王昆 賀海育
摘要:文章引入ZigBee技術(shù)、Web技術(shù)、通訊技術(shù)等多種新型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),研究了具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能操控和實(shí)時數(shù)據(jù)展示等多種功能的智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)。智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)采用了瀏覽器朋艮務(wù)器的架構(gòu)模式,利用布置在大棚不同角落的圖像、溫度、濕度和光照等傳感器,通過手機(jī)或者計算機(jī)用戶能夠觀察到大棚內(nèi)各個角落的數(shù)據(jù),并根據(jù)實(shí)時環(huán)境參數(shù)利用系統(tǒng)智能控制相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn),提高了生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng);瀏覽器/服務(wù)器
中圖分類號:S511.043;TP391
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:1001-5922(2019)08-0183-04
傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚中,一般采用水銀式溫度計測量溫度,機(jī)械式濕度計測量大棚濕度,存在人工測量讀數(shù)精度低、人工勞動量過大的問題,造成了勞動力資源的浪費(fèi),大大降低了農(nóng)業(yè)大棚的生產(chǎn)效率。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展,將會給傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)帶來一場重大的智能化變革,針對上述傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚存在的問題,本文將引人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)相結(jié)合,利用各類環(huán)境參數(shù)傳感器構(gòu)建了智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng),以期為農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持。
1 系統(tǒng)功能需求分析
根據(jù)對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行實(shí)地考察所采集數(shù)據(jù)的分析結(jié)果,智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)在滿足環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時收集、生產(chǎn)設(shè)備智能化控制和系統(tǒng)軟件平臺監(jiān)測分析等需求的前提是對整個農(nóng)業(yè)基地進(jìn)行全方位的監(jiān)控[1],下面將對上述三種需求具體分析。
1.1 環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)收集
智能化的農(nóng)業(yè)大棚不僅只是對大棚溫度、濕度和光照強(qiáng)度的監(jiān)控,同時還要采集土壤溫度、土壤含水和二氧化碳環(huán)境參數(shù)。被采集到的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)可展示在系統(tǒng)的顯示屏上,同時系統(tǒng)還需具有有線網(wǎng)絡(luò)傳輸和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸兩種信息傳輸通道用以系統(tǒng)與上述各環(huán)境傳感器連接。
1.2 生產(chǎn)設(shè)備智能化控制
智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)要對大棚中的設(shè)備進(jìn)行智能監(jiān)控,可根據(jù)育大棚實(shí)時環(huán)境數(shù)據(jù)和系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的參數(shù)閾值,觸發(fā)智能化控制設(shè)備,用以調(diào)整大棚溫度、大棚濕度、增減光照、控制二氧化碳含量等操作。比如生物效應(yīng)燈。如果大棚中的溫度或者其他的原因無法適應(yīng)農(nóng)作物的生長,系統(tǒng)可以自動進(jìn)行環(huán)境數(shù)值的對比,根據(jù)結(jié)果自動調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度、濕度、光線等設(shè)備,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚的自動化、全方位的管理。
1.3 系統(tǒng)軟件平臺
系統(tǒng)軟件平臺需要能夠完成用戶權(quán)限設(shè)置、數(shù)據(jù)圖形化處理分析、病蟲害診斷分析和大棚智能管理等功能需求。其中用戶權(quán)限設(shè)置是指針對不同的人群設(shè)計不同的管理權(quán)限,使監(jiān)控系統(tǒng)管理員用戶權(quán)限可以實(shí)行所有的權(quán)限,而普通用戶權(quán)限只能進(jìn)行基本的操作。該系統(tǒng)軟件平臺要對大棚中的農(nóng)作物病蟲害進(jìn)行診斷,并給出診斷的結(jié)果與方案,將農(nóng)作物的發(fā)病原因錄入到系統(tǒng)中,通過決策樹對病因進(jìn)行診斷。為了便于管理人員進(jìn)行實(shí)時觀察,該系統(tǒng)可以將采集到的大棚中的空氣溫度與濕度、土壤溫度與濕度、光線強(qiáng)度等參數(shù)數(shù)據(jù),通過圖形化數(shù)據(jù)處理方式進(jìn)行處理展示,如果采集到的數(shù)值超出了設(shè)定的數(shù)值,圖形中的數(shù)值會變成紅色[2]。
2 智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
2.1 監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計
根據(jù)上述系統(tǒng)功能需求分析結(jié)果,智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)平臺中包含了WSN技術(shù)的信息采集功能;物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營支撐平臺主要是利用農(nóng)業(yè)任務(wù)驅(qū)動的方式,與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效的結(jié)合,并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸與處理,監(jiān)控大棚中的溫度、濕度;無線傳輸平臺采用通信技術(shù)和ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)距離的傳輸;生產(chǎn)監(jiān)控管理應(yīng)用平臺中包含了數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置等功能。
2.2 硬件設(shè)計
根據(jù)上述研究得知,系統(tǒng)中至少包括空氣溫濕度傳感器、土壤溫度與含水傳感器、二氧化碳濃度傳感器和光照強(qiáng)度傳感器,同時上述傳感器與系統(tǒng)進(jìn)行通信連接需求要利用ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和遠(yuǎn)程通信技術(shù)。系統(tǒng)硬件框架,如圖l所示。
2.2.1 空氣溫濕度傳感器
大棚內(nèi)空氣溫濕度傳感器采用的是SHTIO集成電路芯片,該芯片采用電容式聚合體測空氣濕度,能隙式聚合體測空氣溫度,具有測量精度高、測量靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。上述傳感器的信息傳輸方式采用的是RFID無線傳輸方式,該通信方式的有效數(shù)據(jù)傳播距離可達(dá)60m。系統(tǒng)根據(jù)上述傳感器測量的溫濕度數(shù)據(jù)分析結(jié)果,若出現(xiàn)大棚溫度過高則系統(tǒng)弄控制大棚排風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng);若大棚內(nèi)空氣濕度過低則控制加濕器進(jìn)行補(bǔ)水。
2.2.2 土壤溫度與含水傳感器
據(jù)上所述中通過在大棚土壤內(nèi)部買人熱敏電阻實(shí)現(xiàn)對土壤溫度的測量;利用土壤溫度通過熱土壤介電常數(shù)測量土壤含水率。根據(jù)上述傳感器測得土壤參數(shù)數(shù)據(jù),若出現(xiàn)土壤缺水,系統(tǒng)控制噴灌裝置進(jìn)行噴灑作業(yè)。
2.2.3 二氧化碳含量傳感器
據(jù)上所述中采用基于NDIR原理的紅外光吸收式二氧化碳含量傳感器用來監(jiān)測農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)空氣的二氧化碳含量,該傳感器具有測量精準(zhǔn)度高的優(yōu)點(diǎn)。若上述傳感器檢測到室內(nèi)二氧化碳濃度過高則系統(tǒng)控制排風(fēng)機(jī)加強(qiáng)通風(fēng)來調(diào)節(jié)室內(nèi)二氧化碳濃度。
2.2.4 光照強(qiáng)度傳感器
利用光敏元件將光照強(qiáng)度信號轉(zhuǎn)換為電信號,并將上述電信號傳輸至系統(tǒng)平臺進(jìn)行分析,若上述光照強(qiáng)度超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的閾值,則控制大棚頂部的遮陽簾遮蔽大棚,減少光照。
2.2.5 ZigBee技術(shù)
ZigBee組網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集[3],實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)之間的相互通信功能,ZigBee技術(shù)傳輸距離短,每一個ZigBee都是一個移動的信號,是一種低速傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議。主要應(yīng)用在小范圍內(nèi)的系統(tǒng)設(shè)計中,應(yīng)用范圍廣泛,ZigBee組網(wǎng)技術(shù)與其他的無線通信協(xié)議相比,要求低,容易實(shí)現(xiàn),適用于智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)中。
2.3 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計以Eclipse作為開發(fā)平臺,使用Java作為語言開發(fā)工具,開發(fā)智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件采用B/S架構(gòu),用戶工作界面是一個三層的結(jié)構(gòu)模式,有WWW瀏覽器、Browsr、Server組成,B/S架構(gòu)可以將系統(tǒng)的業(yè)務(wù)管理功能都集中在服務(wù)器中,簡化了系統(tǒng)的使用過流程,瀏覽器可以通過Web進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,簡化了電腦運(yùn)行負(fù)荷,降低了用戶成本。
2.3.1 前臺管理模塊
系統(tǒng)前臺管理模塊結(jié)構(gòu)是登錄該系統(tǒng)的重要前提,該模塊可以實(shí)現(xiàn)用戶的登陸、信息的查詢、網(wǎng)頁的瀏覽,對大棚的光線強(qiáng)度、溫度濕度信號、濃度等參數(shù)進(jìn)行采集,也可以進(jìn)行歷史查詢,實(shí)現(xiàn)對大棚進(jìn)行智能監(jiān)控管理的功能。
2.3.2 后臺管理模塊
后臺管理模塊是系統(tǒng)中權(quán)限最大的一部分,監(jiān)控設(shè)施管理模塊更是系統(tǒng)的核心內(nèi)容,能夠?qū)崿F(xiàn)對監(jiān)控點(diǎn)的管理功能。
2.3.3 服務(wù)器模塊
服務(wù)器模塊是用來連接數(shù)據(jù)通信和終端管理的,在該模塊中,能夠接受來自手機(jī)客戶端、Web端以及其他控制器發(fā)來的數(shù)據(jù)信息。
2.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計
數(shù)據(jù)采集表中包含了大棚中的所有信息,有光線強(qiáng)度、空氣的溫度與濕度、土壤的溫度與濕度、數(shù)據(jù)以及大棚的編號等屬性;監(jiān)控單元表的主要功能就是用來記錄大棚中所有監(jiān)控點(diǎn)的真實(shí)信息,有檢測點(diǎn)的名稱、狀態(tài)等屬性;管理表中有大棚的名稱以及用戶信息等屬性[4]。
3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)
3.1 系統(tǒng)登陸
為了保證系統(tǒng)的安全性,需要登陸才能進(jìn)入到系統(tǒng)中,系統(tǒng)管理員為adrmn,普通用戶進(jìn)入要向進(jìn)入系統(tǒng),需要先在系統(tǒng)管理員處回去登陸的權(quán)限,并進(jìn)行權(quán)限確認(rèn),輸入自己的用戶賬號與密碼,與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配。會出現(xiàn)兩種情況,①賬號存在但是密碼不正確,②賬號不存在,如果用戶的賬號正確但是密碼錯誤,會提示密碼錯誤,如果賬號不存在直接登陸會彈出不存在對話框。登錄界面中有四個模塊,校驗(yàn)?zāi)K、匹配模塊、報錯模塊以及權(quán)限模塊,用戶登陸時需要這四個模塊都能夠進(jìn)行匹配,才可以登陸成功翻。
3.2 決策支持
決策支持中包含了風(fēng)機(jī)決策、滴管決策以及補(bǔ)光決策。決策子系統(tǒng)的主要功能就是提供支持,如果溫度低會開啟風(fēng)機(jī),如果達(dá)到設(shè)定的范圍將會自動關(guān)閉;每天早上的8點(diǎn)會開啟滴管,12點(diǎn)關(guān)閉;當(dāng)光照的強(qiáng)度沒有達(dá)到一定的數(shù)值時需要將生物效應(yīng)燈開啟,充足則會自動關(guān)閉,通過這樣的方式完成決策支持的功能。其中滴管決策的開啟條件中,如果超過了12點(diǎn)將不會再開啟,為了能夠運(yùn)行的更加智能化,在程序設(shè)計的過程中加入一項校驗(yàn)的功能,主要的目的是開啟決策服務(wù),當(dāng)時間校驗(yàn)開始運(yùn)行后,系統(tǒng)會自動獲取網(wǎng)絡(luò)時間,并自動判斷滴管決策的開啟與關(guān)閉的時間。為了能夠讓系統(tǒng)正常運(yùn)行,每一次倒計時結(jié)束后都需要進(jìn)行重新判斷。
3.3 病蟲害診斷
在農(nóng)業(yè)大棚中,有各種各樣的農(nóng)作物,以番茄為例,介紹病蟲害診斷系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程。番茄可以分為根、葉、花、果實(shí)4個部分。根部決策樹中又包含了很多病蟲害知識,比如根部出現(xiàn)局部壞死,萎蔫;根部呈紅褐色,出現(xiàn)病變;根管沒有出現(xiàn)維管束;維管束變成褐色等;葉部包含了葉背面長出稀疏白色霉層;幼芽青枯進(jìn)而萎蔫;葉片出現(xiàn)了不同程度的斑駁,葉子出現(xiàn)了老化,有明顯病斑跡象,在葉子的表面出現(xiàn)了圓斑;植株沒有出現(xiàn)明顯畸形;植株呈現(xiàn)出營養(yǎng)不良的情況等;花包含了花柄出現(xiàn)淺褐色病變,花藥也出現(xiàn)了褐色的病變;花的表面沒有出現(xiàn)明顯的發(fā)霉痕跡,花的基部出現(xiàn)褐變,果實(shí)出現(xiàn)發(fā)霉;果實(shí)的表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的發(fā)霉情況,局部出現(xiàn)發(fā)白,并長出霉菌;果實(shí)掉落在地面后會出現(xiàn)感染,隨著空氣的溫度逐漸變得硬化;有凹凸畸形;霉?fàn)钗镱伾珳\;果實(shí)腐爛軟化嚴(yán)重等。病蟲害診斷流程.如圖2所示。
3.4 數(shù)據(jù)采集
成功登陸系統(tǒng)后都需要建立一個長效的連接,采集子系統(tǒng)會每隔Imin向指定端口發(fā)送以此數(shù)據(jù)采集,當(dāng)數(shù)據(jù)傳送后,服務(wù)器需要對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行解析,獲取參數(shù),并將解析后的數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫中。通過連接管理,找到手機(jī)終端,然后將所得的數(shù)據(jù)推動到手機(jī)終端中,當(dāng)手機(jī)接收到數(shù)據(jù)之后會向服務(wù)器發(fā)出請求[6],通過自帶的圖形化函數(shù)顯示出圖形。對于用戶而言,通過對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析,然后調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)將因子返回,然后再利用插件與框架的方式將圖表顯示在網(wǎng)頁中。
3.5 遠(yuǎn)程控制
手動遠(yuǎn)程控制與智能遠(yuǎn)程控制是本系統(tǒng)主要的監(jiān)控手段。手動遠(yuǎn)程控制時,需要對遠(yuǎn)程控制箱的原理進(jìn)行充分的掌握,了解原理之后在進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)計時就會變得非常的簡單。在遠(yuǎn)程控制箱中只需要安裝一個GPRS/3G的轉(zhuǎn)換模塊,完成信號的轉(zhuǎn)換,然后對電源的開關(guān)空能進(jìn)行控制,在控制箱中有一共有8個接口,當(dāng)用戶操作相應(yīng)的按鈕時,系統(tǒng)會發(fā)出相應(yīng)的命令,當(dāng)模塊接收到該命令后,會判斷是否需要進(jìn)行控制命令,其流程為:使用終端設(shè)備向服務(wù)器發(fā)出命令;服務(wù)器會對命令進(jìn)行提取,并找出對應(yīng)的編號;對控制狀態(tài)的模塊進(jìn)行掃描,并判斷是否處于控制狀態(tài)下;控制箱會對命令進(jìn)行解析,然后激活相應(yīng)的數(shù)據(jù),并通知服務(wù)器進(jìn)行執(zhí)行;設(shè)備開啟或者關(guān)閉。
4 系統(tǒng)應(yīng)用
進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用時,農(nóng)業(yè)大棚管理用戶在手機(jī)或者計算機(jī)終端登錄智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng),并打開系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)監(jiān)控界面,用戶可在該界面中查看大棚監(jiān)測結(jié)果,用戶利用終端界面上的功能選擇鍵完成對大棚設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。
根據(jù)上圖顯示的實(shí)時環(huán)境參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,以應(yīng)用系統(tǒng)的大棚中土壤濕度和二氧化碳濃度已經(jīng)超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的閾值,在系統(tǒng)展示界面中以紅色警示顏色顯示,系統(tǒng)控制灌溉閥和風(fēng)機(jī)開啟,進(jìn)行土壤噴水和農(nóng)業(yè)大棚通風(fēng)。通過對該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用,證明智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)功能完整,并能實(shí)時監(jiān)控大棚內(nèi)部環(huán)境參數(shù),實(shí)現(xiàn)大棚設(shè)備的智能化控制,有效提高了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)的效率,降低了成本,具有廣闊的應(yīng)用前景[7-8]。
5 結(jié)語
通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在大棚內(nèi)安裝傳感器,采集大棚中的溫度、濕度、濃度、光照等指標(biāo),并利用多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能開發(fā)與設(shè)計,通過設(shè)計病蟲害診斷系統(tǒng)對農(nóng)作物的生長狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控,將系統(tǒng)做成APP軟件,讓管理者可以不再現(xiàn)場就能夠?qū)Υ笈镏械脑O(shè)備進(jìn)行自由調(diào)節(jié),在最后的測試階段,雖然各項功能都能夠符合要求,但是在細(xì)節(jié)方面仍然需要不斷的加強(qiáng),加強(qiáng)數(shù)據(jù)信號的傳輸,不斷優(yōu)化網(wǎng)站與手機(jī)界面,讓操作變得更加智能化。
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