基于物联网的智慧农业智能温室控制系统

郗艳华　张娜　张芊睿

关键词：物联网；智慧农业；温室控制系统

中图分类号：TP391 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）03-0008-03

0 引言

随着社会和科技的进步，物联网技术、大数据、人工智能、云计算等信息技术在农业领域的应用越来越广泛。农业作为支撑我国国民经济建设与发展的基础性产业，目前处于向智慧农业转型期[1]。由于可以实时、精确监测温室内的环境参数并进行智能化调控，物联网技术在农业信息化和智能农业领域有着卓越的技术优势， 是智慧农业发展的动力[2-3]。本文设计一种智慧农业智能温室控制系统，应用物联网技术实现对农作物从种植到收获的各生长阶段进行监测和智能化管控，提高农作物的生产效率，实现农作物生产的优质、高产。

1 物联网与智慧农业

1.1 物联网

物联网是指通过射频识别（RFID）、红外感应器、GPS、摄像头等各种传感器设备，按既定的协议，将相关的对象与互联网相连接，进行对象信息共享，以实现目标的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种新型网络[4]。物联网是物物相连的互联网，实现物与物、物与人、所有物品与网络的连接，方便识别、管理与控制。物联网的核心和基础是互联网[5，6]。通过无线传感网络技术，把环境监测设备和控制设备用物联网连接起来，可以实现对温室环境信息的智能监测、控制以及管理，对于改善农作物的生长环境起到十分重要的作用。目前物联网技术已涉及人们日常生活的许多领域。

1.2 智慧农业

智慧农业是指将现代计算机与信息技术应用于农业生产过程中的现代化农业生产模式，是农业生产发展的高级阶段。它是综合应用互联网、移动互联网、云计算、物联网、智能控制、智能决策、精准农业、卫星遥感等现代信息技术，依托部署在农业生产现场的各种传感器（如温湿度传感器、土壤水分、二氧化碳浓度和光照强度等传感器）和无线通信網络实现农业生产环境的感知、分析、预警、决策及专家在线指导，为农业生产提供可视化管理及智能化决策[7-11]。

2 系统总体结构

空气温湿度、光照强度、土壤干湿度和二氧化碳浓度等环境因素对作物生长起着非常重要的作用。本研究基于物联网技术构建了由物理感知层、网络层和应用层构成的3层结构的智慧农业的温室智能控制系统。该系统结合传感器设备、无线传输网络、物联网、云平台和手机App等，通过对温室环境参数实时采集、监测分析、决策管理和执行模块的远程控制来调节温室环境，实现农作物的高质高产。系统结构如图1所示。

感知层：负责温室环境信息采集与执行模块的控制，作为温室控制系统的基础层，由环境信息采集模块和执行模块组成。环境信息采集模块由各类传感器和摄像机组成，主要用于采集植物生长环境信息和监测温室环境状况，并通过通信网络层上传给平台；执行机构通过接收上层下发的控制命令，控制执行机构实现对温室环境的调节。

网络层：主要负责信息稳定可靠的传递与交换，是数据信息交互的承载体，主要由有线和无线的通信网络或传感网组成。接收感知层采集的数据信息进行分析处理，通过通信网络或传输网络将其上传到应用层，同时将从应用层接收到的控制命令下发，驱动感知层中执行机构来调节温室环境。

应用层：主要负责信息处理与决策，是物联网和用户的窗口，一般由云平台、控制平台、PC机和手机App组成。经过网络层对信息分析处理后，通过云平台再次分析处理后信息将会上传并保存。用户可根据需要，通过手机App、PC机控制端在云端储存或导出查看，还可进行信息搜索、信息展示、决策管理与指令发送，实现对温室环境数据和终端设备实时监测、远程监控、信息管理和可控设备管理等。

3 系统各个模块和功能

该系统将物联网、云平台、无线传感器和智能控制等技术综合应用，用户通过手机或计算机可远程调控作物生长环境，实现农作物高质高产的效果。其可实现数据的实时检测、采集显示、历史数据查询及参数设置功能、监测功能、设备调控和视频监控等功能。

3.1 信息采集和监测模块

以ZigBee、Wi-Fi或蓝牙等技术为基础构建无线传感器网络，完成对温室内各监测点中空气温湿度、光照强度、土壤干湿度、二氧化碳浓度、风速风向等环境信息采集，采集数据被送给物联网远程服务器终端后进行分析和存储。当采集信息超过其控制范围时，将发出预警信号并将其信息实时显示在控制面板、电脑端界面和手机App上，此时用户可以根据需要使用现场控制功能，也可以使用控制端或手机App进行远程控制来实现对温室内环境的智能化控制和信息监测，存储的数据可用于历史数据信息的查询。

3.2 信息分析及决策模块

该模块通过对空气温湿度、土壤的干湿度、二氧化碳浓度和光照度等温室内作物生长环境信息的监测后，一方面会将数据传输到研究中心进行处理来制定控制终端设备运行规则，通过这些规则条件约束来实现设备的管理；另一方面这些数据会组成温室内作物生长情况监测、异常生长预测警报和决策支持的数据来源。通过分析处理这些数据可以获得作物生长环境信息的实时变动、最优生长参数设定值范围，预测作物生长趋势，也可以进行病虫害预警等。这些数据会形成温室信息处理专家库，通过该专家库中数据可直观性地掌握温室中作物的生长情况，准确判断作物的生长特征，达到作物的高质高产。

3.3 执行模块

系统通过执行模块可实现环境信息的调节。执行模块一般由遮阳帘、加热器、补光灯、换气扇、灌溉设备和警报器等组成。系统依据作物类别与环境参数的研究，构建作物生长环境参数模型，确定不同作物的最佳温湿度、光照强度和土壤湿度等参数信息。一旦环境参数超过其最佳参数范围，系统将会提醒。这时用户将依照系统警示，通过手动或自动模式驱动对应执行设备进行工作，以使环境参数回归最佳值。一般来讲，温室环境信息的调节是根据参数的特点，由多种执行设备分别控制实现调节，同时还要考虑季节等其他因素，需要根据实际情况进行综合考虑。如表1所示[12]。

可以看出，某个环境参数会和多种环境因素有关，因此信息分析系统会进行综合分析控制执行机构来实现环境调节。例如温度调控将通过通风窗、保温设备、湿帘风机以及加热系统的调控来实现，同时也会参考季节和温室内、外温度的情况进行综合控制。

3.4 视频监测和病虫害监测模块

为了对温室中作物的生长状态与各种设备的运行情况进行全面了解，一般可以通过安装摄像机来实现监控与检测。摄像机能实时捕获温室内作物生长状况，并将温室内部的画面传输给控制中心进行分析处理。管理人员、农业专家和用户利用摄像机可以近距离查看作物生长情况，同时温室内的视频、图片等信息传输给物联网服务器中心，通过相关算法对作物叶片病虫害识别。如果一旦发现有病虫害，将会启动执行模块进行病虫害的防治和消杀。而且基于视频监测平台，配合数据管理系统，农业专家也可以远程查看温室内的各种数据（温度、湿度、光照、水量、作物生长视频记录），实时查看作物病虫害情况，实现专家在线指导诊断。

3.5 监控平台模块

1） 数据分析、汇总和专家数据库建立。系统在工作过程中将自动保存采集的数据，并依据相关的算法对数據进行分析和处理。因此用户可在操作界面查看历史数据，可以比较同一作物在不同种植环境中的生长情况，分析空气温湿度、土壤湿度、光照强度等种植环境因素对作物生长和产量的影响，形成作物低成本种植、高产、高质的科学规律。并通过总结、汇总的规律可以建立作物品种选择、生长状况、病虫害诊断和作物知识查询的专家数据库，用户可以随时查询作物种植技术，实时诊断各种作物状况，实时解决作物问题，提高作物产量。

2） 分析预警和控制。当系统不断进行温室环境数据采集、分析和处理时，也在自动完成数据分析、预警和自动控制功能。当采集的环境数据超过或低于报警值时，系统将会进行报警，并自动开启或关闭指定设备，以调节温室内部环境，如果出现特别情况时，将会通过手机App提醒用户进行诊断。系统设置有手动控制和自动控制2种控制功能模式。手动控制模式需使用控制平台、手机App或者PC端等进行的远程控制，系统会根据控制信息利用继电器等控制执行模块。自动控制模式是系统根据采集到温室的环境参数，通过进行数据分析和处理后，自动控制执行模块实现温度控制、补光和滴灌等功能，远程进行温室内环境参数调控，使作物能生长在最佳环境中。

3） 管理功能。该系统管理功能包括实现用户登录以及相关权限的管理、环境信息采集与查询、信息传输、监控监测、数据管理以及系统参数管理等。其中，用户权限管理包括管理员用户和普通用户权限，管理员用户负责整个系统的管理、温室参数的控制和系统维护，具有较高权限；普通用户仅具有对温室状态和数据的查询权限。环境信息采集与查询的主要功能是将感知层的采集数据进行查询并储存，用户可以查询环境参数历史数据和分析信息；监控检测模块功能为对温室环境参数检测和温室内部各执行模块工作情况的监控；数据管理模块的功能为对温室环境信息的收集、分析和处理。

4 结束语

本文构建了基于物联网技术的智慧农业智能控制系统，给出了其基本框架结构，并对系统各个模块及其功能进行了详细分析。该系统可对温室内环境信息检测与查询、信息传输和分析、视频监控、数据管理以及系统参数管理，由检测数据形成专家库，实现农作物整个种植、生长过程各个阶段情况的预测、监测、调控和视频检测和病虫害预警等，实现农作物的优质高产，产生非常好的经济效益与社会效应。该系统经过适当改造也可应用于动植物养殖等方面，同时在智能交通、智能医疗、智能家居等行业均有非常重要的借鉴作用。

【通联编辑：唐一东】