□文/韓鵬 王軍紅 王金煒

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室是利用物聯(lián)網(wǎng)和分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，收集、存儲(chǔ)、傳輸、分析、處理和輸出溫室內(nèi)的光照、溫度、濕度、二氧化碳含量、pH 值、作物生長、土壤質(zhì)地以及養(yǎng)分和水分狀況，然后配合信息轉(zhuǎn)換，及時(shí)有效地控制智能決策系統(tǒng)，根據(jù)區(qū)域內(nèi)元素的空間變量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確設(shè)置最優(yōu)的施肥灌溉、照明控制、控溫控濕等決策操作，讓農(nóng)作物在不同生長周期利用信息智能管理系統(tǒng)達(dá)到實(shí)時(shí)、定量、精準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，這樣既可以讓水肥的利用效率顯著提升，最大限度節(jié)約了人力物力，還能進(jìn)一步加大管理效率和作物產(chǎn)量，推動(dòng)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展的進(jìn)步和創(chuàng)新，加快農(nóng)村發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，最終以最小的經(jīng)濟(jì)投入實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的最佳產(chǎn)出［1-2］。

一、智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)分為三個(gè)部分：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)和主控中心，該系統(tǒng)很好地結(jié)合了嵌入式技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)、無線通信等技術(shù)。其中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成主要由四部分組成：協(xié)調(diào)器、路由器、五個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)等［3］。五個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)為：土壤濕度節(jié)點(diǎn)、光照傳感器節(jié)點(diǎn)、溫度傳感器節(jié)點(diǎn)、濕度傳感器節(jié)點(diǎn)、安全傳感器節(jié)點(diǎn)，這些采集節(jié)點(diǎn)所采集的信息有室內(nèi)溫度、光照度、濕度、安防、土壤濕度等信息，然后將再度采集到的信息傳送到協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器對(duì)這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯總。首先，協(xié)調(diào)器和網(wǎng)關(guān)利用串口可以實(shí)時(shí)將溫室內(nèi)的各種設(shè)置參數(shù)、命令和數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸；其次，協(xié)調(diào)器向控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令，對(duì)風(fēng)扇、加濕器和加熱器等開關(guān)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能農(nóng)業(yè)大棚室內(nèi)環(huán)境的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)整體功能框圖、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1、圖2所示。

圖1 系統(tǒng)整體功能框圖

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

智能農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)可以對(duì)室內(nèi)的溫度、濕度、光照度、土壤濕度、安防等信息做到實(shí)時(shí)采集，并對(duì)室內(nèi)作物生產(chǎn)需要的參數(shù)進(jìn)行高精度測量，并智能控制好室內(nèi)環(huán)境，如溫度、濕度、通風(fēng)等，自動(dòng)記錄好這些歷史數(shù)據(jù)。此外，該系統(tǒng)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還能遠(yuǎn)程獲得大棚中農(nóng)作物的生長關(guān)鍵參數(shù)，用戶通過登錄網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)瀏覽室內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)，及時(shí)了解農(nóng)作物的生長情況，通過遠(yuǎn)程控制室內(nèi)設(shè)備開關(guān)將大棚內(nèi)環(huán)境實(shí)時(shí)調(diào)整到最佳。

二、智慧農(nóng)業(yè)信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）數(shù)據(jù)傳輸過程

智慧農(nóng)業(yè)信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過程，系統(tǒng)可以通過由光照傳感器、二氧化碳傳感器、溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器等收集到數(shù)據(jù)信息后，再通過代碼將這些數(shù)據(jù)信息傳送到單片機(jī)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)通過串口通信，將傳感器所收集到數(shù)據(jù)信息顯示在OLED顯示屏上，再由單片機(jī)與Air724 全網(wǎng)通4GDTU 模塊進(jìn)行UART 通信，這時(shí)單片機(jī)利用串口1 傳輸給Air724 模塊，再由Air724 模塊將檢測到的數(shù)據(jù)采用MQTT 協(xié)議傳輸?shù)皆破脚_(tái)，并將檢測動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，這樣就不需用戶親臨大棚現(xiàn)場，直接可以參照設(shè)定的環(huán)境參數(shù)對(duì)風(fēng)扇和水泵的開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

（二）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)智能農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)的功能分析，在該平臺(tái)內(nèi)包含有很多不同的傳感器，比如空氣溫度、濕度等傳感器、土壤溫度和含水量傳感器、二氧化碳濃度傳感器、光照度傳感器，而這些不同的傳感器與系統(tǒng)之間的通信連接，必須采用ZigBee 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和遠(yuǎn)程通信技術(shù)等技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)［4］。

1.空氣溫濕度傳感器

可以將SHT10 集成電路芯片用作溫室空氣溫度和濕度傳感器，主要是利用電容式聚合物測量空氣濕度，使用間隙聚合物測量空氣溫度，而且它的優(yōu)勢也非常顯著，不僅測量精度過高，且測量靈敏度也很高。對(duì)大棚內(nèi)的空氣溫濕度傳感器的信息傳輸方式則選用RFID 無線傳輸方式，這種通信方式能夠達(dá)到60米距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效傳輸。系統(tǒng)按照傳感器測量的數(shù)據(jù)所分析的結(jié)果顯示，如果室內(nèi)溫度過高，那么系統(tǒng)則會(huì)通過控制排風(fēng)扇進(jìn)行排氣；如果室內(nèi)的空氣濕度太低，系統(tǒng)則會(huì)控制加濕器進(jìn)行水分補(bǔ)充。

2.土壤溫度、含水傳感器

土壤溫度的測量是通過在溫室土壤內(nèi)部購買熱敏電阻來實(shí)現(xiàn)的；土壤溫度通過熱土壤的介電常數(shù)可以很好地測量土壤含水量，而根據(jù)土壤溫度和含水傳感器所測量的土壤參數(shù)具體數(shù)據(jù)信息顯示，如果數(shù)據(jù)顯示土壤缺水，這時(shí)系統(tǒng)就會(huì)通過遠(yuǎn)程控制噴灌裝置來進(jìn)行噴灑操作。

3.二氧化碳含量傳感器

針對(duì)二氧化碳含量傳感器，其主要是采用NDIR 原理的紅外光吸收方式來檢測大棚內(nèi)的空氣中二氧化碳的含量情況，這種的傳感器有著很高的測量精準(zhǔn)度。當(dāng)二氧化碳含量傳感器檢測到大棚內(nèi)二氧化碳濃度很高時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)控制排風(fēng)扇通過增強(qiáng)通風(fēng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚內(nèi)的二氧化碳濃度的調(diào)節(jié)。

4.光照強(qiáng)度傳感器

使用光敏元件不僅可以讓光照強(qiáng)度的信號(hào)有效轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，還可以將轉(zhuǎn)換的電信號(hào)傳送到系統(tǒng)平臺(tái)并加以分析，而光照強(qiáng)度如果大大超出系統(tǒng)的預(yù)設(shè)閾值，這時(shí)就需要控制大棚頂部的遮陽簾對(duì)大棚進(jìn)行遮蔽，減少其光照強(qiáng)度。

三、智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

為了有效檢驗(yàn)智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在實(shí)驗(yàn)室中使用該系統(tǒng)進(jìn)行了簡單地測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無線傳感器節(jié)點(diǎn)將會(huì)每隔一段時(shí)間就收集到一些數(shù)據(jù)信息，如溫度和濕度、光照、人體紅外和土壤濕度等數(shù)據(jù)，然后再將這些信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器，利用協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)再將其傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)中，而測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)不僅網(wǎng)絡(luò)非常穩(wěn)定，且數(shù)據(jù)傳輸也很可靠，能夠使溫室內(nèi)環(huán)境實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保溫、保濕、安全系統(tǒng)管理等，由此可見該系統(tǒng)能很好滿足大棚室內(nèi)的不同需求。

四、結(jié)語

現(xiàn)階段，智能農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)正逐漸朝著集成化、系統(tǒng)化趨勢發(fā)展，可見未來對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為趨勢。通過應(yīng)用智能控制算法，既能讓農(nóng)作物的生長環(huán)境得到有效改善，也能讓農(nóng)作物一直處在最佳生長狀態(tài)。此外，由無線環(huán)境參數(shù)采集和無線控制技術(shù)，建立了一個(gè)可遙感的智能農(nóng)業(yè)大棚，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)傳送到主控制中心，然后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析，從而讓智慧農(nóng)業(yè)大棚從數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)分析和匯總等實(shí)現(xiàn)了一體化解決方案。