智慧农业温室大棚系统研究

赵东杰 叶开勉 温富道 代青红 高国丽

（吉林农业科技学院 吉林吉林 132101）

随着现代农业科技的不断进步，智慧农业温室大棚逐渐成为现代化农业的重要组成部分。智慧农业温室大棚是通过信息化技术为温室大棚生产把控最合适的温度、湿度、光照度、水肥等环境条件。智慧农业温室大棚系统的开发是集集约化生产、智能化远程控制、精细化调节、科学化管理、数据化分析和扁平化经营于一体的农业高阶发展阶段的主要措施。

1 智慧农业现状

我国是农业大国但不是农业强国，是因为我国农业的发展受到了严重的限制，主要是由于人口基数大导致人均耕地资源相对不足，且耕地分布较为分散，无法实现大范围机械化耕种，也间接导致农业经济发展缓慢。因此规模化和标准化生产是当前农业发展的主要目标，智慧农业是未来农业的发展方向[1]。

步入信息化时代，中国在各大智能领域先后取得了重大突破，尤其在互联网领域突破了技术封锁和技术限制。在这样的科研背景下，中国智慧农业有着极大的发展动力。诸如荷兰、美国等国家在智能温室大棚领域已经取得了巨大突破，研究成果相对成熟，我国在对国外智慧农业温室大棚系统科学技术进行引进与学习的同时，也开辟了在新农业领域的重要研究方向。

目前我国的智慧农业温室大棚系统大多从国外引进，但国外的智慧农业温室大棚系统环境设定并不完全适用于我国的农业环境。而我国传统温室大棚内部环境参数调节设备多数通过手动按钮现场控制，科技水平较低，使得传统智慧农业温室大棚系统获取数据的精确度低、系统抗干扰能力差，成为农业增产丰收、农民提高收入的障碍[2]。所以，研发一套适合我国农业发展现状的智慧农业温室大棚系统对我国农业的生产和发展有着非常重要的意义。

2 智慧农业温室大棚的系统架构

系统的设计主要是针对智慧农业温室大棚内的测控系统、微型控制器系统、传感器以及各个设备之间的通信采集来进行的[3]。构建智慧农业远程监控系统的核心目的是通过分布在大棚内的各种传感器模块采集环境参数，然后利用无线通信网络进行数据的传输与汇聚，将数据有效地发送到服务器端，使得用户可以通过可视化界面进行在线监控和管理，实现更好的监测和管理。

智慧农业温室大棚系统主要实现的功能是对棚内影响农作物生长的环境参数的采集功能，并实现大棚内各区采集节点的无线通信组网的数据传输。

3 系统功能模块设计

数据采集功能模块的作用主要是对数据采集传感器的感知节点构建、获取数据模式、监控大棚内温湿度变化、传送数据的解析与存储等。要实现对农作物生长环境以及生长信息的自动感知，首先必须配备无线传感器节点并完成对其的构建，包括对节点的软硬件设计，然后通过分布在棚内的各类传感器来监测植物生长环境的信息，主要采集大棚内CO2浓度、空气温湿度、光照强度、土壤温湿度等参数。获取数据的采集模式是通过路由设备配备无线传感传输系统的主动采集模式。传送数据的解析与储存是借助传感器将数据在ZigBee 网络中通过特定的编码方式进行，最后处理器接收到具有特定编码格式的数据之后，再将这些编码进行保存，保存前需要将数据编码进行解析[4]。

4 模块功能及应用

4.1 网关模块

网关（Gateway）又称网间连接器、协议转换器，是连接两个不同协议网络端的设备。在智能温室大棚中主要用于温室大棚内部多种传感器采集的数据数字化后传输过程中的信息交互，实现互联网的互联互通，通过网络协议相互连接。

4.2 监控系统

利用传感器和无线网络获取大棚内部CO2浓度、空气温湿度、光照强度、土壤温湿度等参数。并根据以上环境因素的信息反馈，对温室大棚待定电机进行驱动，实现洒水、施肥、喷药、遮阳板的开关等动作，从而实现对温室内环境的监控。

4.3 4G 通信模块

4G LTE 是TD-LTE 和FDD-LTE 等LTE 网络制式的统称，具有通信速度快、网络频谱宽、通信灵活等特点[5]。4G 模块是指硬件将射频、基带集成在一块PCB 小板上，实现无线接收、发射、基带信号处理功能。软件支持语音拨号、短信收发、拨号联网等功能[6]。无线通信选取4G 模块作为主要的通信手段，是由于其通信速度快，使用灵活方便，不会受地点、环境等客观因素的影响，兼容性高。将4G 通信模块安装在嵌入式控制板上作为数据传输模块，可以实现远程数据传输、远程控制等功能。

4.4 传感器组的选择安装及应用

传感器大多由敏感元件、转化元件、辅助电源和变换电路组成。在智慧农业温室大棚系统设计中，了解传感器的特性以及如何安装传感器是获取温室大棚中的实时数据参数必不可少的一步。每一类传感器的安装由其作用决定，其监测的数据参数影响着整个温室大棚的运作和植物的生长，传感器的安装位置也决定着监测结果的准确性，数据失真所造成的后果十分严重，因此对不同种类传感器的选择和安装要慎重考虑。

4.4.1 CO2传感器

在智慧农业温室大棚中，实时监测CO2浓度很有必要。CO2传感器是农业温室大棚中负责监测空气中CO2浓度的传感器。CO2不仅影响植物的呼吸作用还影响植物的光合作用，因此安装CO2传感器很有必要。由于空气流动性较大，所以只需要安装1 个～2 个CO2传感器即可。安装CO2传感器时，还要考虑经济、便捷、准确、高效等因素[7]。

MH-Z14A 红外CO2传感器依靠O2，通过红外吸收室内气体的方法监测空气中的CO2，不需要经常调试校准，而且使用寿命长，外部接入辅助电路即可成为CO2传感器模块，很适合用于温室大棚内部CO2浓度数据的采集。

4.4.2 空气温湿度传感器

智慧农业温室大棚中的空气温湿度对植物生长的影响很大，有时需要对空气中的温湿度进行一定调整，所以需要安装空气温湿度传感器，监测大棚内温湿度的变化。这类传感器需要安装在大棚中部的位置，不能过高和过低，还要根据实际作物种类来进行调整。

DHT22 温湿度传感器可以输出数字信号，与DHT11 温湿度传感器相比具有更高的精度和更大的量程，而且体积小，方便使用，与一个单片机和外围电路相连就能用于采集智慧农业温室大棚内的温湿度数据。

4.4.3 土壤温湿度传感器

种植作物需要土壤，土壤的温湿度对植物根部的水分吸收有影响，因此监测和调整土壤的温湿度也尤为重要。要监测土壤的温湿度，需要将土壤温湿度传感器安装在植物根部附近的土壤中，一般安装3 个～4 个即可。根据传感器监测到的数据，管理者可以及时对土壤进行适量的灌溉作业。

Yl-69 型土壤温湿度传感器具有使用简单、使用寿命长、能与土壤长时间接触、外围电路设计简便等特点，能与STM32 单片机配合使用，准确监测土壤温湿度数据，能满足监测多种作物的种植土壤温湿度的需求。

4.4.4 光照传感器

为了使植物更好地进行光合作用，充分利用光能，需要获得光照强度的数据，并根据当天的光照强度，来决定是否需要用补光灯进行补光。而光照传感器安装的位置应与植物的高度一致，根据不同位置，应安装多个光照传感器。

温室大棚中一般选择BH1750 光照传感器，其具有很高的分辨率，监测的光照强度范围广，在温室大棚中可以充分发挥作用。

5 电机及其拖动控制

智慧农业温室大棚内部的数据监测结果经过汇总分析与预期值进行比较，进而可通过控制器输出端对温室大棚内外的拖动电机进行控制，实现拉幕遮阳、灌溉、喷洒、施肥等工作。例如，当大棚内部光照强度过高时，经过光照传感器的监测，并将数据通过互联网传入控制端，通过数据对比，控制器能对光照强度过高区域的电机发出指令，电机拖动拉幕以减少智慧农业温室大棚周围的光线射入。对电机的控制还要重点考虑电机的转速控制，主要体现在灌溉和药物喷洒等方面，需要能够根据作物种类、所需药物或水的剂量、喷施面积的大小进行灌溉或者喷洒。

6 结语

本文叙述了互联网技术在智慧农业温室大棚中的重要应用，基于互联网技术和现代农业的发展，利用软件设计和硬件设备相结合，设计出可以监测温室大棚内部CO2浓度、空气温湿度、土壤温湿度、光照强度等环境数据的智能温室大棚控制系统，一定程度解决了目前智慧农业温室大棚领域系统监测精度不足、控制操作烦琐等问题。提供了在选择和安装传感器方面的建议，为后续调试提供了参考。其中对于安装传感器的数量以及安放位置的选择，可以降低成本，提高测量精度。通过4G 网络通信，可实时数字化监测智慧农业温室大棚内环境变化，降低了人工成本，提高了监测精度。