現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)移動(dòng)智慧實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)分析

　　摘要：針對(duì)現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，設(shè)計(jì)一種移動(dòng)智慧實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將自動(dòng)控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施相結(jié)合，對(duì)環(huán)境溫度、濕度和光照強(qiáng)度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在手機(jī)客戶端顯示；通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的可靠分析，實(shí)現(xiàn)控制指令的傳輸，進(jìn)而控制電磁閥開(kāi)關(guān)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)設(shè)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制的缺陷，能夠?yàn)橹参锏挠行L(zhǎng)提供良好的條件。

　　關(guān)鍵詞：現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)；傳感器；客戶端；Ａｎｄｒｏｉｄ

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　　近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)保持著良好發(fā)展勢(shì)頭，農(nóng)村改革步伐的加快、農(nóng)村生態(tài)居住環(huán)境有了很大的改善，農(nóng)民生活水平穩(wěn)步提高，為我國(guó)成功應(yīng)對(duì)各種困難和風(fēng)險(xiǎn)，保持經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)中求進(jìn)提供了有力支撐，增添了底氣。同時(shí)，在新常態(tài)背景下，我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，必須要加快轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)［１］。水利化、機(jī)械化、信息化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的３個(gè)重要標(biāo)志。目前，信息化發(fā)展已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的一個(gè)短板。縱觀全球的農(nóng)業(yè)發(fā)展情況，可以說(shuō)沒(méi)有農(nóng)業(yè)信息化就沒(méi)有農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化［２］。農(nóng)業(yè)規(guī)?；?jīng)營(yíng)、可持續(xù)發(fā)展、實(shí)施糧食安全戰(zhàn)略等都迫切需要大力發(fā)展農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代現(xiàn)代信息技術(shù)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是以信息感知設(shè)備、通訊網(wǎng)絡(luò)和智能信息處理技術(shù)應(yīng)用為核心，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)科學(xué)化管理，達(dá)到合理使用農(nóng)業(yè)資源、改善生態(tài)環(huán)境、降低生產(chǎn)成本、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)的目的。

　　目前，亟需通過(guò)發(fā)展農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益、節(jié)約資源。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涵蓋傳感器、網(wǎng)絡(luò)與通訊、輔助決策以及自動(dòng)控制等新技術(shù)，它能夠通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)生長(zhǎng)環(huán)境、動(dòng)植物生長(zhǎng)過(guò)程、設(shè)施園藝可控環(huán)境等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而獲取動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài)、水肥使用狀況、病蟲(chóng)害發(fā)生及防治情況及相應(yīng)生態(tài)環(huán)境的實(shí)時(shí)信息［３－４］。這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)專家系統(tǒng)進(jìn)行反饋處理與分析決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)的指導(dǎo)作用。以科技惠農(nóng)，以科技扶農(nóng)，在此需求的推動(dòng)下，本文設(shè)計(jì)智慧農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)，通過(guò)感知大棚環(huán)境溫度、濕度和光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，從而做出正確的判斷，將結(jié)果發(fā)送給遠(yuǎn)程客戶端，客戶端可以控制大棚設(shè)備，使其能合理有效地工作，為大棚內(nèi)植物的生長(zhǎng)提供最適宜的環(huán)境。

　　１系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　針對(duì)現(xiàn)有溫室大棚進(jìn)行深度調(diào)研與分析，設(shè)計(jì)智慧農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚中的植物生長(zhǎng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)控，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖１所示［５］。該系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)模型，包括物聯(lián)網(wǎng)感知層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。物聯(lián)網(wǎng)感知層通過(guò)數(shù)據(jù)采集傳感器采集溫濕度，光照強(qiáng)度，煙霧等，通過(guò)設(shè)備控制器模塊實(shí)現(xiàn)環(huán)境參量的修正。網(wǎng)絡(luò)層包括ＺｉｇＢｅｅ無(wú)線傳輸模塊和ＧＰＲＳ遠(yuǎn)程傳輸模塊。應(yīng)用層包括ＰＣ客戶端，ＡＰＰ客戶端和服務(wù)器。物聯(lián)網(wǎng)感知層采集數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)綉?yīng)用層，應(yīng)用層計(jì)算分析得到控制指令再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送給感知層從而控制電磁閥、燈等。

　?。灿布O(shè)計(jì)

　?。玻眰鞲衅鞴?jié)點(diǎn)

　　傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，主要用的傳感器包括空氣溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器和光照傳感器等，其中，溫濕度傳感器選用ＤＨＴ１１，由電阻式濕傳感器和一個(gè)連接到高性能８位微控制器的ＮＴＣ溫度傳感器組成。土壤濕度傳感器用于測(cè)量土壤相對(duì)含水量，利用電磁脈沖原理，根據(jù)電磁波在不同介質(zhì)中傳播的頻率來(lái)測(cè)量土壤的介電常數(shù)，從而得到土壤中的相對(duì)含水量，其組成包括溫度檢測(cè)電路和聲控報(bào)警電路等部分。光照傳感器是通過(guò)光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，光敏元件可以感測(cè)光的亮與暗變化，并輸出敏感波長(zhǎng)接近可見(jiàn)光波頭的弱電信號(hào)，包括紅外線、波長(zhǎng)和紫外波長(zhǎng)［６］。光強(qiáng)度信號(hào)采集使用光敏電阻作為信號(hào)采集裝置。隨著照度增加，其電阻降低，利用電路電壓采集光強(qiáng)度。

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　?。玻玻币壕э@示和按鍵

　　液晶顯示主要顯示系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)以及系統(tǒng)設(shè)置信息［７］，提供人機(jī)交互界面，選用ＯＬＥＤ作為控制端機(jī)顯示器，液晶顯示器與控制器采用ＳＰＩ通信，其硬件連接如圖２所示。

　　采用中斷方式判斷按鍵是否被按下，按鍵分為３種狀態(tài)，即按下、松開(kāi)和沒(méi)有按下。通過(guò)定義臨時(shí)緩存區(qū)，記錄鍵值，若測(cè)有按鍵按下，則啟動(dòng)按鍵計(jì)數(shù)器；重新定義按鍵模式，若按鍵已經(jīng)釋放，則關(guān)閉按鍵計(jì)數(shù)器，清除記錄鍵值，更新?tīng)顟B(tài)并等待按鍵按下?tīng)顟B(tài)。

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　　ＣＣ２５３０通過(guò)串行通信口進(jìn)行通信，ＳＰＩ通信模式，ＶＳＡＲＴ通過(guò)３線接口或４線接口與外部系統(tǒng)通信，接口包含引腳ＭＯＳＩ、ＭＩＳＯ、ＳＣＫ和ＳＳ－Ｎ。當(dāng)ＶＸＣＳＲ、ＭＯＤＥ設(shè)置為０時(shí)，選中ＳＰＩ模式，在ＳＰＩ模式中，ＶＳＡＲＴ可以通過(guò)寫ＵｘＣＳＲ．ＳＬＡＮＥ位來(lái)配置ＳＰＩ為主模式或者從模式，硬件連接如圖３所示。

　　３軟件設(shè)計(jì)

　?。常睌?shù)據(jù)采集傳感器軟件設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集主要完成大棚環(huán)境內(nèi)參數(shù)的獲取，為科學(xué)調(diào)控大棚內(nèi)環(huán)境提供有力保障，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖４所示。首先進(jìn)行初始化，初始化完成后傳感器采集環(huán)境參數(shù)，之后完成對(duì)控制設(shè)備的調(diào)節(jié)，促使控制設(shè)備的電磁閥等開(kāi)關(guān)執(zhí)行命令［８］。

　?。常部刂葡到y(tǒng)軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)

　　軟件設(shè)計(jì)思想采用文獻(xiàn)［８］的理念，控制系統(tǒng)感知層完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，如圖５所示。主控點(diǎn)初始化后接收網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送的數(shù)據(jù)，處理后再通過(guò)ＧＰＲＳ發(fā)送給服務(wù)中心，如圖６所示。

　?。聪到y(tǒng)測(cè)試

　?。矗保粒睿洌颍铮椋渑cＷｅｂ客戶端測(cè)試

　　農(nóng)業(yè)智慧控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)進(jìn)行，分別選?。矀€(gè)溫室進(jìn)行測(cè)試，標(biāo)記為１號(hào)溫室和２號(hào)溫室，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境如圖７所示。首先檢測(cè)系統(tǒng)需要數(shù)字展示和監(jiān)控，通過(guò)手機(jī)客戶端或者Ｗｅｂ客戶端等互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端獲取預(yù)警和監(jiān)控信息，并且通過(guò)終端控制大棚的設(shè)備工作，基于Ａｎｄｒｏｉｄｓｔｕｄｉｏ開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用Ｊａｖａ編程語(yǔ)言，手機(jī)客戶端登錄，用戶首先進(jìn)行注冊(cè)，輸入用戶名和密碼方可進(jìn)行后期相關(guān)操作。

　　當(dāng)用戶登錄后，客戶端主界面可以查看各個(gè)大棚的實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)，其中包括１號(hào)溫室和２號(hào)溫室實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的空氣溫度、濕度以及土壤溫度等數(shù)值，如圖８所示。

　?。矗部刂葡到y(tǒng)測(cè)試

　　農(nóng)業(yè)智慧控制系統(tǒng)建立之后，首先完成傳感層與協(xié)調(diào)器之間的通信測(cè)試，協(xié)調(diào)器接收采集到的數(shù)據(jù)，顯示屏幕正常顯示字符串，通信成功。然后在大棚內(nèi)進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸測(cè)試，在有效范圍７０ｍ左右系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。設(shè)置空氣溫度和濕度數(shù)據(jù)閾值，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出閾值，控制系統(tǒng)打開(kāi)空氣加濕設(shè)備或關(guān)閉加濕設(shè)備。同時(shí)，設(shè)置土壤濕度閾值，當(dāng)土壤濕度超出閾值，控制系統(tǒng)打開(kāi)或關(guān)閉水泵。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)串口通過(guò)３Ｇ／ＧＰＲＳ模塊轉(zhuǎn)換傳送到移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)客戶端數(shù)據(jù)信息顯示，Ｗｅｂ互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程終端進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)觀察，監(jiān)控并記載歷史數(shù)據(jù)，還可以修改相關(guān)的參數(shù)，Ｗｅｂ控制管理界面如圖９所示［９］。

　?。到Y(jié)束語(yǔ)

　　本系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)融入現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，采用了嵌入式技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一套智慧大棚控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)傳感層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)傳輸，應(yīng)用層負(fù)責(zé)分析數(shù)據(jù)并將結(jié)果發(fā)送給感知層來(lái)完成控制操作。同時(shí)，系統(tǒng)測(cè)試顯示，系統(tǒng)操作界面簡(jiǎn)潔明了，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)閾值范圍的設(shè)定，控制設(shè)備的開(kāi)啟與關(guān)閉，還可以讀取歷史數(shù)據(jù)，為評(píng)判近期環(huán)境提供參考，具有較高的實(shí)用性。

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　　王艷麗１，黨國(guó)剛２

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