趙東杰 葉開勉 溫富道 代青紅 高國麗

（吉林農業(yè)科技學院 吉林吉林 132101）

隨著現代農業(yè)科技的不斷進步，智慧農業(yè)溫室大棚逐漸成為現代化農業(yè)的重要組成部分。智慧農業(yè)溫室大棚是通過信息化技術為溫室大棚生產把控最合適的溫度、濕度、光照度、水肥等環(huán)境條件。智慧農業(yè)溫室大棚系統(tǒng)的開發(fā)是集集約化生產、智能化遠程控制、精細化調節(jié)、科學化管理、數據化分析和扁平化經營于一體的農業(yè)高階發(fā)展階段的主要措施。

1 智慧農業(yè)現狀

我國是農業(yè)大國但不是農業(yè)強國，是因為我國農業(yè)的發(fā)展受到了嚴重的限制，主要是由于人口基數大導致人均耕地資源相對不足，且耕地分布較為分散，無法實現大范圍機械化耕種，也間接導致農業(yè)經濟發(fā)展緩慢。因此規(guī)?；蜆藴驶a是當前農業(yè)發(fā)展的主要目標，智慧農業(yè)是未來農業(yè)的發(fā)展方向[1]。

步入信息化時代，中國在各大智能領域先后取得了重大突破，尤其在互聯網領域突破了技術封鎖和技術限制。在這樣的科研背景下，中國智慧農業(yè)有著極大的發(fā)展動力。諸如荷蘭、美國等國家在智能溫室大棚領域已經取得了巨大突破，研究成果相對成熟，我國在對國外智慧農業(yè)溫室大棚系統(tǒng)科學技術進行引進與學習的同時，也開辟了在新農業(yè)領域的重要研究方向。

目前我國的智慧農業(yè)溫室大棚系統(tǒng)大多從國外引進，但國外的智慧農業(yè)溫室大棚系統(tǒng)環(huán)境設定并不完全適用于我國的農業(yè)環(huán)境。而我國傳統(tǒng)溫室大棚內部環(huán)境參數調節(jié)設備多數通過手動按鈕現場控制，科技水平較低，使得傳統(tǒng)智慧農業(yè)溫室大棚系統(tǒng)獲取數據的精確度低、系統(tǒng)抗干擾能力差，成為農業(yè)增產豐收、農民提高收入的障礙[2]。所以，研發(fā)一套適合我國農業(yè)發(fā)展現狀的智慧農業(yè)溫室大棚系統(tǒng)對我國農業(yè)的生產和發(fā)展有著非常重要的意義。

2 智慧農業(yè)溫室大棚的系統(tǒng)架構

系統(tǒng)的設計主要是針對智慧農業(yè)溫室大棚內的測控系統(tǒng)、微型控制器系統(tǒng)、傳感器以及各個設備之間的通信采集來進行的[3]。構建智慧農業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的核心目的是通過分布在大棚內的各種傳感器模塊采集環(huán)境參數，然后利用無線通信網絡進行數據的傳輸與匯聚，將數據有效地發(fā)送到服務器端，使得用戶可以通過可視化界面進行在線監(jiān)控和管理，實現更好的監(jiān)測和管理。

智慧農業(yè)溫室大棚系統(tǒng)主要實現的功能是對棚內影響農作物生長的環(huán)境參數的采集功能，并實現大棚內各區(qū)采集節(jié)點的無線通信組網的數據傳輸。

3 系統(tǒng)功能模塊設計

數據采集功能模塊的作用主要是對數據采集傳感器的感知節(jié)點構建、獲取數據模式、監(jiān)控大棚內溫濕度變化、傳送數據的解析與存儲等。要實現對農作物生長環(huán)境以及生長信息的自動感知，首先必須配備無線傳感器節(jié)點并完成對其的構建，包括對節(jié)點的軟硬件設計，然后通過分布在棚內的各類傳感器來監(jiān)測植物生長環(huán)境的信息，主要采集大棚內CO2濃度、空氣溫濕度、光照強度、土壤溫濕度等參數。獲取數據的采集模式是通過路由設備配備無線傳感傳輸系統(tǒng)的主動采集模式。傳送數據的解析與儲存是借助傳感器將數據在ZigBee 網絡中通過特定的編碼方式進行，最后處理器接收到具有特定編碼格式的數據之后，再將這些編碼進行保存，保存前需要將數據編碼進行解析[4]。

4 模塊功能及應用

4.1 網關模塊

網關（Gateway）又稱網間連接器、協議轉換器，是連接兩個不同協議網絡端的設備。在智能溫室大棚中主要用于溫室大棚內部多種傳感器采集的數據數字化后傳輸過程中的信息交互，實現互聯網的互聯互通，通過網絡協議相互連接。

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)

利用傳感器和無線網絡獲取大棚內部CO2濃度、空氣溫濕度、光照強度、土壤溫濕度等參數。并根據以上環(huán)境因素的信息反饋，對溫室大棚待定電機進行驅動，實現灑水、施肥、噴藥、遮陽板的開關等動作，從而實現對溫室內環(huán)境的監(jiān)控。

4.3 4G 通信模塊

4G LTE 是TD-LTE 和FDD-LTE 等LTE 網絡制式的統(tǒng)稱，具有通信速度快、網絡頻譜寬、通信靈活等特點[5]。4G 模塊是指硬件將射頻、基帶集成在一塊PCB 小板上，實現無線接收、發(fā)射、基帶信號處理功能。軟件支持語音撥號、短信收發(fā)、撥號聯網等功能[6]。無線通信選取4G 模塊作為主要的通信手段，是由于其通信速度快，使用靈活方便，不會受地點、環(huán)境等客觀因素的影響，兼容性高。將4G 通信模塊安裝在嵌入式控制板上作為數據傳輸模塊，可以實現遠程數據傳輸、遠程控制等功能。

4.4 傳感器組的選擇安裝及應用

傳感器大多由敏感元件、轉化元件、輔助電源和變換電路組成。在智慧農業(yè)溫室大棚系統(tǒng)設計中，了解傳感器的特性以及如何安裝傳感器是獲取溫室大棚中的實時數據參數必不可少的一步。每一類傳感器的安裝由其作用決定，其監(jiān)測的數據參數影響著整個溫室大棚的運作和植物的生長，傳感器的安裝位置也決定著監(jiān)測結果的準確性，數據失真所造成的后果十分嚴重，因此對不同種類傳感器的選擇和安裝要慎重考慮。

4.4.1 CO2傳感器

在智慧農業(yè)溫室大棚中，實時監(jiān)測CO2濃度很有必要。CO2傳感器是農業(yè)溫室大棚中負責監(jiān)測空氣中CO2濃度的傳感器。CO2不僅影響植物的呼吸作用還影響植物的光合作用，因此安裝CO2傳感器很有必要。由于空氣流動性較大，所以只需要安裝1 個～2 個CO2傳感器即可。安裝CO2傳感器時，還要考慮經濟、便捷、準確、高效等因素[7]。

MH-Z14A 紅外CO2傳感器依靠O2，通過紅外吸收室內氣體的方法監(jiān)測空氣中的CO2，不需要經常調試校準，而且使用壽命長，外部接入輔助電路即可成為CO2傳感器模塊，很適合用于溫室大棚內部CO2濃度數據的采集。

4.4.2 空氣溫濕度傳感器

智慧農業(yè)溫室大棚中的空氣溫濕度對植物生長的影響很大，有時需要對空氣中的溫濕度進行一定調整，所以需要安裝空氣溫濕度傳感器，監(jiān)測大棚內溫濕度的變化。這類傳感器需要安裝在大棚中部的位置，不能過高和過低，還要根據實際作物種類來進行調整。

DHT22 溫濕度傳感器可以輸出數字信號，與DHT11 溫濕度傳感器相比具有更高的精度和更大的量程，而且體積小，方便使用，與一個單片機和外圍電路相連就能用于采集智慧農業(yè)溫室大棚內的溫濕度數據。

4.4.3 土壤溫濕度傳感器

種植作物需要土壤，土壤的溫濕度對植物根部的水分吸收有影響，因此監(jiān)測和調整土壤的溫濕度也尤為重要。要監(jiān)測土壤的溫濕度，需要將土壤溫濕度傳感器安裝在植物根部附近的土壤中，一般安裝3 個～4 個即可。根據傳感器監(jiān)測到的數據，管理者可以及時對土壤進行適量的灌溉作業(yè)。

Yl-69 型土壤溫濕度傳感器具有使用簡單、使用壽命長、能與土壤長時間接觸、外圍電路設計簡便等特點，能與STM32 單片機配合使用，準確監(jiān)測土壤溫濕度數據，能滿足監(jiān)測多種作物的種植土壤溫濕度的需求。

4.4.4 光照傳感器

為了使植物更好地進行光合作用，充分利用光能，需要獲得光照強度的數據，并根據當天的光照強度，來決定是否需要用補光燈進行補光。而光照傳感器安裝的位置應與植物的高度一致，根據不同位置，應安裝多個光照傳感器。

溫室大棚中一般選擇BH1750 光照傳感器，其具有很高的分辨率，監(jiān)測的光照強度范圍廣，在溫室大棚中可以充分發(fā)揮作用。

5 電機及其拖動控制

智慧農業(yè)溫室大棚內部的數據監(jiān)測結果經過匯總分析與預期值進行比較，進而可通過控制器輸出端對溫室大棚內外的拖動電機進行控制，實現拉幕遮陽、灌溉、噴灑、施肥等工作。例如，當大棚內部光照強度過高時，經過光照傳感器的監(jiān)測，并將數據通過互聯網傳入控制端，通過數據對比，控制器能對光照強度過高區(qū)域的電機發(fā)出指令，電機拖動拉幕以減少智慧農業(yè)溫室大棚周圍的光線射入。對電機的控制還要重點考慮電機的轉速控制，主要體現在灌溉和藥物噴灑等方面，需要能夠根據作物種類、所需藥物或水的劑量、噴施面積的大小進行灌溉或者噴灑。

6 結語

本文敘述了互聯網技術在智慧農業(yè)溫室大棚中的重要應用，基于互聯網技術和現代農業(yè)的發(fā)展，利用軟件設計和硬件設備相結合，設計出可以監(jiān)測溫室大棚內部CO2濃度、空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度等環(huán)境數據的智能溫室大棚控制系統(tǒng)，一定程度解決了目前智慧農業(yè)溫室大棚領域系統(tǒng)監(jiān)測精度不足、控制操作煩瑣等問題。提供了在選擇和安裝傳感器方面的建議，為后續(xù)調試提供了參考。其中對于安裝傳感器的數量以及安放位置的選擇，可以降低成本，提高測量精度。通過4G 網絡通信，可實時數字化監(jiān)測智慧農業(yè)溫室大棚內環(huán)境變化，降低了人工成本，提高了監(jiān)測精度。