基于物联网的农作物生长环境精准化数据采集系统设计

马永斌　赵 涛

摘 要：传统的农作物生长环境精准化数据采集系统具有较低的数据采集准确率，无法精准采集农作物生长环境数据。因此，基于物联网技术，本研究设计了农作物生长环境精准化数据采集系统。在原有系统硬件基础上，该系统设计了传感器电路模块、无线射频模块及采集与存储模块，实现精准数据采集。软件设计方面，利用采集端确定数据，进行数据预处理，通过设计数据库，实现数据精准采集。对比试验表明，该系统可以促进农作物的精细化培育。

关键词：物联网;农作物生长环境;精准化数据采集

中图分类号：TN790 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）35-0024-03

Design of Precision Data Acquisition System for Crop Growth

Environment Based on Internet of Things

MA Yongbin ZHAO Tao

（Shangqiu Institute of Technology，Shangqiu Henan 476000）

Abstract： The traditional crop growth environment accurate data collection system has a low data collection accuracy rate and cannot accurately collect crop growth environment data. Therefore， based on the Internet of Things technology， this study designed a precise data collection system for crop growth environment. Based on the original system hardware， the system has designed sensor circuit modules， wireless radio frequency modules， and acquisition and storage modules to achieve accurate data acquisition. In terms of software design， the data is collected by the acquisition end， pre-processed， and the database is designed to achieve accurate data collection. Comparative experiments show that the system can promote the refined cultivation of crops.

Keywords： Internet of Things;crop growth environment;accurate data acquisition

目前，农业市场与信息化建设在农业发展中发挥着重要作用。信息技术可以改变传统农业要素的组合方式，实现节本增效和信息资源开发。本文基于物聯网对农作物生长环境精准化数据采集进行系统设计，在坚持以互联网为核心的前提下进行延伸和扩展[1]。物联网技术的主要内容就是进行信息的交换和通信，致力于实现物物相息的综合数据采集。农作物生长环境精准化数据采集系统具有控制植物生长环境的能力，针对影响农作物生长的各个环节进行精准化数据采集，温度、光照、生长需要的微量元素等都处于精准控制状态。

1 基于物联网的农作物生长环境精准化数据采集系统硬件设计

1.1 设计传感器电路模块

在农作物生长过程中，温度、湿度及光照度是影响农作物生长环境精准化数据采集的三大要素。因此，基于物联网的农作物生长环境精准化数据采集系统硬件设计中，传感器电路模块设计主要分为温度采集电路、湿度采集电路和光照度采集电路[2]。

温度采集电路采用的温度传感器型号为TMK421，它是一种精密的电路温度传感器。当TMK421阻值PT100上升0.385Ω时，温度就随之上升1℃。当农作物生长环境温度为25℃时，温度采集电路由单电源供电，农作物生长环境温度越高，温度传感器电阻越大，测量范围为-250～850℃，可以满足所有农作物生长环境的应用条件[3]。湿度采集电路设计的是一种柔性透明的高性能湿度传感器，该传感器基于MoO3纳米片，采用低成本、简便的溶液方法合成。所制备的湿度传感器对外部相对湿度表现出出色的灵敏度，农作物生长环境湿度从0%变为100%时，电流变化了5个数量级。此外，湿度采集电路具有快速响应的特点，并且具有很好的机械灵活性，可以高效准确地采集农作物生长环境的湿度数据。光照度采集电路的设计内容是光照传感器，基于Zigbee3.0无线通信协议，可以精准化检测农作物生长环境的光照强度并记录历史数据。同时，它可以将农作物生长环境光照变化作为自动化条件，为农作物生长环境精准化数据采集提供智能场景联动。传感器电路模块的设计综合应用温度传感器、湿度传感器和光照度传感器，能够对农作物的生长环境数据进行精准采集，特别是采集农作物生长过程中的关键数据。

1.2 设计无线射频模块

无线射频模块的主要内容就是通过无线方式传输信息，无线射频模块具有采集、传输数据量大的特点。本设计选择ISO14443作为无线射频模块，其由农作物生长环境物理特性、射频功率和信号接口、读写器和电子标签以及传输协议四部分共同组成。读写器通过其天线向外发送一定频率的电磁波，当电子标签进入信号接口的工作范围后，其内部产生感应电流而被激活，于是将其存储的信息通过内部天线发送出来。再由读写器的天线接收来自电子标签的载波信号，将其传送给读写器。读写器对接收的信号进行解调与解码处理，并将处理后的数据发送给采集与存储模块。

1.3 设计采集与存储模块

采集与存储模块的主要功能就是实时地对农作物生长环境的三种数据进行精准采集，对数据进行分析处理，以便做出科学的农业管理方案，促使农作物良好生长，提高农作物生产效益。农作物生长环境数据采集存储模块如图1所示。其间以ARM嵌入式处理器设计数据采集存储模块，采集上述三种传感器数据及无线射频模块数据并存储，然后发送至数据预处理模块。

2 基于物联网的农作物生长环境精准化数据采集系统软件设计

在农作物生长环境精准化数据采集过程中，利用采集端确定数据，不需要配置即可完成数据采集。在物联网技术的应用下，首先设置和确定数据字段，输入网址后，软件即可自动识别出页面上的数据并生成数据确定结果，每一类数据对应一个采集字段，通过右击字段可以进行相关数据设置，包括修改字段名称或增减字段，由此完成采集数据任务的添加。

图1 数据采集存储模块硬件结构

2.1 数据预处理

在确定采集端数据的基础上对数据进行预处理，在基于物联网的农作物生长环境精准化数据采集系统中，数据的预处理是指将电路信号转换为可用于之后系统处理的数据采集的数字信号。其间运用卷积神经网络算法对农作物生长环境数据进行预处理。

[Ani=f（An-1j∈Bn-1An-1j）×knij+bni]                        （1）

式中，[Ani]为第[i]层的第[n]个特征数据;[f（.）]为激活函数;[Bn-1]为第[n-1]层特征数据的集合;[An-1j]为第[n-1]层第[j]个特征数据;[knij]为[Ani]的第[j]个卷积核;[bni]为第[n]层的第[i]个特征数据的偏值。

将预处理后的数据通过池化层进行处理，计算出滤波器最大值，得到精确的农作物生长环境特征数据。

[Ani=downAn-1i]                        （2）

式中，[down（.）]为池化函数。

数据预处理是基于物联网的农作物生长环境精准化数据采集系统软件设计中的重要环节，数据在预处理过程中的精准化程度及稳定度关系着整个系统数据采集的精准化程度及稳定度。

2.2 数据库设计

将所有经过数据预处理后的数据直接存储至数据库中，便于二次搜索。当确定基于物联网的农作物生长环境精准化数据采集系统采集过的数据经过正规人员修改时，必须重新采集数据。严格按照基于物联网的农作物生长环境精准化数据采集系统软件设计的具体模式，将这些数据传送到主机，经过程序的自动化判断，在物联网技术的支持下，对农作物生长环境进行精准化数据采集。这样能够获得精准的管理效果，實现对农作物生长环境数据的精准采集。详细系统数据精准采集流程如图2所示。

图2 数据采集流程

3 对比试验

3.1 试验准备

为了确保基于物联网的农作物生长环境精准化数据采集系统设计的有效性，本研究针对农作物生长环境数据采集的准确度进行试验。为确保试验结果的真实性，整个试验均在统一环境下进行。试验所用设备型号标准完全统一，将农作物生长环境温度数据设为25℃，测试农作物生长环境温度数据采集的准确度。为确保试验的普遍性，设定试验总次数为10次，使用两个系统分别各采集5次农作物生长环境温度数据。首先采用传统农作物生长环境数据采集系统对农作物生长环境温度数据进行采集，再采用本文设计的基于物联网的农作物生长环境精准化数据采集系统实施同样操作步骤，设置传统农作物生长环境数据采集系统为对照组，进行对比试验。

3.2 试验结果分析与结论

根据上述设计的试验，记录5组试验数据，将两个系统下农作物生长环境温度数据采集准确度进行对比，试验数据如表1所示。

表1 农作物生长环境温度数据采集准确度对比

由表1可得，本文设计的基于物联网的农作物生长环境精准化数据采集系统对农作物生长环境温度数据采集的准确度更高。通常，采用相同的电路及设备，基于物联网的农作物生长环境精准化数据采集系统比传统农作物生长环境数据采集系统更能够精准采集农作物生长环境数据。由此可见，基于物联网的农作物生长环境精准化数据采集系统可以促进农作物的精细化培育。

4 结语

目前，现代化的设施农业根据农作物生长发育的规律，对农作物生长环境加以精准化数据采集，实现了农作物种植的精细化培育。试验表明，本研究设计的系统在数据采集准确率方面有着传统农作物生长环境数据采集系统无法比拟的优势。因此，该系统可以为农作物生长环境精准化数据采集提供技术支持。

参考文献：

[1]郑玲玲.基于物联网技术的温室大棚移动终端监控系统分析[J].科技经济导刊，2017（16）：1-2.

[2]韩洋.基于大数据技术的农业物联网应用系统分析[J].计算机产品与流通，2019（8）：118.

[3]张腾飞，崔俊宇，芮平，等.基于ZigBee技术的农作物环境采集系统设计[J].南京工程学院学报（自然科学版），2017（4）：21-25.