基于物联网的智能农业大棚监测系统研究

党 鹏

(甘肃财贸职业学院，甘肃 兰州 730000)

1 系统架构设计

本研究的监测系统包含感知控制层、网络层、平台数据管中心以及应用层。感知控制层包括传感器以及其他控制设备，其中传感器主要用于采集环境数据并将数据传导至网络层，控制设备科根据应用层指令对环境变量进行控制，并形成一定的报表数据并传输至平台层，最终通过接口显示给用户。

1.1 感知控制层

利用多种传感器模块，对农业大棚的温湿度、碳酐浓度、土壤含水量等环境变量进行监测。多种传感器模块包含光照度传感器、温湿度传感器、泥土含水量传感器、 CO2检测模块、NH3检测模块。控制模块主要对大棚的光照、温度和土壤湿度进行控制，设备包括可控透风设备、光照调节设备、照明设备和灌溉设备等。传感器控制器MCU单元采用STM32F103系列芯片，组网与数据传输采用ZigBee协议。

1.2 网络层

感知控制层各模块之间的组网与数据传输采用ZigBee协议完成，ZigBee协议是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，有着低花费、低能量、高容错性和自组织性等特点[1]。网络层还要完成数据的汇聚和上传工作，该项功能主要通过网关设备实现，网关设备MCU单元采用STM32F4系列芯片，同时内置cc2530系列芯片，可以将ZigBee协议包转换为TCP/IP协议包，从而起到数据转换的作用，然后通过以太网接口或WIFI进行数据传输，将数据传输到平台层进行分析。网络层同时具有数据指令下发的功能，平台层或应用层的控制指令可以通过TCP/IP协议下发至网络层，再由网关设备解析为ZigBee协议数据，再次下发至控制模块。

1.3 平台层

本系统平台层起到的作用主要有Web服务和数据处理两个功能。Web 服务器通过Tomcat 部署，使传感器采集的数据与数据中心交互，进行一系列数据处理后，通过页面反馈给用户进行监测。监测系统的安全采用授权方 式保障，后台提供 Restful 接口，返回的 JSON 格式数据供第三方调用。系统内的终端设备通过UDP、TCP 与Web服务器建立连接，可以上报数据以及接收控制命令[2]。

服务器主要有数据采集、数据库管理、环境数据分析、规则联动等功能。服务器软件使用Java语言编写。服务器可接收端口进行监听，一旦接收到感知层的连接请求，服务器将启动线程对感知模块上报的环境数据进行接收。提取数据后，将其存入数据库，同时进行数据处理，以数据报表的形式发送到应用层。同时还可根据农业大棚生产流程的设计规则，下发对应的控制指令，以自动的改善环境。

在实时显示各监测区域数据的同时，需要形成对环境的长期监测，则需要对一段时间的数据进行分析研究，并形成报表，所以还需设计实时数据库以及历史数据库。数据库采用传统MySQL关系型数据库，以提升报表查看机能，给用户更好的使用体验。

1.4 应用层

本监测系统采用Web 页面和安卓APP应用2种方式展示环境监控结果。 Web页面使用HTML5、jQuery等主流页面技术开发，通过Ajax技术调用服务端接口，得到环境数据，并将数据解析后通过图表等形式展示[2]。APP应用的开发基于安卓技术架构，将平台层处理后的数据进行展示，方便用户获得实时监测环境数据和对生产环境进行控制。

2 系统实现

感知层通过环境温湿度传感器获取当前大棚环境中的温度、湿度、二氧化碳和光照数据，通过土壤监测传感器获取土壤中的含水量信息。控制单元通过可控继电器控制风扇、照明、温度补光灯和遮光帘的开关。

网络层通过网关设备实现感知层组网和各模块数据的传输，同时肩负感知层数据上报的工作，因为感知层数据是通过ZigBee协议传输，而平台层与网络层之间通过TCP/IP协议进行数据交互，因此网关还有一个重要功能就是不同协议之间的数据转换。本系统采用的网关同时具有ESP8266模块和CC2530模块，并通过ModBus协议将ZigBee数据包转换为TCP/IP数据包，从而将数据传入网络层。该数据包转换过程同样适用于下行数据。

平台层具有传感器数据以及管理应用功能，通过 TCP/IP 协议收集数并进行处理，服务器在接收到环境数据后，首先将数据存储至数据数据库中，然后系统再根据数据计算每一时刻监测区域的环境数据，并以报表的形式显示给用户，还可发送至应用层。在平台层还需要设置自动控制规则，按照用户要求，针对相应环境变量完成自动控制。

应用层用户可以利用Web 页面和安卓APP应用查看监测数据，完成设备控制。当然，这都取决于平台层的数据处理结果，数据传输依靠TCP/IP协议完成。

3 结语

发展智能农业是目前提高农业生产力的关键，物联网技术与现代农业技术的结合，促进了智能农业产业的迅猛发展，尤其是物联网产业规划已上升至国家策略的高度，更加明确了现代农业的发展方向。虽然智能农业监测系统在技术层面有突破，但让其真正符合现代智慧农业发展的要求还有一定的差距[3]。

本研究从我国大力发展现代农业，支持农业产业转型的背景出发，针对国内温室大棚监控系统的现状和用户对智能化生产的需求，将物联网技术、嵌入式技术、Android 技术和智能控制系统等相融合，设计了一种基于物联网的智能农业大棚系统[4]，对大棚内影响农业生产的环境变量的监测和自动控制技术进行研究，本文设计的系统具有一定的稳定性，同时还有成本低、容易搭建和可移植性强等特点，适合在一定区域内进行推广。