基于物联网技术的智慧农业大棚监测系统研究

朱 斌

（新疆农业职业技术学院，新疆 昌吉州 831100）

物联网技术应用于智慧农业大棚监测系统是根据当前农业发展的实际情况，为了促进农业现代化建设而提出来的。农作物大棚监测系统研究是农业现代化发展不可或缺的一项重要工作。对于农户来说，农作物大棚直接关系到农作物的产量，无论是培养非本季节农作物还是提高农作物的生长效率，都离不开农作物大棚。利用物联网技术能够更好地对农业大棚进行管理，提高农作物产量，对于农业的发展具有重要意义。

1 物联网智慧农业大棚监测系统的整体架构

基于物联网进行智慧农业大棚监测系统构建的过程中，重要的是要收集和分析周围环境中的各项信息及数据，例如在大棚中种植农作物，对于环境的温度、湿度、光照时间都有不同的要求，监测系统需要通过外部传感器等元件精确地对这一类信息进行收集，然后由计算机进行相应的分析并发出控制指令，从而实现对智慧农业大棚监测系统的控制[1]。基于物联网技术构建的智慧农业大棚监测系统主要由三部分构成，分别是感知控制系统、云平台系统和用户远程控制系统。基于物联网的智慧农业大棚监测系统架构如图1所示。

图1 基于物联网的智慧农业大棚监测系统架构

1.1 感知控制系统

感知控制系统主要是进行信息的汇总、分析、传输，而用户远程控制系统则是判断这些信息，然后进行远程的控制。感知控制系统主要包括感知器件、ZigBee协调器和控制器件，这三个部分也构成了所谓的ZigBee网络。这一部分通过感知器件对于外部环境的感知，利用不同的终端感知器节点对不同的信息进行采集、分析和传送，最终由控制器件和ZigBee协调器将各种信息传送回网关。

1.2 云平台系统

网关属于云平台的组成部分之一，云平台主要由网关和数据云系统共同组成。其中，网关承担着连接互联网和ZigBee传感器网络的重要作用，通过网关，各种环境数据才能进行及时传送，从而给出相应的反馈。数据云系统是对各种数据进行存储并处理的关键系统，农作物的生长是一个长时间的过程，在此过程中有众多的数据信息需要汇总，以便农户在日后的工作中更好地把握大棚中的具体情况，作出更加准确的控制[2]。

1.3 用户远程控制系统

用户远程控制系统是整个智慧农业大棚监测系统中的终端，通过用户远程控制系统，能让农户足不出户，甚至人在外地也能及时了解到农作物大棚的实际情况。用户远程控制系统包括App应用程序、PC端控制程序等，主要是为了农户可以利用不同的电子设备对大棚系统进行干预和控制。通过应用程序，客户接收ZigBee网络传送回来的数据，再根据自身的经验和对农作物的了解作出更合适的控制，避免自动控制系统不够智能化作出错误的判断。

2 智慧农业大棚监测系统的硬件结构

智慧农业大棚监测系统的硬件结构主要包括节点电路模块、温湿度传感器模块、光照强度传感器模块、CO2传感器模块和电源模块，这五个机构共同组成了大棚监测系统的硬件结构[3-5]。

2.1 节点电路模块

节点电路模块主要是针对有线监测系统的成本和简便性提出来的，虽然在大棚环境监测中所涉及的传感器众多，但是并不需要巨大的计算量，对数据处理器的要求也不是很高，并且有线节点模块的设计成本和工作效率都远远超过无线节点电路。因此，考虑到建设的成本，在大棚监测系统的构建中，利用TI公司生产的ZigBee/IEEE 802.15.4 RF收发器CC2530作为整个大棚监测系统的核心，并且采用无线节点传输的方式，令整个监测系统更加便捷、更加高效、成本更加低廉。节点电路模块的构成如图2所示。

图2 节点电路模块

2.2 温湿度传感器模块

温湿度传感器模块是保证整个大棚控制系统正常运转的关键，只有温湿度传感器准确收集和传送相关信息，数据中心和用户控制才能作出准确的反馈。在温湿度传感器的构建中，要考虑到温湿度传感器本身的材质，要尽量采用抗磨、耐腐蚀、耐潮的材料，避免温湿度传感器受到大棚环境的影响而出现问题。温湿度传感器对环境温度和湿度进行采集并将信息传送给数据处理器，再经由数据处理器计算给出相应的控制指令。

2.3 光照传感器模块和CO2传感器模块

在大棚的内部环境中需要重点监测的是农作物的光照时间和整个环境中CO2的浓度，这是农作物正常生长的关键参数。因此，在整个智慧农业大棚监测系统中，光照传感器模块和CO2传感器模块扮演着重要的角色。通过光照传感器，在不同的天气监测农作物受到光照的时长，保证农作物的正常生长；通过CO2传感器对室内CO2浓度进行分析，并与光照传感器协同工作，保证植物的光合作用。

2.4 电源模块

由于大棚监测系统涉及的模块众多，电路情况复杂，耗电量较大，对于电压的要求也较高，因此需要接入外接电源转换器。为了在额定电压内保障整个大棚监测系统的正常运转，让每个模块都能连续工作，外接电源转换器使用了LMlll7转换输出电压，保证了工作电压的稳定性，在控制电压精度的同时，监测整个电路的安全性，包括电路过热保护和短路保护等等。

3 智慧农业大棚监测系统的软件系统构成

智慧农业大棚监测系统的软件系统构成主要包括协调器软件设计、终端节点软件设计和PC主机监测管理系统软件设计，这三个部分在大棚监测系统的不同环节进行工作，保证了整个系统的正常运转。

3.1 协调器软件设计

当前主流的智慧农业大棚监测系统使用的协调器软件是由TI公司推出的ZigBee2007/PR0协议栈和IAR集成的开发环境，这种软件环境是为了进一步与数据处理器中所应用的CC2530芯片进行组合，能够保障软件环境完全匹配当前的数据处理芯片，减少不兼容的情况，发挥软件和处理器的全部效率，提高工作和计算的效率[6]。在大棚监测系统中，协调器是整个数据传送网络系统的核心，协调器也可以理解为网关的一种，承担着进行组网的重要任务；并且为了保证数据传送的及时性，协调器要优化各项传感器和网络通道，然后等待终端采集节点加入网络。协调器会分析当前加入网络的终端节点是否是合法网络节点，协调器只允许合法的终端节点加入网络，并且根据不同节点对不同采集区的数据进行采集并传输给PC端，最终发出控制指令。

3.2 终端节点软件设计

终端节点软件是为了保证接入协调器所组成的数据处理网络能够及时接收到来自大棚内部各项传感器的数据而设计的[7]。终端节点在一开始进入数据处理网络时会由协调器进行初始化处理，保证所有的终端节点不带有原本的数据信息，根据协调器对所有终端节点进行判断，确定了终端节点的合法性之后，终端节点会申请加入数据处理网络，在加入网关网络之后会控制大棚内部的温湿度传感器、光照传感器、CO2传感器并对大棚数据进行采集，最后经由终端节点发送给协调器。这种流程不仅能够保证数据传送的及时性和准确性，同时通过对不同终端节点的判断，还能够保证数据的安全性[8]。

3.3 PC主机监测管理系统软件设计

PC主机监测管理系统软件的主要工作是方便用户对整个大棚系统进行控制，包括减少或者增加大棚内农作物的光照时间、调节大棚室内CO2浓度、提高和降低大棚温度与湿度等等。整个PC主机监测管理系统由用户管理系统、通信系统、信息管理系统和数据管理系统四个部分组成[9]，整体结构如图3所示。

图3 PC主机监测管理系统

用户管理系统主要是进行账号的登录以及做出相关设置，这是为了保证数据的安全性；通信系统主要包括发送接收软件系统和节点管理系统，这是管理数据的发送和接收的重要系统，也是用户发送控制指令的关键系统；信息管理系统主要包括用户信息管理、大棚信息管理和设备信息管理，其主要任务是对整个大棚中的数据进行整理和存储；数据管理系统主要包括数据查询、参数阈值、数据存储和实时数据传送四个部分，数据管理系统保证整个大棚环境信息的准确性和合理性，如果超出阈值，则会通过通信系统对用户做出预警[10]。

4 结语

随着科学技术的不断发展，智慧农业在我国的建设程度越来越高，对于物联网技术的利用也越来越广泛。在此基础上，研究智慧农业中大棚监测控制系统中物联网技术的应用，加强农业现代化建设，对于促进我国经济发展，提高我国产业转型有重要的意义，并将有力推动农业农村现代化发展。