李雅迪，韓佳芳，卞孝麗，馬琳琳

（鄭州財稅金融職業(yè)學(xué)院 信息技術(shù)系，河南 鄭州 450000）

0 引言

在農(nóng)作物非自然生長周期內(nèi)，農(nóng)戶普遍利用溫室大棚進行種苗繁育、農(nóng)作物種植和名貴珍稀花卉的培育。在溫室大棚中，空氣溫濕度、光照、土壤溫濕度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)對農(nóng)作物的生長具有重要影響。傳統(tǒng)的溫室大棚采用人工采集數(shù)據(jù)的方式，存在工作效率低、采集數(shù)據(jù)量小且不準確等缺點，并且完全依靠人工完成環(huán)境執(zhí)行設(shè)備的控制［1］。隨著溫室大棚規(guī)模的不斷擴大，傳統(tǒng)的大棚管理模式已經(jīng)不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。

近年來，在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的過程中，農(nóng)業(yè)信息化帶動了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)實現(xiàn)電腦農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)、精確農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)4個階段［2］的階梯式進步。智慧農(nóng)業(yè)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，將人與物之間的聯(lián)系延伸到物與物之間，完成人與物、物與物之間的信息交換和通信，從而實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)可視化遠程診斷、遠程控制、災(zāi)難預(yù)警等職能管理［3］。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實時采集智能溫室大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)，通過云平臺將傳感器采集數(shù)據(jù)以圖表或曲線方式呈現(xiàn)給用戶，用戶可通過終端設(shè)備實時觀察農(nóng)作物的生長狀況，并根據(jù)農(nóng)作物的需求提供各種報警信息且完成環(huán)境調(diào)節(jié)，對提高勞動效率和農(nóng)作物產(chǎn)量具有積極的促進作用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

智能溫室大棚綜合系統(tǒng)可以實現(xiàn)大棚環(huán)境信息的實時采集，用戶通過云平臺獲取農(nóng)作物的生長環(huán)境狀況，并根據(jù)農(nóng)作物的生長需求提供報警信息，通過遠程控制執(zhí)行設(shè)備的“開啟”與“關(guān)閉”功能，實現(xiàn)大棚內(nèi)的澆灌、通風、補光等操作。該系統(tǒng)的基本邏輯層次如下：①感知層，通過前端采集設(shè)備獲取農(nóng)作物的生長環(huán)境信息［4］，如風速、風向、大氣壓力、CO2、土壤溫濕度、水溫、液位、光照強度、煙霧及空氣溫度和濕度等參數(shù)。②網(wǎng)絡(luò)傳輸層，由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)負責下行數(shù)據(jù)的匯聚和上行數(shù)據(jù)的回傳。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過ZigBee協(xié)議和RS485協(xié)議實現(xiàn)云平臺、前端采集設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備之間的通信［5］。③應(yīng)用層，對網(wǎng)關(guān)上傳至云平臺的各種數(shù)據(jù)信息進行分析處理，并根據(jù)環(huán)境狀況下發(fā)各種控制指令［6］：一是對執(zhí)行設(shè)備的控制，比如開啟風機、水泵、補光燈等；二是綜合各種信息，依據(jù)設(shè)定的閾值下發(fā)告警信息。

智能溫室大棚綜合系統(tǒng)主要由環(huán)境監(jiān)測模塊、網(wǎng)關(guān)傳輸模塊、控制系統(tǒng)模塊組成。環(huán)境監(jiān)測模塊選取9種傳感器作為前端采集設(shè)備，實現(xiàn)對農(nóng)作物生長環(huán)境狀況的智能感知；網(wǎng)關(guān)傳輸模塊中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為連接云平臺、前端采集設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備的“橋梁”，將收集到的環(huán)境信息上傳至云平臺進行分析處理，使得用戶可以實時遠程查看大棚內(nèi)農(nóng)作物的生長狀況，判斷當前環(huán)境是否是農(nóng)作物的最佳生長環(huán)境，為農(nóng)作物的科學(xué)種植提供精準信息，并通過手機App、PC網(wǎng)頁端下發(fā)控制指令，實現(xiàn)控制系統(tǒng)模塊中對風機、水泵、補光燈等執(zhí)行設(shè)備的操作控制。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)方法與手段

在智能溫室大棚綜合系統(tǒng)搭建過程中，通過系統(tǒng)調(diào)研農(nóng)業(yè)大棚的監(jiān)測內(nèi)容和系統(tǒng)建構(gòu)必需的物聯(lián)網(wǎng)知識，進行溫室大棚系統(tǒng)構(gòu)建的設(shè)備選擇與模塊分析。應(yīng)用北京新大陸時代教育科技有限公司的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)實訓(xùn)仿真軟件，完成溫室大棚仿真系統(tǒng)的搭建過程。

2.1 環(huán)境監(jiān)測模塊

環(huán)境監(jiān)測模塊負責采集智能溫室大棚內(nèi)各種農(nóng)作物的生長環(huán)境信息，該模塊中前端采集設(shè)備主要配置風速傳感器、風向傳感器、大氣壓力傳感器、二氧化碳傳感器、土壤水分溫度傳感器、水溫傳感器、液位傳感器、溫濕度傳感器和光照傳感器9種傳感器。根據(jù)各傳感器的測量原理和工藝的不同，可分為有線傳感網(wǎng)絡(luò)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)2個部分。

（1）有線傳感網(wǎng)絡(luò)。由于風速傳感器、液位傳感器、水溫傳感器、大氣壓力傳感器、土壤溫度傳感器、二氧化碳傳感器和土壤水分傳感器輸出的是模擬信號，所以選用“研華”模擬量采集器ADAM-4017聚合上述傳感器采集的傳感數(shù)據(jù)，將各傳感器的信號輸出端分別連接ADAM-4017的VIN通道的0～7端口；對于煙霧傳感器輸出的數(shù)字信號，將該傳感器的輸出端與“研華”數(shù)字量采集器ADAM-4150的DI通道的0端口相連進行數(shù)據(jù)采集。

（2）無線傳感網(wǎng)絡(luò)。采用具有自組網(wǎng)特點的ZigBee通信技術(shù)，完成溫濕度傳感器和光照傳感器數(shù)據(jù)等無線傳感器的數(shù)據(jù)采集［7］。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由1個協(xié)調(diào)器節(jié)點和2個終端設(shè)備節(jié)點組成，終端節(jié)點1承載溫濕度傳感器，終端節(jié)點2承載光照傳感器。在系統(tǒng)搭建時對這3個節(jié)點分別設(shè)置節(jié)點類型、信道號Channel和網(wǎng)絡(luò)編號PAN ID。

具體的設(shè)備端口分配表見表1。

表1 設(shè)備端口分配表

環(huán)境監(jiān)測模塊采用9種不同的傳感器采集智能溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物的生長環(huán)境信息，通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將采集到的傳感數(shù)據(jù)信息上傳至云平臺，并存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，使用戶能夠?qū)崟r查閱大棚內(nèi)農(nóng)作物生長的歷史信息，掌握農(nóng)作物的生長狀況，及時對不良環(huán)境提供報警信息，并且完成環(huán)境執(zhí)行設(shè)備的控制，為農(nóng)作物的精準種植提供數(shù)據(jù)參考。

2.2 網(wǎng)關(guān)傳輸模塊

網(wǎng)關(guān)傳輸模塊通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)完成感知網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)之間及不同種類感知網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)該智能溫室大棚綜合系統(tǒng)的局域互聯(lián)。該物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)對模擬量采集器ADAM-4017、數(shù)字量采集器ADAM-4150和ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接的各傳感器節(jié)點的實時數(shù)據(jù)進行聚合、處理和過濾，通過LCD屏呈現(xiàn)給用戶，同時將這些傳感數(shù)據(jù)通過Wi-Fi/GPRS/以太網(wǎng)傳輸至云平臺，用戶可遠程訪問云平臺獲取到圖表或曲線形式的傳感數(shù)據(jù)。并且，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在接收到云平臺下發(fā)的控制指令時，能控制數(shù)字量采集器ADAM-4150連接的執(zhí)行設(shè)備的啟停。

模擬量采集器ADAM-4017和數(shù)字量采集器ADAM-4150遵循Modbus協(xié)議以RS485數(shù)字信號的形式輸出數(shù)據(jù)，將兩種采集器的數(shù)據(jù)傳輸端口D+和D-與該物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸端口RS485+和RS485-相連，從而完成對兩種數(shù)據(jù)采集器收集到的傳感數(shù)據(jù)的上云，以及對數(shù)字量采集器ADAM-4150連接執(zhí)行設(shè)備的控制指令的下發(fā)。該物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中內(nèi)嵌ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，用來采集ZigBee終端節(jié)點1、2承載的傳感器的數(shù)據(jù)信息。

2.3 控制系統(tǒng)模塊

控制系統(tǒng)模塊能夠根據(jù)采集到的環(huán)境信息，實現(xiàn)大棚的通風、澆灌、補光和降溫等執(zhí)行設(shè)備的控制。該模塊支持自動和手動兩種模式，用戶可通過手機App和PC網(wǎng)頁端監(jiān)測農(nóng)作物的生長環(huán)境狀況，在出現(xiàn)異常時及時對大棚執(zhí)行設(shè)備進行控制［8］?？刂葡到y(tǒng)模塊中執(zhí)行設(shè)備主要有電子霧化器、水泵、風機（風扇）、補光燈等，分別由4個繼電器控制執(zhí)行設(shè)備的啟停。4種設(shè)備分別與數(shù)字量采集器ADAM-4150的DO通道的0～3端口相連，接收ADAM-4150輸出的開關(guān)量信息完成設(shè)備的開啟與關(guān)閉?？刂葡到y(tǒng)模塊的具體功能如下。

（1）電子霧化器控制：當溫室大棚內(nèi)空氣濕度小于設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)能根據(jù)下發(fā)的控制指令自動開啟電子霧化器，對大棚內(nèi)空氣進行加濕，當空氣濕度達到預(yù)設(shè)值時關(guān)閉電子霧化器。

（2）水泵控制：當檢測到土壤濕度低于農(nóng)作物的需求值時，用戶遠程手動或自動打開水泵，對大棚內(nèi)農(nóng)作物進行澆灌，當土壤濕度達到設(shè)定的閾值時，自動關(guān)閉水泵。

（3）風機控制：當檢測到大棚內(nèi)溫度高于設(shè)定的閾值時，打開水泵和風機進行降溫。首先啟動風扇將大棚內(nèi)氣體強制抽出，形成負壓，同時打開水泵，打濕濕簾。室外空氣因負壓被吸入室內(nèi)的過程中，以一定的速度穿過濕簾，促使水分蒸發(fā)，達到降溫目的。

（4）補光燈控制：當檢測到大棚內(nèi)的光照強度低于設(shè)定的閾值時，可以遠程手動或自動打開補光燈，增加棚內(nèi)光照強度，促進農(nóng)作物的光合作用。

3 物聯(lián)網(wǎng)云平臺部署應(yīng)用

智能溫室大棚中，從環(huán)境監(jiān)測模塊、網(wǎng)關(guān)傳輸模塊到控制系統(tǒng)模塊所需要的設(shè)備終端數(shù)量較多，并且各設(shè)備進行信息采集和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量巨大。為了在數(shù)據(jù)采集、無線傳輸、數(shù)據(jù)處理、決策發(fā)布和遠程控制等方面實現(xiàn)一體化控制，需要進行物聯(lián)網(wǎng)云平臺的部署應(yīng)用［9］。本文基于北京新大陸時代教育科技有限公司提供的NLECloud物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，完成智能溫室大棚綜合系統(tǒng)云平臺的搭建和系統(tǒng)應(yīng)用，其主要步驟如下。

（1）云平臺網(wǎng)關(guān)管理：創(chuàng)建智能溫室大棚綜合系統(tǒng)項目，選擇行業(yè)類別是智慧農(nóng)業(yè)，聯(lián)網(wǎng)方案為Wi-Fi或以太網(wǎng)；添加網(wǎng)關(guān)設(shè)備，設(shè)置網(wǎng)關(guān)設(shè)備的標識是溫室大棚仿真系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)的序列號。

（2）添加傳感器：進入設(shè)備管理界面，進入傳感器管理，依次添加相關(guān)傳感器。其中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備有溫濕度傳感器和光照傳感器；模擬量采集器ADAM-4017連接的設(shè)備有風速傳感器、液位傳感器、水溫傳感器、大氣壓力傳感器、土壤溫度傳感器、二氧化碳傳感器和土壤水分傳感器；數(shù)字量采集器ADAM-4150連接的設(shè)備有煙霧傳感器；ADAM-4150開關(guān)量連接的設(shè)備有風機（風扇）、電子霧化器、水泵和補光燈。

（3）云平臺數(shù)據(jù)采集：將溫室大棚仿真系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)與云平臺相連，使云平臺成功在線。

（4）新增管理策略：選擇設(shè)備控制，添加條件表達式、策略動作，生成策略信息記錄。比如，要完成當大棚內(nèi)的溫度高于20 ℃時風扇自動開啟的操作，設(shè)備控制選擇“風扇”，條件表達式選擇“溫度大于20 ℃”，策略動作選擇“打開風扇”。

上述步驟完成后，通過云平臺可查看仿真系統(tǒng)中環(huán)境監(jiān)測模塊各設(shè)備的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并且可以控制各執(zhí)行設(shè)備的啟停，從而達到遠程控制的目的。

4 結(jié)論

本文對智能溫室大棚的系統(tǒng)搭建與云平臺部署應(yīng)用進行研究，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層3個基本層次，構(gòu)建了環(huán)境監(jiān)測模塊、網(wǎng)關(guān)傳輸模塊和控制系統(tǒng)模塊，并且完成云平臺的部署應(yīng)用，使農(nóng)業(yè)大棚實時在線，實現(xiàn)了對溫室大棚內(nèi)大氣和土壤環(huán)境狀況的實時監(jiān)測，使用戶能實時掌握大棚種植環(huán)境的變化并及時做出調(diào)整，做到農(nóng)作物的科學(xué)化種植。智能溫室大棚綜合系統(tǒng)的設(shè)計，對促進智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展具有十分重要的意義。