基于物联网技术的智慧农业大棚监控系统研究

王昆 贺海育

摘要：文章引入ZigBee技术、Web技术、通讯技术等多种新型物联网技术，研究了具有远程监控、智能操控和实时数据展示等多种功能的智慧农业大棚监控系统。智慧农业大棚监控系统采用了浏览器朋艮务器的架构模式，利用布置在大棚不同角落的图像、温度、湿度和光照等传感器，通过手机或者计算机用户能够观察到大棚内各个角落的数据，并根据实时环境参数利用系统智能控制相应的设备进行生产，提高了生产效率。

关键词：物联网技术;智慧农业大棚监控系统;浏览器/服务器

中图分类号：S511.043;TP391

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2019）08-0183-04

传统的农业大棚中，一般采用水银式温度计测量温度，机械式湿度计测量大棚湿度，存在人工测量读数精度低、人工劳动量过大的问题，造成了劳动力资源的浪费，大大降低了农业大棚的生产效率。随着互联网技术和物联网技术的高速发展，将会给传统农业带来一场重大的智能化变革，针对上述传统农业大棚存在的问题，本文将引人物联网技术与传统农业大棚生产相结合，利用各类环境参数传感器构建了智慧农业大棚监控系统，以期为农业的发展提供技术支持。

1 系统功能需求分析

根据对传统农业大棚进行实地考察所采集数据的分析结果，智慧农业大棚监控系统在满足环境数据实时收集、生产设备智能化控制和系统软件平台监测分析等需求的前提是对整个农业基地进行全方位的监控[1]，下面将对上述三种需求具体分析。

1.1 环境参数数据收集

智能化的农业大棚不仅只是对大棚温度、湿度和光照强度的监控，同时还要采集土壤温度、土壤含水和二氧化碳环境参数。被采集到的环境参数数据可展示在系统的显示屏上，同时系统还需具有有线网络传输和无线网络传输两种信息传输通道用以系统与上述各环境传感器连接。

1.2 生产设备智能化控制

智慧农业大棚监控系统要对大棚中的设备进行智能监控，可根据育大棚实时环境数据和系统内设定的参数阈值，触发智能化控制设备，用以調整大棚温度、大棚湿度、增减光照、控制二氧化碳含量等操作。比如生物效应灯。如果大棚中的温度或者其他的原因无法适应农作物的生长，系统可以自动进行环境数值的对比，根据结果自动调节大棚内的温度、湿度、光线等设备，实现农业大棚的自动化、全方位的管理。

1.3 系统软件平台

系统软件平台需要能够完成用户权限设置、数据图形化处理分析、病虫害诊断分析和大棚智能管理等功能需求。其中用户权限设置是指针对不同的人群设计不同的管理权限，使监控系统管理员用户权限可以实行所有的权限，而普通用户权限只能进行基本的操作。该系统软件平台要对大棚中的农作物病虫害进行诊断，并给出诊断的结果与方案，将农作物的发病原因录入到系统中，通过决策树对病因进行诊断。为了便于管理人员进行实时观察，该系统可以将采集到的大棚中的空气温度与湿度、土壤温度与湿度、光线强度等参数数据，通过图形化数据处理方式进行处理展示，如果采集到的数值超出了设定的数值，图形中的数值会变成红色[2]。

2 智慧农业大棚监控系统设计

2.1 监控系统的总体设计

根据上述系统功能需求分析结果，智慧农业大棚监控系统平台中包含了WSN技术的信息采集功能;物联网运营支撑平台主要是利用农业任务驱动的方式，与无线传感器网络进行有效的结合，并负责数据的传输与处理，监控大棚中的温度、湿度;无线传输平台采用通信技术和ZigBee技术实现距离的传输;生产监控管理应用平台中包含了数据分析、数据监控、参数设置等功能。

2.2 硬件设计

根据上述研究得知，系统中至少包括空气温湿度传感器、土壤温度与含水传感器、二氧化碳浓度传感器和光照强度传感器，同时上述传感器与系统进行通信连接需求要利用ZigBee物联网技术和远程通信技术。系统硬件框架，如图l所示。

2.2.1 空气温湿度传感器

大棚内空气温湿度传感器采用的是SHTIO集成电路芯片，该芯片采用电容式聚合体测空气湿度，能隙式聚合体测空气温度，具有测量精度高、测量灵敏度高的优点。上述传感器的信息传输方式采用的是RFID无线传输方式，该通信方式的有效数据传播距离可达60m。系统根据上述传感器测量的温湿度数据分析结果，若出现大棚温度过高则系统弄控制大棚排风机进行排风;若大棚内空气湿度过低则控制加湿器进行补水。

2.2.2 土壤温度与含水传感器

据上所述中通过在大棚土壤内部买人热敏电阻实现对土壤温度的测量;利用土壤温度通过热土壤介电常数测量土壤含水率。根据上述传感器测得土壤参数数据，若出现土壤缺水，系统控制喷灌装置进行喷洒作业。

2.2.3 二氧化碳含量传感器

据上所述中采用基于NDIR原理的红外光吸收式二氧化碳含量传感器用来监测农业大棚内空气的二氧化碳含量，该传感器具有测量精准度高的优点。若上述传感器检测到室内二氧化碳浓度过高则系统控制排风机加强通风来调节室内二氧化碳浓度。

2.2.4 光照强度传感器

利用光敏元件将光照强度信号转换为电信号，并将上述电信号传输至系统平台进行分析，若上述光照强度超过系统预设的阈值，则控制大棚顶部的遮阳帘遮蔽大棚，减少光照。

2.2.5 ZigBee技术

ZigBee组网技术可以实现数据采集[3]，实现不同节点之间的相互通信功能，ZigBee技术传输距离短，每一个ZigBee都是一个移动的信号，是一种低速传输的通信协议。主要应用在小范围内的系统设计中，应用范围广泛，ZigBee组网技术与其他的无线通信协议相比，要求低，容易实现，适用于智慧农业大棚监控系统中。

2.3 软件设计

软件设计以Eclipse作为开发平台，使用Java作为语言开发工具，开发智慧农业大棚监控系统。系统软件采用B/S架构，用户工作界面是一个三层的结构模式，有WWW浏览器、Browsr、Server组成，B/S架构可以将系统的业务管理功能都集中在服务器中，简化了系统的使用过流程，浏览器可以通过Web进行数据交互，简化了电脑运行负荷，降低了用户成本。

2.3.1 前台管理模块

系统前台管理模块结构是登录该系统的重要前提，该模块可以实现用户的登陆、信息的查询、网页的浏览，对大棚的光线强度、温度湿度信号、浓度等参数进行采集，也可以进行历史查询，实现对大棚进行智能监控管理的功能。

2.3.2 后台管理模块

后台管理模块是系统中权限最大的一部分，监控设施管理模块更是系统的核心内容，能够实现对监控点的管理功能。

2.3.3 服务器模块

服务器模块是用来连接数据通信和终端管理的，在该模块中，能够接受来自手机客户端、Web端以及其他控制器发来的数据信息。

2.4 数据库设计

数据采集表中包含了大棚中的所有信息，有光线强度、空气的温度与湿度、土壤的温度与湿度、数据以及大棚的编号等属性;监控单元表的主要功能就是用来记录大棚中所有监控点的真实信息，有检测点的名称、状态等属性;管理表中有大棚的名称以及用户信息等属性[4]。

3 系统功能实现

3.1 系统登陆

为了保证系统的安全性，需要登陆才能进入到系统中，系统管理员为adrmn，普通用户进入要向进入系统，需要先在系统管理员处回去登陆的权限，并进行权限确认，输入自己的用户账号与密码，与系统数据库进行匹配。会出现两种情况，①账号存在但是密码不正确，②账号不存在，如果用户的账号正确但是密码错误，会提示密码错误，如果账号不存在直接登陆会弹出不存在对话框。登录界面中有四个模块，校验模块、匹配模块、报错模块以及权限模块，用户登陆时需要这四个模块都能够进行匹配，才可以登陆成功翻。

3.2 决策支持

决策支持中包含了风机决策、滴管决策以及补光决策。决策子系统的主要功能就是提供支持，如果温度低会开启风机，如果达到设定的范围将会自动关闭;每天早上的8点会开启滴管，12点关闭;当光照的强度没有达到一定的数值时需要将生物效应灯开启，充足则会自动关闭，通过这样的方式完成决策支持的功能。其中滴管决策的开启条件中，如果超过了12点将不会再开启，为了能够运行的更加智能化，在程序设计的过程中加入一项校验的功能，主要的目的是开启决策服务，当时间校验开始运行后，系统会自动获取网络时间，并自动判断滴管决策的开启与关闭的时间。为了能够让系统正常运行，每一次倒计时结束后都需要进行重新判断。

3.3 病虫害诊断

在农业大棚中，有各种各样的农作物，以番茄为例，介绍病虫害诊断系统的实现过程。番茄可以分为根、叶、花、果实4个部分。根部决策树中又包含了很多病虫害知识，比如根部出现局部坏死，萎蔫;根部呈红褐色，出现病变;根管没有出现维管束;维管束变成褐色等;叶部包含了叶背面长出稀疏白色霉层;幼芽青枯进而萎蔫;叶片出现了不同程度的斑驳，叶子出现了老化，有明显病斑迹象，在叶子的表面出现了圆斑;植株没有出现明显畸形;植株呈现出营养不良的情况等;花包含了花柄出现浅褐色病变，花药也出现了褐色的病变;花的表面没有出现明显的发霉痕迹，花的基部出现褐变，果实出现发霉;果实的表面出现了严重的发霉情况，局部出现发白，并长出霉菌;果实掉落在地面后会出现感染，随着空气的温度逐渐变得硬化;有凹凸畸形;霉状物颜色浅;果实腐烂软化严重等。病虫害诊断流程.如图2所示。

3.4 数据采集

成功登陆系统后都需要建立一個长效的连接，采集子系统会每隔Imin向指定端口发送以此数据采集，当数据传送后，服务器需要对传输的数据进行解析，获取参数，并将解析后的数据存入到数据库中。通过连接管理，找到手机终端，然后将所得的数据推动到手机终端中，当手机接收到数据之后会向服务器发出请求[6]，通过自带的图形化函数显示出图形。对于用户而言，通过对数据包进行解析，然后调用相应的函数将因子返回，然后再利用插件与框架的方式将图表显示在网页中。

3.5 远程控制

手动远程控制与智能远程控制是本系统主要的监控手段。手动远程控制时，需要对远程控制箱的原理进行充分的掌握，了解原理之后在进行远程设计时就会变得非常的简单。在远程控制箱中只需要安装一个GPRS/3G的转换模块，完成信号的转换，然后对电源的开关空能进行控制，在控制箱中有一共有8个接口，当用户操作相应的按钮时，系统会发出相应的命令，当模块接收到该命令后，会判断是否需要进行控制命令，其流程为：使用终端设备向服务器发出命令;服务器会对命令进行提取，并找出对应的编号;对控制状态的模块进行扫描，并判断是否处于控制状态下;控制箱会对命令进行解析，然后激活相应的数据，并通知服务器进行执行;设备开启或者关闭。

4 系统应用

进行系统应用时，农业大棚管理用户在手机或者计算机终端登录智慧农业大棚监控系统，并打开系统中的数据监控界面，用户可在该界面中查看大棚监测结果，用户利用终端界面上的功能选择键完成对大棚设备的远程控制。

根据上图显示的实时环境参数监测数据可知，以应用系统的大棚中土壤湿度和二氧化碳浓度已经超过系统预设的阈值，在系统展示界面中以红色警示颜色显示，系统控制灌溉阀和风机开启，进行土壤喷水和农业大棚通风。通过对该系统的实际应用，证明智慧农业大棚监控系统系统功能完整，并能实时监控大棚内部环境参数，实现大棚设备的智能化控制，有效提高了现代农业大棚生产的效率，降低了成本，具有广阔的应用前景[7-8]。

5 结语

通过物联网技术在大棚内安装传感器，采集大棚中的温度、湿度、浓度、光照等指标，并利用多种技术实现系统的功能开发与设计，通过设计病虫害诊断系统对农作物的生长状态进行实时的监控，将系统做成APP软件，让管理者可以不再现场就能够对大棚中的设备进行自由调节，在最后的测试阶段，虽然各项功能都能够符合要求，但是在细节方面仍然需要不断的加强，加强数据信号的传输，不断优化网站与手机界面，让操作变得更加智能化。

参考文献

[1]袁小平，徐江，侯攀峰，基于物联网的智慧农业监控系统[J].江苏农业科学，2015，43（3）：376-378.

[2]周新淳，张瞳，吕宏强，基于物联网的精准化智慧农业大棚系统设计[J].国外电子测量技术，2016，35（12）：44-49.

[3]张新，陈兰生，赵俊，基于物联网技术的智慧农业大棚设计与应用[J].中国农机化学报，2015，36（5）：90-95.

[4]江莹旭，华芳芳，郑梁梁，等.农艺与物联网下的智慧农业[J].农业工程，2014，4（4）：38-40.

[5]黄颖，张伟，基于物联网的智慧农业监控系统[J].物联网技术，2017，7（4）：33-34.

[6]张得龙，基于物联网技术的智慧温室监控系统的研究与设计[J].科学技术创新，2016，（15）：12.