一种基于物联网技术的智能农场大棚系统的开发

陈瑞志

（湛江科技学院，广东 湛江 524094）

0 引 言

很多农村建起了温室塑料大棚，给果蔬的生长创造更适宜可控的环境条件；但是没有从根本上改变农民的耕种方式，仍然主要依靠人力检测作物的生长环境和状况，并实施耕种，这会消耗大量的人力、物力，增加成本；同时，还会因为劳动强度大、检测精度低等缺陷带来差错。在现有的智能大棚系统中，采用各种各样高精度传感器和ZigBee技术在大棚环境中组网，利用各种传感器采集大棚环境数据，并科学合理地调节大棚内包括温湿度、二氧化碳、氧气、雨露、光照、气压、土壤PH值、重要盐离子等环境参数指标，及时反馈给农户，为确保大棚内农作物更加优质、高效地产出提供良好条件。因此，智能农场大棚系统的搭建和持续稳定的运行，势必会在农产品生产、资源合理利用、推动和改善大棚农户的生产经营状况中发挥重要作用。

目前，智能温室大棚得到了很大程度的研究与应用。已有的大棚系统设计研究中通过不同的物联网技术实现对智能温室大棚的监测和控制，主要以单片机或开发板为获取数据终端。其中文献[1]介绍了一种以DSP芯片为核心的系统，通过采集大棚中的温度、湿度、光照度等数据，进行控制调整，以满足大棚内农作物生长的实际需要。文献[8]中介绍了一种以MSP430单片机为核心的智能大棚系统，并阐述了系统的硬件、软件设计过程。也有一些研究在利用传感器和ZigBee组网的基础上，开发手机APP监测系统，方便用户随时随地监测。另外，文献[9]介绍了一种基于Android手机的智能农业物联网监测系统。文献[10]介绍了一种基于移动互联网和Web服务的智能农业系统，文中描述了对该系统中的Android客户端和Web Service 服务端的设计与开发。总之，关于智慧大棚系统的设计与研究，主要通过单片机获取数据进行监控管理；或基于无线网络技术和Android手机及Web服务端的设计与开发来实现。但是，缺乏一个从农产品生产到销售的整个产业链上包括科学智能监控种植、产品上市销售及运输服务、农作物种植交流等功能的一体化系统。本设计提出一种基于物联网技术的智能农场大棚系统，试图解决传统大棚系统实时性不强、检测集成度不高、不能随时随地远程监控等问题，实现从科学智能监控种植、产品上市销售及运输服务到农事交流一体化。

1 系统分析

（1）满足农户需求，基于物联网技术、ZigBee无线网络技术等改造传统大棚的生产方式，使大棚生产管理更加科学有效率、安全可靠；同时，节省大量的人力、物力。

（2）传感器的传感数据通过ZigBee无线网络，实现数据上传到云服务器中心，实现生产化的智能管理和控制。云服务器中心双向管理智能APP端和遥控传感器端的数据，做到数据的安全获取、传输、存储与备份。

（3）云服务数据处理和智能云端APP控制，能远距离控制生产，便捷农户随时随地进行生产监控，及时避免虫害、环境污染等因素对蔬菜作物生长的不利影响。

（4）智能APP运用Python爬虫集中收集和推广农业生产资料，给用户推荐高质量、高品质的生产技术及资料。

2 系统设计

2.1 总体方案

系统贯穿整个物联网感知层、网络层和应用层。其中：感知层负责数据收集监测和终端的控制，网络层负责数据的传输与接收，应用层负责Web服务器和手机端APP开发及应用。本文的智能大棚系统不仅要提高整个系统的自动化程度，同时也要提高整个大棚生产和销售的区域链融合能力。

感知层以CC2530为核心，通过ZigBee、WiFi等模块对传感器模块采集的数据进行处理。各个传感器采集不同的环境数据，例如：大棚内的温度、湿度，空气中一氧化碳、二氧化碳、氧气等的含量，土壤的含水量、酸碱度等。通过本地或远程控制棚内的灯、风机、遮阳板、浇灌设备等的开关，从而及时调整棚内的果蔬生长环境。

网络层通过信息接收盒和WiFi等无线通信技术接入Internet，并与云服务器通信，把环境数据上传至服务器。

第一，语言文字工作与政策制定对于社会发展的重要价值与紧迫性。这是认识问题，认识清楚了，发展才能少走弯路。认识的高度决定重视的力度。

应用层则分为两部分：一是在手机控制端开发基于Android 的APP程序；二是部署在云服务器上的Web程序，包括通过爬取互联网果蔬生产过程中的种子、肥料、市场价格等相关大数据以及个性化地向用户智能推荐相关信息等功能。根据棚内果蔬生长实况，分析和估计各个棚区果蔬产量，并提供地域销售及运输的建议和策略等。

2.2 硬件设计

硬件主要涉及开发板、继电器、温湿度传感器、光强度传感器、二氧化碳传感器、雨露检测传感器、土壤湿度检测传感器、ZigBee模块、路由器、加湿机、电动机、风机、显示仪等。以下介绍几个主要部件：

（1）CC2530开发板：利用CC2530芯片的较强数据处理能力和高效运行速度且功耗低的特点，将其作为物联网信息处理的核心。

（2）继电器：利用继电器实现隔离电子线路和电气电路，以保护电子电路和人身安全；同时，利用低压的电子电路控制信号控制高压电气电路的执行元件，如电动机、电磁铁、电灯、风扇等。

（3）ZigBee模块：智能大棚系统最关键的是大棚环境数据的采集是否准确以及数据能否被及时处理，这主要取决于传感器网络、传感器的性能和芯片处理数据的性能。

（4）传感器：智能大棚系统需要用到温湿度传感器、烟雾传感器、光强度传感器等。不同种类的传感器连接到CC2530的不同I/O接口上。传感器节点负责采集数据和电压值，并将采集到的数值传递给采集节点或开发板，采集节点把收集的信息通过串口发送给PC端：数据接收端的模块将与电脑端远程通信连接，并将信号进行转换，最后将数据传输至电脑端的监控端。

2.3 软件设计与实现

本系统分为Web服务器和手机APP。手机APP主要是为了让大棚的生产管理者能够远程监控大棚的生产环境。Web服务器主要提供农产品的市场时讯、农场生产要素动态信息、大棚的生产和预测数据，为大棚生产者的决策提供参考。

手机APP：采用了Android SDK+Java+MySQL等进行开发，页面设计使得整个大棚的温度、湿度等农作物生长环境的数据可以实时被监测并以图形化显示。在Android APP上能自动或者手动地远程控制大棚内的加湿机、电动机、通风机等，调整温湿度、光照强度等指标。

Web服务器：后台采用PHP+MySQL、前端采用HTML+JavaScript+jQuery等对界面进行设计；相关数据既可以手动输入，也可以通过Python爬虫对外网数据进行采集和筛选；交互方式主要采用Ajax；数据传输格式为JSON格式。服务器端主模块界面采用九宫图设计，如图1所示。

图1 主模块界面

2.3.1 首页设计

本系统的首页采用九宫图的设计，主要放置农场员工、生产原料、实时库存、预计产出、环境数据、市场价格、用药信息、终端控制、农事交流等功能模块。在底部，设置了“首页”“参数”“新闻”“我的”等快捷功能键，如图1所示，其中“首页”键便于返回本页。

2.3.2 环境数据模块

环境数据模块需要通过相应传感器采集环境数据指标，并传输至物联网服务器。当环境数据异常时，不仅可以自动处理，也能通过PC或APP手机控制端远程监控大棚。如：气体异常时，通过开发板内置程序判断条件、自动打开送风机等设备；光照过低时，打开光照灯等操作。环境数据模块还应记录各项环境指标的历史数据，便于管理员查看。棚区温湿度和环境历史数据的手机访问页面分别如图2、图3所示。

图2 棚区温湿度界面

图3 环境历史数据访问界面

2.3.3 农场基本信息管理

农场基本信息包括员工、实时库存、用药信息、预计产出等。农场员工模块：对员工信息进行增、删、改、查等操作；生产原料模块：为相关行业用户提供交易信息和平台；实时库存模块：生产者可以对果蔬库存信息进行实时监控和搜索，如图4所示；用药信息模块：帮助用户记录整个温室大棚的用药信息，并具有提醒功能，如图5所示；预计产出模块：用户通过输入常见的种植信息，然后服务器通过相应的计算对产量和产出时间进行估计，为农户提供科学的预计方法，以便农户为销售做好准备，如图6所示。

图4 实时库存界面

图5 用药信息界面

图6 预计产出界面

2.3.4 农场扩展信息模块

农场扩展信息模块包括如下具体信息：

（1）市场价格：通过调用电商平台对果蔬的市场价格进行实时的抓取，如图7所示，为不同的用户提供实时数据并显示果蔬的历史价格和相关的市场分析、评价、标签信息等（这里需要用到爬虫技术对互联网大数据进行获取、提取、筛选等）。

图7 市场价格界面

（2）生产原料：该功能模块应用智能推荐系统供用户查询和推荐农场所需的原料和种子等农资信息，如图8所示，智能推荐相关算法和实现方法参见文献[11]。

图8 农资信息推荐界面

（3）农事交流-博农论坛：为农业相关用户提供经验交流平台，让不同行业的用户能够更方便地了解各个行业的行情趋势和资讯信息，如图9所示。

图9 博农论坛界面

3 结 语

本文设计的基于物联网技术的智能农场大棚系统，能够帮助农户实现大棚的升级，减轻农户的工作强度、提高果蔬产量，还可以在智能大棚管理、产品运输与销售、农资物料的购买等方面为农户提供帮助，共享种植信息与经验，共同解决种植问题，快速地实现智能农场大棚系统与多平台的交流，促进农业物联网的发展。