基于物联网的智慧农业系统的设计与实现

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基于物联网技术的智慧农业系统设计

作者：李如平 吴房胜 潘晓君 程颖

来源：《科技视界》2017年第08期

【摘 要】随着我国经济与社会的快速发展，农业现代化已经影响我国整体现代化的发展步伐，急需加快发展现代化农业。高科技应用于现代农业已成为我国农业发展最根本、最关键的出路和措施。

【关键词】物联网；智慧农业；温室

随着科技的进步和各领域的产业升级，物联网应运而生。物联网等信息技术与农业的结合产生了智慧农业的应用，例如，设定好科学值，每当大棚内环境出现超出范围的变化，系统会自动提醒。在手机能进行通信的地方就能进行信息采集和控制。操作人员一手拿着智能手机就可以使用蔬菜大棚智能管理系统，操作人员在手机屏幕上轻轻一点，远方大棚内的灯光就能在瞬间全部亮了起来。通过这种智能管理平台的应用，农作物的幼苗成活率从过去的40-50%提高到目前的现在的90%以上。这正是智慧农业的一种应用场景，也是智能农业对农业生产水平提高的体现。

1 智慧农业的内涵

智慧农业目前没有标准的定义。下面列举一些学者和专家给出的他们自己对于智慧农业的理解。

在2009年的中国农村信息化年度峰会上，北京农信通公司董事长李愚对智慧农业进行了阐述。他指出智慧农业是指通过计算机、物联网等高科技的综合应用，使农业生产向精准农业、智慧农业方向发展，通过农业产业升级提高农业生产效率。

中国农业科学院农业信息研究所周国民在《浅议智慧农业》一文认为智慧农业是利用现代信息技术，与感知技术、智能控制技术结合，更加智慧提高农业系统竞争力、促进农业可持续发展，实现有效降低能耗和环保的农业发展目标。

从这些定义可以看出，与传统农业或者在农业中引入简单的信息化手段相比，智慧农业属于农业信息化的高级阶段，是物联网等信息化技术的深入应用。其内涵主要是通过智能化实施采集农业生产环境并对生产环境进行控制，对农业生产进行标准化生产，进行高效的农业生产，实现农业集约化发展，并通过智慧农业系统，为农业生产者提供信息化服务。通过智慧农业将技术应用到农业生产，从而实现农业生产的集约化管理和规模经营，将信息化技术应用到农业生产中，智能化决策系统应用到到农业生产中，使传统农业生产逐步提高到智慧农业生产阶段。

智慧农业物联网系统设计

智慧农业物联网系统是一种基于物联网技术和智能化管理理念的农业生产管理系统。该系统通过将各种传感器、设备和云平台进行连接和集成，实现对农业生产全过程的实时监控和管理，提高农业生产效率、减少资源浪费，促进农业可持续发展。

一、系统架构设计

1.传感器节点：传感器节点是系统的基础，可用于监测土壤湿度、温度、光照强度、二氧化碳浓度等农业环境参数，以及监测植物生长过程中的生长状态、病虫害情况等。传感器节点需要具备低功耗、低成本、高灵敏度和稳定性等特点。

2.物联网网关：物联网网关是传感器节点与云平台之间的桥梁，负责数据的采集和传输。物联网网关需要具备数据传输稳定、数据安全等特点，并能够支持多种通信协议，如Wi-Fi、蓝牙、LoRa等。

3.云平台：云平台是整个系统的核心，负责接收和处理传感器数据，同时提供各种数据分析、决策支持、远程控制等功能。云平台需要具备高性能、高可用性、弹性扩展等特点，同时需要考虑数据安全和隐私保护。

4. 客户端：客户端是用户与系统进行交互的界面，可以是手机App、网页等形式。客户端需要提供实时数据展示、报警通知、远程操控等功能，同时需要具备友好的用户界面和良好的用户体验。

二、系统功能设计

1.数据采集和监测：系统通过传感器节点实时采集和监测农业环境参数、作物生长状态等数据，例如土壤湿度、温度、光照强度等。 2.数据传输和存储：传感器数据通过物联网网关传输到云平台，存储在数据库中，以供后续数据分析和决策支持。

3.数据分析和决策支持：系统对采集到的数据进行分析和处理，通过数据挖掘、机器学习等技术，提供作物生长状态评估、病虫害预警、施肥和灌溉建议等决策支持。

4.远程控制和管理：系统可以通过客户端实现远程控制和管理，例如对灌溉系统、温室通风系统等设备进行远程开关和参数调整。

5. 报警通知：当系统检测到环境参数异常、作物病虫害等情况时，可以通过手机App、短信、邮件等渠道向用户发送报警通知。

长江大学学报（自科版）　２０１　６年１　０月第１３卷第２８期（理工）　・６６・　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｏｃｔ．２０１　６．Ｖｏ１．１３　Ｎｏ．２８　

［引著格式］张博文，张正炳．基于物联网的智慧农业系统设计ＥＪ］．长江大学学报（自科版），２０１　６，１３（２８）：６６～７０　

基于物联网的智慧农业系统设计　

张博文，张正炳　（长江大学电子信息学院，湖北荆州４３４０２３）　

［摘要］为解决传统农业生产率低、经营管理落后等问题，设计并实现了一种基于物联网的智慧农业系统　（ＳＡＳＩＯＴ）：采用混合网（ＺｉｇＢｅｅ和ＷｉＦｉ）实现了对农田自然条件参数的采集和农作物生长状况实时监　控，极大改善了农业生产效率与管理水平；采用基于正三角形网格的土壤温湿度传感器部署方法，使传　感器有效覆盖率达到最大。该系统具有实时采集农作物生长区块的土壤温度和湿度、环境温度和湿度、　风速等自然条件参数来监测农作物生长条件以及通过实时视频来观测和分析农作物生长状况功能，为实　施农业环境信息自动检测、对环境进行智能控制和科学管理提供有效依据，具有寞时监测、智能管理等　优点。该系统投入实际应用后，可极大改善地区农产品品质和质量、提升农业生产效率与管理水平，对　农业经济发展具有重要作用。　［关键词］物联网；智慧农业系统；混合网；正三角形网格　［中图分类号］ＴＮ９２９．５；ＴＰ３９１＿４［文献标志码］Ａ　［文章编号］１６７３　１４０９（２０１６）２８　００６６　０５　

农业是国民经济的基础，农业的发展直接关系着国家的利益和社会的稳定，以及我国在国际竞争中　

的地位。传统农业主要依靠和使用落后的生产工具和生产技术维持着简单再生产，农业生产效率低，经　营管理和生产技术较落后，抵抗自然灾害能力差，农业得不到很好的发展［１　】。智慧农业　］是指将人　

Ｔ智能技术　应用于农业领域的一项高新技术，涵盖了对农田自然条件参数的采集、利用信息处理等技　

基于物联网的智能农业控制系统设计

随着人口的快速增长和城市化率的不断提升，全球粮食供应已经成为一个严重的问题。传统的农业生产模式已经无法满足人们的需求，因此，为了提高农业生产效率和质量，智能农业技术得到了更广泛的应用。基于物联网的智能农业控制系统正是这个领域中的一个重要成果，本文将对其进行详细论述。

一、 基本概念

物联网(IoT)指的是通过物理网络将智能设备相互连接，实现设备之间信息交流的现象。基于物联网的智能农业控制系统就是指利用先进的传感器、互联网技术，帮助农民提高农业生产的效率和质量，实现更加科学化、智能化的农业生产模式。该系统通过现代化与固有的农业过程结合，实现对土壤、气候、植物生长等的监测，并通过智能决策算法，自动调整设备，完成对植物生长环境的优化。

二、 系统设计

1. 硬件部分设计

系统的硬件部分包括传感器、控制芯片以及执行机器人等。传感器的选择需要考虑对环境参数的灵敏度以及互联网传输的能力，如温度、湿度、CO2、土壤湿度和PH值等。控制芯片的选择需要考虑到整个系统运行的稳定性和效率。执行机器人是通过智能控制算法来实现对农田雾化系统、喷灌系统等进行控制，完成灌溉、施肥、杀虫等相关任务。

2. 软件部分设计

软件部分的设计需要考虑到数据采集、传输、处理和反馈等功能。首先，通过传感器将环境参数数据进行采集，并将其传输到系统的数据中心。其次，根据不同的请求和任务，通过先进的算法来对数据进行处理和反馈，并自动实现对执行机器人的控制和调整。最后，设计合适的用户界面，方便用户对系统进行监控和控制。 三、 系统的主要应用场景

1. 精准施肥控制

通过智能化的土壤湿度、光照、营养素等参数的实时监测，系统能够对植株的生长状态进行分析，并利用专业的肥料配合方案进行智能化施肥，实现精准施肥的目的。此外，系统还能够帮助农民更好地理解土地肥力和植株生长需求，进一步提高农业生产效率。

2. 智能灌溉控制

系统通过对环境参数的监测和分析，实现对植物的智能化灌溉。比如，利用大数据和智能算法，可以发现植物的生长周期，进行科学化的灌溉，同时增强农田防渗透和盐碱地治理，从而有效提高农业生产质量，节约用水，降低成本。