李 雪，文 燕，鄒承俊，李 敏

（成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院，四川 成都 611130）

農(nóng)業(yè)是我國(guó)的第一產(chǎn)業(yè)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，因此農(nóng)業(yè)的發(fā)展?fàn)縿?dòng)著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)命脈。由于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)受自然環(huán)境的諸多因素影響，因此利用科技手段來(lái)改善農(nóng)業(yè)對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和農(nóng)業(yè)相結(jié)合，也是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)信息化的必然選擇。

隨著計(jì)算機(jī)、通信等技術(shù)的提高，目前已有許多國(guó)家利用智能信息手段來(lái)促進(jìn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，比如通過(guò)各種信息技術(shù)手段監(jiān)控農(nóng)業(yè)里各種環(huán)境的參數(shù)。我國(guó)科技發(fā)展日新月異，在此基礎(chǔ)上，以傳感器技術(shù)、無(wú)線傳感網(wǎng)和通信計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用則可以極大地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，農(nóng)民需要憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)感受農(nóng)作物是否缺水需要灌溉、是否需要施肥等。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可將這些數(shù)據(jù)自動(dòng)采集且分析。

本文根據(jù)農(nóng)業(yè)溫室大棚來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，可以采集空氣的溫濕度、土壤的溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等數(shù)據(jù)。并通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)采集到中心節(jié)點(diǎn)后再傳輸?shù)娇刂浦行摹？刂浦行目杀O(jiān)控采集到的數(shù)據(jù)，并通過(guò)設(shè)置閾值來(lái)控制其它農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

1 整體設(shè)計(jì)

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種溫室大棚智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集棚內(nèi)的空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照、二氧化碳濃度等參數(shù)，并且通過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值來(lái)控制農(nóng)業(yè)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。比如通過(guò)溫濕度的數(shù)據(jù)來(lái)控制噴灌系統(tǒng)，通過(guò)光照來(lái)控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)等。采用基于ZigBee無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)的智能應(yīng)用系統(tǒng)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)連接著傳感器和繼電器。傳感器用來(lái)感知外界環(huán)境采集數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器用來(lái)創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，為加入到網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分配地址。終端節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器作為連接上下層的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，將底層傳感器節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給上層。繼電器、傳感器和協(xié)調(diào)器都通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行互聯(lián)，完成數(shù)據(jù)以及信息的傳輸與收發(fā)。在真實(shí)的溫室大棚構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時(shí)，通信距離要增大，組網(wǎng)密度要提高，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)也要增加，通過(guò)引入路由節(jié)點(diǎn)來(lái)保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。路由節(jié)點(diǎn)發(fā)揮中繼通信的作用，可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，起到路由的功能，保持網(wǎng)絡(luò)暢通。由此無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可容納更多節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍更廣。因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的大小選擇合適的網(wǎng)絡(luò)布局。

考慮到應(yīng)用層是與客戶進(jìn)行交互、面向客戶的移動(dòng)應(yīng)用終端,因此在設(shè)計(jì)上層的時(shí)候采用協(xié)調(diào)器通過(guò)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳到控制中心，然后控制中心再無(wú)線連接客戶的移動(dòng)終端。整個(gè)架構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，硬件設(shè)備架構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件架構(gòu)圖

圖2 總體設(shè)計(jì)圖

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 終端節(jié)點(diǎn)模塊

終端節(jié)點(diǎn)一部分采用的是監(jiān)控環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器，有光照強(qiáng)度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器和煙霧氣體傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室大棚的環(huán)境數(shù)據(jù)；另一部分則是由繼電器控制的農(nóng)業(yè)設(shè)施。當(dāng)監(jiān)測(cè)到的空氣溫濕度數(shù)據(jù)大于控制中心設(shè)定的閾值時(shí)，就打開(kāi)繼電器節(jié)點(diǎn)的風(fēng)扇設(shè)備。終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)連接。

2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)。向下連接底層WSN的傳感器設(shè)備及繼電器設(shè)備，向上則連接控制中心或服務(wù)器。連接的方式可通過(guò)有線串口與上位機(jī)進(jìn)行直連，也可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景選用帶有無(wú)線WIFI功能的ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)網(wǎng)關(guān)與控制中心相連。

2.3 客戶端

對(duì)于應(yīng)用層來(lái)說(shuō)，可采用PC端的控制中心，也可采用手機(jī)移動(dòng)APP方式進(jìn)行人機(jī)交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，并通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)查看數(shù)據(jù)。除此以外，編寫(xiě)控制程序進(jìn)行相應(yīng)的閾值設(shè)定，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制繼電器模塊如風(fēng)扇、燈光等的目的。

3 系統(tǒng)測(cè)驗(yàn)

將本文所設(shè)計(jì)的智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)在室內(nèi)進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。用協(xié)調(diào)器和PC機(jī)通過(guò)串口線直連。啟動(dòng)PC端的上位機(jī)，可以看到上面分別顯示了土壤溫濕度、空氣溫濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以及是否存在煙霧和為土壤溫濕度、空氣溫濕度和光照強(qiáng)度所設(shè)定的閾值初始值。通過(guò)修改設(shè)定閾值，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和閾值進(jìn)行比較來(lái)控制風(fēng)扇、噴灌和光照等農(nóng)業(yè)設(shè)備。比如當(dāng)傳感器采集到的空氣溫濕度數(shù)據(jù)超過(guò)上位機(jī)設(shè)置的閾值時(shí)，程序設(shè)定此時(shí)需打開(kāi)風(fēng)扇，因此通過(guò)協(xié)調(diào)器下發(fā)打開(kāi)風(fēng)扇的命令到繼電器模塊，進(jìn)而控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)，其它設(shè)備也如此。

圖3 PC端數(shù)據(jù)顯示圖

對(duì)于實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制靈活的需要，采用在用戶手機(jī)上設(shè)計(jì)智能農(nóng)業(yè)溫室大棚應(yīng)用系統(tǒng)APP也很重要。可以通過(guò)啟動(dòng)手機(jī)移動(dòng)終端APP來(lái)查看傳感器的數(shù)值，如圖4所示，并且和PC端一樣通過(guò)閾值設(shè)定來(lái)控制農(nóng)業(yè)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)等。通過(guò)系統(tǒng)測(cè)驗(yàn)，可基本滿足預(yù)期要求。

圖4 移動(dòng)終端顯示

4 未來(lái)發(fā)展

目前我國(guó)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)還停留在理論試驗(yàn)和小規(guī)模試點(diǎn)初步階段，推廣應(yīng)用的力度還不夠大，并且在技術(shù)方面還有待進(jìn)一步提高。物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)還需要建立，這些都需要后續(xù)跟進(jìn)，未來(lái)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前景還很廣闊，需社會(huì)及政府都參與其中。

5 結(jié)語(yǔ)

信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)相結(jié)合是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必然趨勢(shì)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)改變傳統(tǒng)落后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式、提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展、提升我國(guó)農(nóng)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的意義。本文設(shè)計(jì)的智能農(nóng)業(yè)溫室大棚系統(tǒng)利用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)實(shí)時(shí)采集農(nóng)業(yè)環(huán)境中的數(shù)據(jù)，并通過(guò)控制中心控制農(nóng)業(yè)設(shè)備，組網(wǎng)方便、操作智能，未來(lái)還需要不斷提升技術(shù)，逐步完善農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程。