基于物聯網的智慧農業智能溫室控制系統

郗艷華　張娜　張芊睿

關鍵詞：物聯網；智慧農業；溫室控制系統

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）03-0008-03

0 引言

隨著社會和科技的進步，物聯網技術、大數據、人工智能、云計算等信息技術在農業領域的應用越來越廣泛。農業作為支撐我國國民經濟建設與發展的基礎性產業，目前處于向智慧農業轉型期[1]。由于可以實時、精確監測溫室內的環境參數并進行智能化調控，物聯網技術在農業信息化和智能農業領域有著卓越的技術優勢， 是智慧農業發展的動力[2-3]。本文設計一種智慧農業智能溫室控制系統，應用物聯網技術實現對農作物從種植到收獲的各生長階段進行監測和智能化管控，提高農作物的生產效率，實現農作物生產的優質、高產。

1 物聯網與智慧農業

1.1 物聯網

物聯網是指通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、GPS、攝像頭等各種傳感器設備，按既定的協議，將相關的對象與互聯網相連接，進行對象信息共享，以實現目標的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種新型網絡[4]。物聯網是物物相連的互聯網，實現物與物、物與人、所有物品與網絡的連接，方便識別、管理與控制。物聯網的核心和基礎是互聯網[5，6]。通過無線傳感網絡技術，把環境監測設備和控制設備用物聯網連接起來，可以實現對溫室環境信息的智能監測、控制以及管理，對于改善農作物的生長環境起到十分重要的作用。目前物聯網技術已涉及人們日常生活的許多領域。

1.2 智慧農業

智慧農業是指將現代計算機與信息技術應用于農業生產過程中的現代化農業生產模式，是農業生產發展的高級階段。它是綜合應用互聯網、移動互聯網、云計算、物聯網、智能控制、智能決策、精準農業、衛星遙感等現代信息技術，依托部署在農業生產現場的各種傳感器（如溫濕度傳感器、土壤水分、二氧化碳濃度和光照強度等傳感器）和無線通信網絡實現農業生產環境的感知、分析、預警、決策及專家在線指導，為農業生產提供可視化管理及智能化決策[7-11]。

2 系統總體結構

空氣溫濕度、光照強度、土壤干濕度和二氧化碳濃度等環境因素對作物生長起著非常重要的作用。本研究基于物聯網技術構建了由物理感知層、網絡層和應用層構成的3層結構的智慧農業的溫室智能控制系統。該系統結合傳感器設備、無線傳輸網絡、物聯網、云平臺和手機App等，通過對溫室環境參數實時采集、監測分析、決策管理和執行模塊的遠程控制來調節溫室環境，實現農作物的高質高產。系統結構如圖1所示。

感知層：負責溫室環境信息采集與執行模塊的控制，作為溫室控制系統的基礎層，由環境信息采集模塊和執行模塊組成。環境信息采集模塊由各類傳感器和攝像機組成，主要用于采集植物生長環境信息和監測溫室環境狀況，并通過通信網絡層上傳給平臺；執行機構通過接收上層下發的控制命令，控制執行機構實現對溫室環境的調節。

網絡層：主要負責信息穩定可靠的傳遞與交換，是數據信息交互的承載體，主要由有線和無線的通信網絡或傳感網組成。接收感知層采集的數據信息進行分析處理，通過通信網絡或傳輸網絡將其上傳到應用層，同時將從應用層接收到的控制命令下發，驅動感知層中執行機構來調節溫室環境。

應用層：主要負責信息處理與決策，是物聯網和用戶的窗口，一般由云平臺、控制平臺、PC機和手機App組成。經過網絡層對信息分析處理后，通過云平臺再次分析處理后信息將會上傳并保存。用戶可根據需要，通過手機App、PC機控制端在云端儲存或導出查看，還可進行信息搜索、信息展示、決策管理與指令發送，實現對溫室環境數據和終端設備實時監測、遠程監控、信息管理和可控設備管理等。

3 系統各個模塊和功能

該系統將物聯網、云平臺、無線傳感器和智能控制等技術綜合應用，用戶通過手機或計算機可遠程調控作物生長環境，實現農作物高質高產的效果。其可實現數據的實時檢測、采集顯示、歷史數據查詢及參數設置功能、監測功能、設備調控和視頻監控等功能。

3.1 信息采集和監測模塊

以ZigBee、Wi-Fi或藍牙等技術為基礎構建無線傳感器網絡，完成對溫室內各監測點中空氣溫濕度、光照強度、土壤干濕度、二氧化碳濃度、風速風向等環境信息采集，采集數據被送給物聯網遠程服務器終端后進行分析和存儲。當采集信息超過其控制范圍時，將發出預警信號并將其信息實時顯示在控制面板、電腦端界面和手機App上，此時用戶可以根據需要使用現場控制功能，也可以使用控制端或手機App進行遠程控制來實現對溫室內環境的智能化控制和信息監測，存儲的數據可用于歷史數據信息的查詢。

3.2 信息分析及決策模塊

該模塊通過對空氣溫濕度、土壤的干濕度、二氧化碳濃度和光照度等溫室內作物生長環境信息的監測后，一方面會將數據傳輸到研究中心進行處理來制定控制終端設備運行規則，通過這些規則條件約束來實現設備的管理；另一方面這些數據會組成溫室內作物生長情況監測、異常生長預測警報和決策支持的數據來源。通過分析處理這些數據可以獲得作物生長環境信息的實時變動、最優生長參數設定值范圍，預測作物生長趨勢，也可以進行病蟲害預警等。這些數據會形成溫室信息處理專家庫，通過該專家庫中數據可直觀性地掌握溫室中作物的生長情況，準確判斷作物的生長特征，達到作物的高質高產。

3.3 執行模塊

系統通過執行模塊可實現環境信息的調節。執行模塊一般由遮陽簾、加熱器、補光燈、換氣扇、灌溉設備和警報器等組成。系統依據作物類別與環境參數的研究，構建作物生長環境參數模型，確定不同作物的最佳溫濕度、光照強度和土壤濕度等參數信息。一旦環境參數超過其最佳參數范圍，系統將會提醒。這時用戶將依照系統警示，通過手動或自動模式驅動對應執行設備進行工作，以使環境參數回歸最佳值。一般來講，溫室環境信息的調節是根據參數的特點，由多種執行設備分別控制實現調節，同時還要考慮季節等其他因素，需要根據實際情況進行綜合考慮。如表1所示[12]。

可以看出，某個環境參數會和多種環境因素有關，因此信息分析系統會進行綜合分析控制執行機構來實現環境調節。例如溫度調控將通過通風窗、保溫設備、濕簾風機以及加熱系統的調控來實現，同時也會參考季節和溫室內、外溫度的情況進行綜合控制。

3.4 視頻監測和病蟲害監測模塊

為了對溫室中作物的生長狀態與各種設備的運行情況進行全面了解，一般可以通過安裝攝像機來實現監控與檢測。攝像機能實時捕獲溫室內作物生長狀況，并將溫室內部的畫面傳輸給控制中心進行分析處理。管理人員、農業專家和用戶利用攝像機可以近距離查看作物生長情況，同時溫室內的視頻、圖片等信息傳輸給物聯網服務器中心，通過相關算法對作物葉片病蟲害識別。如果一旦發現有病蟲害，將會啟動執行模塊進行病蟲害的防治和消殺。而且基于視頻監測平臺，配合數據管理系統，農業專家也可以遠程查看溫室內的各種數據（溫度、濕度、光照、水量、作物生長視頻記錄），實時查看作物病蟲害情況，實現專家在線指導診斷。

3.5 監控平臺模塊

1） 數據分析、匯總和專家數據庫建立。系統在工作過程中將自動保存采集的數據，并依據相關的算法對數據進行分析和處理。因此用戶可在操作界面查看歷史數據，可以比較同一作物在不同種植環境中的生長情況，分析空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度等種植環境因素對作物生長和產量的影響，形成作物低成本種植、高產、高質的科學規律。并通過總結、匯總的規律可以建立作物品種選擇、生長狀況、病蟲害診斷和作物知識查詢的專家數據庫，用戶可以隨時查詢作物種植技術，實時診斷各種作物狀況，實時解決作物問題，提高作物產量。

2） 分析預警和控制。當系統不斷進行溫室環境數據采集、分析和處理時，也在自動完成數據分析、預警和自動控制功能。當采集的環境數據超過或低于報警值時，系統將會進行報警，并自動開啟或關閉指定設備，以調節溫室內部環境，如果出現特別情況時，將會通過手機App提醒用戶進行診斷。系統設置有手動控制和自動控制2種控制功能模式。手動控制模式需使用控制平臺、手機App或者PC端等進行的遠程控制，系統會根據控制信息利用繼電器等控制執行模塊。自動控制模式是系統根據采集到溫室的環境參數，通過進行數據分析和處理后，自動控制執行模塊實現溫度控制、補光和滴灌等功能，遠程進行溫室內環境參數調控，使作物能生長在最佳環境中。

3） 管理功能。該系統管理功能包括實現用戶登錄以及相關權限的管理、環境信息采集與查詢、信息傳輸、監控監測、數據管理以及系統參數管理等。其中，用戶權限管理包括管理員用戶和普通用戶權限，管理員用戶負責整個系統的管理、溫室參數的控制和系統維護，具有較高權限；普通用戶僅具有對溫室狀態和數據的查詢權限。環境信息采集與查詢的主要功能是將感知層的采集數據進行查詢并儲存，用戶可以查詢環境參數歷史數據和分析信息；監控檢測模塊功能為對溫室環境參數檢測和溫室內部各執行模塊工作情況的監控；數據管理模塊的功能為對溫室環境信息的收集、分析和處理。

4 結束語

本文構建了基于物聯網技術的智慧農業智能控制系統，給出了其基本框架結構，并對系統各個模塊及其功能進行了詳細分析。該系統可對溫室內環境信息檢測與查詢、信息傳輸和分析、視頻監控、數據管理以及系統參數管理，由檢測數據形成專家庫，實現農作物整個種植、生長過程各個階段情況的預測、監測、調控和視頻檢測和病蟲害預警等，實現農作物的優質高產，產生非常好的經濟效益與社會效應。該系統經過適當改造也可應用于動植物養殖等方面，同時在智能交通、智能醫療、智能家居等行業均有非常重要的借鑒作用。

【通聯編輯：唐一東】