基于物联网的农业大棚生产环境监控系统设计

作者：天博克罗地亚  时间:2024-12-22 02:51:22

  我国是一个农业大国，但当前国内农业信息化、智能化程度的总体水平还不高。例如，复杂农业技术问题的及时处理；精细农业的种植主要是依靠技术人员常年不间断的看护与管理；其技术、成本等方面的因素导致农户和农业投资人较难进入花卉、中药和蔬菜等精细农业种植行业，或无法按照市场需求及时作出调整种植作物的种类；农业的高产量还是主要是依靠农药化肥的大量投入，大部分化肥和水资源没有被有效利用而随地弃置，导致资源浪费并造成环境污染。我国农业生产正处于传统农业向现代农业的转型时期，仍以传统生产模式为主，传统耕种凭经验施肥、灌溉，自动化水平不高，不仅浪费大量的人力、物力，也对环境保护与水土保持构成严重威胁，给农业的可持续性发展带来严峻挑战。

  近年来，随着标准化农业、智慧农业、精准农业的发展，智能感知芯片、移动嵌入式系统、传感器网络等技术在农业种植中的应用场景范围逐步扩大，物联网技术正在现代化农业中发挥着逐渐重要的作用，为实现农业生产的全天候监测、标准化种植、智能化管理，帮助农民抗灾、减灾，提高农业综合效益，促进现代农业的转型升级提供了技术支撑。精细农业的实施过程最重要的包含农田信息的获取、农田信息的管理、分析及决策的田间实施。其中，准确可靠的农田信息是精细农业实施的基础和依据，而获取农田信息的关键是数据的釆集和及时传输。

  随着科技的持续不断的发展，物联网技术已深入到所有的领域，尤其在农业领域，物联网技术的应用更是为农业生产带来了革命性的变革。本文将详细的介绍一种基于物联网的农业大棚生产环境监控系统模块设计，旨在为农业生产提供更智能化、精准化的环境监控解决方案。

  农业大棚是现代农业生产中常用的设施，通过物联网技术，我们大家可以实现对大棚内环境参数的实时监测和控制，来保证农作物的健康生长。本系统最重要的包含传感器、传输网络、控制器和执行器四个部分，通过这四个部分的有机结合，实现对大棚内环境参数的全面监控和管理。

  农业大棚生产环境监控系统的网络架构最重要的包含感知层、传输层、应用层，基本功能模块包括:农作物生产环境监控模块、野外气象站监测系统模块、控制管理系统模块及管理决策系统模块等。

  系统依托部署在农业大棚内、外的各类现场传感器节点和传输网络，实现农作物生产环境、农作物生长状况、野外气象数据等信息的智能感知、可视化管理、智能预警及智能分析，使得专家能够在远程实时查看大棚内农作物生长的温度、湿度、光照、水量等数据，判断是否为作物生长的最佳条件，为农业生产的科学种植提供指导；并可以通过手机APP、PC端管理平台，实现风机、水阀、加湿器、加热器等现场设备的远程控制操作，较大幅度地提高农业生产的实时性与便捷性。

  农作物生产环境监控模块，负责采集农业大棚内各类农作物生产的全部过程中的环境信息，采用具有自组点的ZigBee网络，作为农业大棚内各传感器采集数据的传输网络。农业大棚内各数据采集点，采用单节点ZigBee数据采集设备，每一个设备外接1个传感器，完成数据的采集工作。农作物生产环境数据采集完成后，各节点将采集到的数据，以预先定义的格式封装成帧，发送至协调器节点，由协调器通过串口将数据传输至网关工控主机，并在上位机管理软件的控制下，依据数据的帧格式，截取相应子字符串，进而获得有效字段的数据值。

  农作物生产环境监控模块，采用IP地址+套接字的方式与后端管理平台建立链接，通过以太网将采集到的农业大棚内作物生产环境数据，传输至本地监控中心及用户终端管理平台，并存储在数据中心的数据库服务器中，进而达到方便用户实时查看、统计、分析农作物生长历史信息的目的，为用户监测、管理农作物生产状态，控制相关农业生产现场设备，实现农业的科学种植提供数据参考。

  气象站监测系统模块负责采集农业大棚外，影响农作物生长的各类气象信息。考虑野外环境的特点，气象站监测系统采用风能、太阳能互补供电的模式，支持多种网络传输模块，可视为一种风、光互补供电的多网融合气象数据采集设备。

  在风光互补多网融合数据采集设备将气象数据传输至后端管理平台之前，需要先按照预定义的格式，完成数据的封装工作；管理平台的软件系统在收到数据之后，依据数据的帧格式，截取数据帧子字符串，进而获得对应字段的数据值，并将数据存储在数据库服务器中。多网融合气象数据采集设备的数据帧格式。

  农业大棚现场的控制管理系统模块，可以依据采集的环境数据，实现农业大棚的通风、光照、加湿及节水灌溉等现场设备控制操作。系统支持手动、自动两种控制模式，支持手机APP与PC端的远程访问。用户能通过手机端APP或PC端管理系统，查看农作物生产环境的实时数据，完成相应现场设备的控制操作。

  农业大棚内被控设备的种类多样，且同种类型的设备数量较多，根据用户的不同需求，控制系统模块采用了手动、自动两种控制模式。当用户选择手动控制模式时，系统能够依据被控设备类型、编号等字段信息，实时响应控制操作。当用户选择自动控制模式时，系统将依据预设阈值判断，实现现场设备开关的自动控制操作。此外，控制系统模块还能根据用户的不同功能需求，实时、定时地返回设备运行的状态数据帧，供用户查看设备运行状态。

  农业大棚生产环境监控系统为农业专家搭建了在线分析、诊断平台，使得农业专家在远程可以实时查看园区内的各种数据(温度、湿度、光照、气象信息等)，判断是否为农作物生长的最佳条件，为农业生产提供科学的种植指导。管理决策系统模块是农业大棚生产环境监控系统的大脑和神经中枢，负责协调整个系统的各项工作，以及收集、分析和处理各个模块的数据。管理决策系统模块由终端数据管理系统和数据分析管理系统组成。

  终端数据管理系统负责农业大棚内，各类农作物生产信息的采集，控制大棚内风机、水阀、加湿器、加热器等农业现场设备的启动、关闭等操作。用户可以在农业生产现场通过手机APP，直接访问本地终端数据管理系统，查看棚内农作物生长的实时数据信息，完成棚内现场设备的控制操作。

  数据分析管理系统对采集到的数据进行统一查询管理，对现场设备进行远程控制；支持农业专家在线完成种植指导；采用大数据技术，对影响农作物产量的气候因子进行相关性分析，并进行预测和综合评价，以指导农业生产。

  系统对园区内农业大棚生产过程监控、环境体系综合管理提供服务。系统由感知层、传输层、数据存储中心及应用层等部分构成。感知层依靠部署在园区的传感器节点采集农业大棚内的农作物生产信息，以及园区野外的温度、湿度、光照、二氧化碳、PM2．5、PM10等环境、气象数据。数据可以通过ZigBee、LoＲaWAN、WiFi、NB－IOT、4G以太网等组成的传输层网络，送至部署有Oracle/MySQL数据库平台的数据存储中心，并通过应用层的管理决策系统软件，实现数据的解析、监测、存储、统计及分析等功能。

  随着物联网技术的持续不断的发展，农业大棚生产环境监控系统将会慢慢的智能化、精准化。未来，我们大家可以通过更加先进的传感器技术、云计算技术和人工智能技术，实现更全面、精细的环境监控和管理，为农业生产提供更高效、可靠的解决方案。同时，我们也需要加强系统的安全性和稳定能力，确保系统的正常运行和数据的安全性。总之，基于物联网的农业大棚生产环境监控系统模块设计是一项具备极其重大意义的课题，它为农业生产带来了革命性的变革，为未来的农业发展提供了新的机遇和挑战。

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