王英杰　鄭明輝

摘要：為解決目前土地荒漠化嚴重、土地資源緊缺的問題，在分析我國實際情況的基礎上，利用無土栽培技術和物聯(lián)網(wǎng)技術，設計了一款智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)將硬件系統(tǒng)檢測與調節(jié)功能、軟件系統(tǒng)自動運算功能與控制功能等相結合，依托物聯(lián)網(wǎng)技術進行農(nóng)作物培育，為實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化提供新的解決方案。

關鍵詞：農(nóng)業(yè);管理系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng)技術

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2019.06.015

Abstract： In order to solve the problems of serious land desertification and shortage of land resources， an intelligent agricultural management system was designed by using soilless culture technology and Internet of Things technology on the basis of analyzing the actual situation in China. This system combined the detection and regulation functions of hardware system and the automatic calculation functions and control functions of software system， and cultivated crops by relying on the Internet of Things technology， thus to provide new solutions for the industrialization of modern agriculture.

Key words： Agriculture;Management system;Internet of Things technology

目前我國設施農(nóng)業(yè)面積增長幅度大，集成化程度低，災害應對能力差，其中設施園藝絕大部分用于蔬菜、花卉生產(chǎn)，主要依賴經(jīng)驗和單因子定性調控，智能化程度低。蔬菜設施種植茬口安排存在單一、生產(chǎn)率低下的情況，重茬、連作問題較為突出，導致病蟲害頻發(fā)，栽培環(huán)境惡化，品質難以保證。在設施農(nóng)業(yè)中，土壤結構逐年變差，土壤長期處于覆蓋狀態(tài)，沒有雨水淋溶作用，加之施肥不合理，尤其是過量施用氮肥，使土壤中的鹽濃度超標，出現(xiàn)不同程度的酸化或鹽堿化[1-2]。

智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)根據(jù)農(nóng)作物的實際情況而采用與之相適應的傳感器與調節(jié)設備，對農(nóng)作物的生長進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控與采集，借助物聯(lián)網(wǎng)技術對其進行統(tǒng)籌管理、自動控制，以達到合理利用土地、減少資源浪費與環(huán)境污染的目的。

1系統(tǒng)總體設計

智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)系統(tǒng)是一種統(tǒng)籌軟硬件，代替?zhèn)鹘y(tǒng)農(nóng)業(yè)中人對農(nóng)作物生長及生產(chǎn)控制的綜合管理系統(tǒng)。選擇一個合適的培養(yǎng)空間，將植物放入，以無土栽培為基礎，通過手機或電腦控制端對植物的生命周期、生長速度進行實時監(jiān)控，并實時收集培養(yǎng)空間內濕度、溫度、光照強度及營養(yǎng)攝取情況，遙控培養(yǎng)空間提供所需條件。圖1為系統(tǒng)的總體結構圖。

2系統(tǒng)硬件設計

2.1營養(yǎng)液自動調配灌溉

王英杰等：基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)設計2019年第6期2019年第6期王英杰等：基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)設計營養(yǎng)液調配回路由營養(yǎng)液母液儲藏部分、電磁閥、水泵、濃度檢測裝置、取樣管道、攪拌器等部分組成，水泵通過取樣管道將養(yǎng)液池內已用過的部分營養(yǎng)液進行取樣，輸送到濃度檢測裝置，檢測營養(yǎng)液中營養(yǎng)物質所剩含量，檢測后的營養(yǎng)液經(jīng)回收管道流回到養(yǎng)液池?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)，控制電磁閥通斷向已有營養(yǎng)液中輸送適量的營養(yǎng)液母液，并運行攪拌器使已有的營養(yǎng)液與母液充分混合。攪拌完成后，水泵再次通過取樣管道將養(yǎng)液池內部已充分混合好的營養(yǎng)液輸送到濃度檢測裝置，進行取樣，檢測營養(yǎng)液中營養(yǎng)物質含量，達標后養(yǎng)液池內的營養(yǎng)液可供下次灌溉使用，若不達標，再次執(zhí)行營養(yǎng)液調配的程序，直至達標。在實際中測得的數(shù)據(jù)顯示，本裝置可以一次性調配4.25 L營養(yǎng)液，溶解性固體總量TDS的絕對增量可以保持在2500以上，這使得本裝置可以適應絕大多數(shù)作物生長時的營養(yǎng)要求[3]。

營養(yǎng)液灌溉回路由養(yǎng)液池、養(yǎng)液泵、供液管道、培養(yǎng)皿及養(yǎng)液回收管道等部分組成，到達設定的時間后，控制系統(tǒng)控制養(yǎng)液泵通過供液管道將已經(jīng)調配好的營養(yǎng)液輸送到各栽培床中，不達標的營養(yǎng)液將經(jīng)養(yǎng)液回收管道回到養(yǎng)液池，進行再次調配，提高利用率。營養(yǎng)液的灌溉采用間歇供液，能使作物根系較長時間暴露在空氣中，促使作物根系生長發(fā)達，同時養(yǎng)液泵處于間歇的工作狀態(tài)下可大大地節(jié)約電能，一般說來，供液時間約是15 min·h-1。在設定中，默認供液15 min，停45 min，但在不同的植物生長期或不同季節(jié)，供液時間可以作適當?shù)恼{整。圖2為營養(yǎng)液自動調配灌溉的工作流程圖。

2.2溫濕度控制

溫濕度控制包括營養(yǎng)液溫度和植株生長環(huán)境的溫濕度控制。

冬天營養(yǎng)液溫度需要加以調節(jié)，由液溫傳感器檢測營養(yǎng)液溫度，將測得的溫度輸入控制系統(tǒng)。若液溫低于設定值，由控制系統(tǒng)輸出控制信號經(jīng)驅動電路接通液溫加熱器進行加熱;當檢測溫度達到機內設定的上限值時輸出信號斷開加熱器停止加熱。系統(tǒng)默認設置營養(yǎng)液的溫度值保持在20℃，但在不同的季節(jié)之中，面對不同的情況，營養(yǎng)液溫度可以在一定范圍內自由調整。

植株生長環(huán)境的溫濕度控制主要由溫度檢測模塊、濕度檢測模塊、通風扇、微型暖風機、加濕器等部分構成，由溫度傳感器檢測溫度，輸入控制系統(tǒng)。若溫度低于設定值，由控制系統(tǒng)接通暖風機進行加熱;當檢測溫度達到機內設定的上限值時輸出信號斷開加熱器停止加熱。濕度檢測同理，若濕度低于設定值，由控制系統(tǒng)接通加濕器進行加濕;當檢測濕度達到或高于系統(tǒng)設定的上限值時接通通風扇進行通風降低濕度，使植株終處在一個適宜生長的環(huán)境中。圖3為溫濕度控制的工作流程。

3系統(tǒng)軟件設計

該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術，可實時遠程獲取種植環(huán)境內部的空氣溫濕度、營養(yǎng)液溫度、營養(yǎng)液濃度等信息，遠程或自動控制營養(yǎng)液循環(huán)、加溫補光等設備，保證種植環(huán)境內環(huán)境最適宜作物生長，為作物高產(chǎn)、優(yōu)質、高效、生態(tài)、安全創(chuàng)造條件。本系統(tǒng)還可以通過手機、筆記本等移動信息終端進行實時管理，實現(xiàn)集約化、網(wǎng)絡化遠程管理，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術在設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用。在本部分的設計中，主要包括下位機的軟件設計和上位機的軟件設計。

3.1下位機的軟件設計

下位機軟件部分的設計對于整個系統(tǒng)而言起著至關重要的作用，為了保證控制系統(tǒng)可以實時和準確進行控制，在本系統(tǒng)采用了以ARM公司的高性能“CortexM3”為內核的STM32F03ZET6芯片為主控芯片，這個芯片上集成32 kB的Flash存儲器和64 kB的SRAM存儲器，最高工作頻率可以達到72 MHz，能夠滿足系統(tǒng)的控制要求[4]。

下位機的軟件設計主要包括以下3個方面：

（1）數(shù)據(jù)的采集模塊，主要是農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的采集，包括溫度、濕度、光照強度等參數(shù)，將所采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)STM32微控制器整合處理。

（2）控制模塊的軟件設計，主要是單片機收到上位機傳送過來的信號，對設備進行控制，包括水泵和溫度調節(jié)設備的控制。

（3）無線模塊的軟件設計，STM32微控制器將采集到的數(shù)據(jù)通過串口傳輸至3G模塊。

3.2上位機的軟件設計

上位機的軟件設計包含數(shù)據(jù)庫的設計和界面的設計。數(shù)據(jù)庫主要是數(shù)據(jù)的存儲部分、設備管理和用戶管理部分，將STM32微控制器所檢測到的數(shù)據(jù)按照設備編號和時間進行存儲，設備管理部分可以控制設備的狀態(tài)，并可以實時查看，用戶管理主要是可以設定各個參數(shù)的閾值，在超出閾值范圍內，發(fā)出有效的控制信號，對設備進行控制。

在本系統(tǒng)中利用LABVIEW進行上位機的開發(fā)，LABVIEW與C和BASIC一樣都是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務的龐大函數(shù)庫。LABVIEW的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等。LABVIEW也有傳統(tǒng)的程序調試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結果、單步執(zhí)行等，便于程序的調試[5]。

上位機以ESP8266WiFi模塊為接口與服務器進行連接，上位機的主要工作流程：服務端接收到數(shù)據(jù)之后，通過運行Java接口函數(shù)將收到的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫中，監(jiān)控中心通過函數(shù)調用數(shù)據(jù)庫里邊的數(shù)據(jù)顯示在界面上，寫入相應的控制指令，改變設備的工作狀態(tài)。圖4為上位機的數(shù)據(jù)顯示界面。圖5為上位機的任務管理界面。

4小結

智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)系統(tǒng)具有營養(yǎng)液自動調配、定時灌溉、加熱、溫濕度檢測、自動補光等功能，可以提高資源利用率，增加農(nóng)作物的單位面積產(chǎn)量，降低農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，具有價格低廉、實時控制、易于維護、多方面調控、自動化程度高等優(yōu)點。該系統(tǒng)的應用可節(jié)約勞動力成本，減輕勞動強度，增加產(chǎn)量、提高設施農(nóng)業(yè)水平，具有很高的推廣價值，基于傳感器技術的智能農(nóng)業(yè)將是未來發(fā)展現(xiàn)代化高效農(nóng)業(yè)和特色農(nóng)業(yè)的必經(jīng)之路。

參考文獻：

[1]馬秀飛.基于物聯(lián)網(wǎng)及云計算的智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)研究[J].河南農(nóng)業(yè)，2018（11）：54-56.

[2]韓秀燕，孫濤.我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展路徑設計及其優(yōu)化策略研究[J].陜西農(nóng)業(yè)科學 ，2016（12）：98-101.

[3]秦琳琳，孫德敏，王勇，等.無土栽培營養(yǎng)液循環(huán)控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2003，19（4）：264-266.

[4]盧有亮.基于STM32的嵌入式系統(tǒng)原理與設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2017.

[5]陳樹學，劉萱.LABVIEW寶典（第2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.

（責任編輯：柯文輝、張磊）