肃历史文化悠久厚重，地形地貌丰富多样，战略通道价值突出，资源优势相对明显，红色基因薪火相传，正在成为各方投资的热土和筑梦兴业的沃土[2]。基于此，笔者设计研发了一种适合甘肃经济发展、气候特点和地域特色的智慧农业温室管控系统，并在当地推广应用，得到了当地政府和农户的肯定。

1 智慧农业温室管控系统

温室大棚种植方式是当今我国农业模拟生物生长的一种有效措施，能够很好地克服不同地理环境对农作物生长的限制，减轻自然条件对农作物种植的影响。经市场调研，甘肃河西地区由于地域环境因素，近年来开始使用温室种植。目前，温室管理大多采用人工管理，普遍存在耗时费力、风险不可预估、设施易损坏等情况，因此迫切需要提高温室种植的智能化精准管理水平，实现科学种植。

1.1 系统功能

该系统以农业温室大棚为研究对象，将物联网、互联网技术应用其中，依托各种传感器和无线通信技术，实现数据采集、存储、传递和分布式精准控制与可视化管理。系统可采集棚内环境及棚外天气数据，将温室的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度及土壤温湿度等气候要素测试数据和摄像头监控画面实时传递到农户手机端和Web 端。农户可随时查看大棚实时环境数据和历史环境数据，对大棚现场通风、卷帘、喷淋等设备进行一键远程控制。系统的极端天气预警功能，可使农户提前预知天气变化，及时调整大棚设备，减少恶劣天气造成的农业经济损失。系统配置了农业作物种植技术资源库及专家库，农户可在手机上查询作物种植、病虫害防治等学习资料，专家在线指导农户科学种植。系统集成了棚区员工考勤功能，为棚区工作人员管理提供便利。

1.2 市场分析及目标客户

经调查，伴随着西部地区大开发的浪潮，结合农业农村部下达的农业结构调整的政策，温室大棚已成为西部地区尤其是河西地区乡村振兴开发的首选项目。河西地区是甘肃省重要农业区之一，提供的商品粮占全省的70%。但是，河西地区农业生态环境存在干热风危害、干旱危害、风沙危害、低温、霜冻、冰雹等问题。因此，亟需能够对温室内的环境要素控制和预警提醒的温室智能监控设备。根据2021 年甘肃省河西地区部分市州人民政府工作报告，2020 年武威市农业增加值达到164.59 亿元，稳居全省第1 位，农村居民人均可支配收入达到13 471 元、净增4 370 元，年均增长8.2%，全市农业增加值占全省的比重超过13%；金昌市城镇和农村居民人均可支配收入分别达到43 189 元、16 976元；张掖市城镇和农村居民人均可支配收入分别达到28 976 元和16 020 元。这意味着甘肃省河西地区农民收入逐年提高，购买能力不断增强，完全有能力购买温室智能监控设备。近年来，许多大型企业也开始在农业智能领域发展，在同等市场相较而言，虽然性能全，但是价格高，适合大规模大田种植，而对于甘肃河西地区的普通农户和在当地小规模的合作社并不适合[3]。本系统针对甘肃河西地区的特殊农业生产环境，以当地农户和农村合作社为主要目标客户进行推广，当地农户对这种新型的生产模式和智能化设备正在试用和接受。

2 智慧农业温室管控系统总体设计

2.1 硬件设计

智慧农业温室管控系统选用STM32F103ZET6 芯片作为系统主控芯片，交流220 V 供电。硬件电路主要包括传感器电路、主控电路、显示电路、通信电路、现场执行机构等。空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器采集温室大棚内环境数据后送入主控芯片，进行数据处理和计算，温室现场的液晶显示屏可显示上述参数，温室内的大棚卷帘、通风装置、喷淋、补光灯等需要根据现场适时开启工作。所有现场采集的数据、摄像头信号、考勤机数据都可上传至用户手机端和Web 端。下位机与上位机通过GPRS 通信方式，使用MQTT 协议与服务器通信[4-8]。系统硬件结构图如图1所示。

图1 系统硬件结构图

2.2 软件设计

系统软件部分按照功能模块进行设计，C 语言编程，Keil5.0 开发环境，主要负责对现场采集的数据进行运算、处理，并将所有数据通过有线网络和GPRS通信方式，使用MQTT协议与服务器通信。

2.3 上位机开发

1）开发环境。智慧农业温室管控系统在“Springboot+vue”环境下开发设计，使用SQL Server 2012 数据库。主要完成对温室内设备的远程控制、数据显示、数据存储、预警提示、历史数据调用查看、现场监控视频查看、考勤管理等，上位机可支持手机端和Web 端操作。

2）技术架构。温室精准控制系统运用物联网技术，通过互联网实现温室设备远程控制，采集、存储温室环境参数数据，向农户实时传送温室环境数据。数据显示、远程控制、实时画面、天气预警、考勤管理等功能为农户提供便捷的温室管控操作，为作物科学种植提供有效方案。

3）手机端。手机App 支持安卓手机操作系统，用户通过扫描二维码进行App 下载，运行软件进入主界面，如图2 所示。在设备列表点击进入设备的详情，设备详情界面包含了大棚环境信息实时数据，此时可以对设备的卷帘、通风进行远程控制。同时通过配置按钮可以对设备的温室名称、设备自动控制、预警界限等进行配置，还可以查询历史的设备操作记录，查看设备真实的运行情况。温室安装并接入海康网络摄像头，可以看到温室内外的监控画面，为用户远程操作卷帘和通风提供更加可靠的保障，同时可以利用室内的摄像头看到温室作物的生长情况，做到足不出户智能化管理。

图2 手机端主界面

4）Web 端。系统开发了Web 端温室管理平台，登录界面如图3 所示。该平台可以对多个大棚同时进行管理，也可以查询温室内的实时数据、历史数据和操作记录等功能。平台中也可以以曲线的方式查看数据。大数据展示模块定时每隔10 min 刷新一次数据，可以直观地在一个页面中看到温室环境数据、棚内外的实时监控情况等。

图3 Web端界面

3 智慧农业温室管控系统功能特点

1）系统以STM32 嵌入式芯片为核心设计终端节点和硬件电路，通过软件程序实现对温室环境的分布式精准控制，引入互联网、无线通信技术传输数据，通过上位机对温室环境进行智能远程监控，克服现有农业温室系统短距离控制的缺陷。

2）数据库管理服务以SQL Server 2012 为载体，存储温室环境和图像数据。在数据库中创建多个表，保证数据库运行流畅，对查询效率进行优化处理，在采集数据表Data 中建立索引，并定期将数据以二进制封存，减少数据库压力，提高查询速度。

3）监控系统的界面设计体现交互性、友好性和灵活性，便于管理人员操作。系统主界面可查询温室终端节点采集的所有数据和图像。环境调控设备按钮，可手动开启或关闭当前温室的外部设备。用户管理功能需要用户注册才能使用，管理人员可为用户设置一定的权限，从而防止数据被盗窃、篡改等安全问题。节点管理功能能够单独查看某一个节点的实时数据和历史数据。

4）系统具有温室环境数据超限预警功能和气象预警功能。当温室环境参数超过预设值时，系统将在手机App 和Web 端以弹窗的方式发出预警提示，同时对卷帘机、通风设备、加热设备等进行自动控制，帮助农户及时发现温室环境变化，科学精准管理温室环境。当天气突发异常时，系统通过嵌入的气象预报功能，及时向农户发出气象预警提示，帮助农户及时发现异常，对温室进行保护性操作管理。

5）系统嵌入了针对不同农作物生长特点的大棚环境精准管理方案和农业专家咨询，帮助农户对不同作物的种植选用最科学、合理的生长环境管控，有效防止病虫害发生，提高作物产量和品质。

4 智慧农业温室管控系统优势

4.1 农业与物联网结合，构建农业物联网

把田间地头的农业生产与物联网技术结合，构建物联网+智慧设施现代农业科技新格局。通过数字传感器、无线网络、自动控制实现对卷帘机、通风、补光、喷淋灌溉等设备的自动化远程控制。设施农业信息化综合管理平台由设施农业信息管理和决策系统、设施农业信息大数据中心、设施农业管理中心等组成，对农业提质增效起到重要的支撑作用[8]。

4.2 智慧设施农业温室，提升农业经济效益

在武威羊下坝镇农村合作社使用智慧温室管控设备，用户通过Web 端及手机App 控制卷放帘，每天平均节约卷放帘时间1.8 h，增加光照时间2 h，提高育苗产量9%。自动调控温室温湿度，提高出苗率8%。病虫害发生明显减少，节约用药量65%，一个100 m2标准温室节省人力2.5 个，年平均节约费用0.6万元，经济效益显著。自动化喷淋灌溉技术根据不同作物特点，科学供给水、肥，提高肥料利用率，减少肥料用量50%，减少用水量40%，节水省肥，降低棚内的湿度，减少病害发生，增加作物产量、改善作物品质。农户可远距离实时查看温室内情况，调控现场设备，应对突发恶劣天气，减少人力成本，降低生产风险，提高管理水平[9]。

4.3 建立农业知识库，发挥高校智力支持作用

系统平台上嵌入农业科学种植知识库，突破当地农户种植、育苗的盲区和技术瓶颈，帮助种植大户培训新员工。知识库资料有高校专家、农科院顾问的课程视频，也可通过在线留言、解答疑问的形式进行一对一咨询，做到农业专业精准指导，讯息实时更新，农户可在第一时间了解相关农业生产知识，规避农业生产中的风险和错误，真正实现高校为乡村振兴提供智力服务[10]。