基于農業(yè)物聯(lián)網技術的智能溫室系統(tǒng)實現(xiàn)_任玲.pdf

南方論壇 South Forum 2022 年 2 月上 5 基于農業(yè)物聯(lián)網技術的智能溫室系統(tǒng)實現(xiàn) 任 玲 夏 俊 翟旭軍 劉政委 戚玉強 江蘇農牧科技職業(yè)學院農業(yè)工程學院 江蘇 泰州 225300 摘 要 農業(yè)物聯(lián)網技術應用到農業(yè)管理中能夠實現(xiàn)農業(yè)數字化和精準化 達到增產增效的目的 通過分析溫室大棚監(jiān)控的 指標提出基于農業(yè)物聯(lián)網的智能溫室標準架構方案 感知控制層由無線傳感器模塊檢測土壤水分 環(huán)境溫濕度和光照度 利 用數據融合的相關知識 并提出無跡卡爾曼 UKF 算法用于感知數據的處理 啟動滴灌 噴灌 補光或通風等控制設備 網 絡傳輸層以AVR單片機ATMEGA328P構成的Arduino板為控制核心 采用ESP8266 WIFI模塊支持數據傳輸和數據同步 建 立了系統(tǒng)層間數據樞紐 終端應用層采用可視化的TLINK物聯(lián)網平臺 可在任何時間和地點查看環(huán)境監(jiān)測數據 同時根據平 臺監(jiān)測到的數據 手動或自動啟動設備 仿真結果表明 本系統(tǒng)成本低 卻具有較高的自動化水平 對進一步提高我國農業(yè) 種植向智能化方向發(fā)展具有指導意義 關鍵詞 農業(yè)物聯(lián)網 智能溫室 感知控制 網絡傳輸 終端應用 中圖分類號 S126 文獻標志碼 A DOI 10 3969 j issn 1672 3872 2022 03 002 Implementation of Intelligent Greenhouse System Based on Agricultural Internet of Things Ren Ling Xia Jun Zhai Xujun Liu Zhengwei Qi Yuqiang Jiangsu Agri animal Husbandry Vocational College Department of Agricultural Engineering Jiangsu Taizhou 225300 Abstract The application of Agricultural Internet of things technology to agricultural management can achieve the goal of agricultural digitization and precision and increase production and efficiency Through the analysis of greenhouse monitoring indicators the author puts forward the standard architecture scheme of Intelligent Greenhouse Based on Agricultural Internet of Things Arduino board composed of AVR single chip ATMEGA328P is used as the control core The sensing control layer detects soil moisture environmental temperature and humidity and illumination by wireless sensor module The related knowledge of data fusion is utilized and the Unscented Kalman Filter UKF algorithm is proposed for sensing data processing At the same time according to the data monitored by the platform the control equipment such as drip irrigation sprinkler irrigation light supplement or ventilation is started ESP8266 WIFI module is used in the network transport layer to support data transmission and data synchronization and an inter layer data hub is established The terminal application layer adopts the visual TLINK Internet of Things platform which can view environmental monitoring data at any time and place and manually or automatically start the device according to the data monitored by the platform The simulation results show that the system has low cost and high automation which has guiding significance to further improve the development of agricultural planting in the direction of intelligent Keywords agricultural Internet of Things intelligent greenhouse the sensing control the network transport the terminal application 0 引言 中國是一個人口大國和農業(yè)大國 隨著生活水 平的提高 人們對農產品質量和數量需求也越來越 大 此時 傳統(tǒng)農業(yè)生產模式難以滿足不斷增長的需 求 溫室大棚系統(tǒng)應運而生 傳統(tǒng)溫室大棚內環(huán)境 調控系統(tǒng)多采用人工實地檢測環(huán)境參數和啟動控制 設備調控環(huán)境 這存在局限性 消耗人力和物力 此 外 受主觀因素限制 測量結果難免存在誤差 新興 的物聯(lián)網技術為溫室大棚內環(huán)境調控提供了一個嶄 新的思路 1 將物聯(lián)網技術應用到溫室大棚內 能夠 進行彼此間信息交互 共享 會使農業(yè)生產生活發(fā)生 革命性轉變 對于提高農作物質量和產量 2 3 增 加 基金項目 2021年江蘇省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)一般項目 202100040 作者簡介 任 玲 1980 女 新疆呼圖壁人 碩士 副教授 研究方向為農業(yè)智能控制 通信作者 翟旭軍 1971 男 江蘇泰州人 碩士 教授 研究方向為機械工程 南方論壇 South Forum 2022 年 2 月上 6 農業(yè)經濟效益具有非常重要的意義 1 農業(yè)物聯(lián)網智能溫室系統(tǒng)總體架構設計 基于農業(yè)物聯(lián)網技術的智能溫室系統(tǒng)整體結構 分為感知控制層 網絡傳輸層和終端應用層 4 如 圖 1 所示 感知控制層是農業(yè)物聯(lián)網體系的基礎 主要 功能是收集各個節(jié)點信息 然后將信息通過網絡匯集 到數據中心 這里采用 Zigbee 無線網絡進行統(tǒng)一分析 處理 為了提升數據傳輸的高效性 在數據傳輸過程 中往往需要用到數據融合技術 對溫室現(xiàn)場執(zhí)行器 進行控制 網絡傳輸層利用一個良好穩(wěn)定的網絡傳 輸系統(tǒng)實現(xiàn)數據傳輸和同步 以及控制命令的下達 本層可以采用多種方式接入互聯(lián)網 當前無線傳輸 技術發(fā)展突飛猛進 可使用 Bluetooth RFID WIFI Zigbee 等 本系統(tǒng)采用 WIFI 進行信號傳輸 通過終 端應用層用戶可對溫室環(huán)境進行監(jiān)測和對溫室設備 進行遠程控制 圖 1 智能溫室農業(yè)物聯(lián)網架構方案 2 感知控制層硬件設計 感知控制層幫助用戶在傳感網絡覆蓋區(qū)協(xié)作地 感知 采集 處理和傳輸植物養(yǎng)護環(huán)境和可控設備 狀態(tài)信息 由數據采集節(jié)點模塊 終端執(zhí)行器模塊 Zigbee 網關和電源模塊組成 2 1 Zigbee網關設計 Zigbee 的功能框圖如圖 2 所示 包括微控制器 MCU 電源管理模塊 設備狀態(tài)控制模塊和通信 接口模塊 微控制器選用資源豐富的 AVR 單片機 ATMEGA328P 芯片構成的 Arduino UNO R3 控制板 使用它的 UART 連接 ESP8266 WIFI 模塊 完成與數 據采集節(jié)點模塊 上層系統(tǒng)的通信 執(zhí)行器控制采用 繼電器組實現(xiàn) 為保證執(zhí)行器控制準確 控制板將當 前設備狀態(tài)與預設控制狀態(tài)進行比對來控制現(xiàn)場設 備 若有故障發(fā)生會及時報警 圖 2 中央控制板功能框圖 2 2 數據采集節(jié)點設計 數據采集模塊連接數據信息和 Zigbee 網關 把 設施大棚內的環(huán)境監(jiān)控信息實時傳輸給 Zigbee 網 關 Zigbee 技術是一種功耗低 數據速率低 成本 低 可靠性高 組網方式靈活 高安全性的雙向無線 通信技術 5 7 其基礎是 IEEE 802 15 4 國際標準協(xié) 議 無線傳感器采集大棚內的溫濕度 光照度和土 壤水分參數 每個傳感器節(jié)點都使用了 CC2530F256 作為控制核心 所用傳感器類型和性能參數如表 1 所示 數據采集節(jié)點由無線通信模塊 傳感器接口 模塊和電源模塊組成 電源模塊可以用蓄電池 市 電 太陽能供電 大大提升了運作效率 數據采集節(jié) 點結構如圖 3 所示 表 1 傳感器類型和性能參數 名稱 型號 性能參數 溫濕度傳 感器 SHT11 可測溫度范圍 40 123 精度 0 4 分辨率為 0 01 12 位 可測濕度范圍 0 100 RH 精度 3 RH 分辨率為 0 05 RH 光照度傳 感器 BH1750FVI 量程為 1 lx 65 535 lx 分辨率為 1 lx H 分辨率模式 土壤水分 傳感器 TPSAR SM 量程 0 100 分辨率 0 1 準確度 2 圖 3 數據采集節(jié)點結構南方論壇 South Forum 2022 年 2 月上 7 2 3 終端執(zhí)行器節(jié)點設計 本系統(tǒng)農業(yè)設備指的是通風風機 補光燈 滴灌 設備和噴灌設備 通過四路 220 V 的繼電器控制設備 啟停 實現(xiàn)設施大棚智能管理 系統(tǒng)采用終端控制節(jié) 點方式全天對大棚內的機電設備進行遠程智能檢測 確保大棚內土壤水分 環(huán)境溫濕度 環(huán)境光照度等指 標合理化 ULN2003 多用于驅動繼電器 步進電機 等大功率 大電流器件 作為驅動器驅動四路繼電 器 終端執(zhí)行器節(jié)點電路如圖 4 所示 圖 4 終端執(zhí)行器硬件電路 3 網絡傳輸和終端應用設計 系統(tǒng)傳輸信息的網絡層由 Zigbee 網關和 5G 移 動網絡組成 Zigbee 移動網絡通信模塊負責接收感 知層發(fā)送的數據 并將其通過 5G 網絡轉發(fā)到終端應 用平臺 終端應用平臺選用的是 TLINK 物聯(lián)網云服 務平臺 負責監(jiān)測數據狀態(tài)并發(fā)送指令到控制中心 Arduino UNO R3 應用終端和 ESP8266 網絡通信模 塊連接到同一個 WIFI 下 應用終端通過網絡的調試 助手發(fā)送和接收數據 ESP8266 WIFI 模塊的 TX 和 RX 引腳與 Arduino 的 PD2 和 PD3 引腳相連 終端應 用層采用 TLINK 物聯(lián)網平臺實現(xiàn)遠程監(jiān)控 農業(yè)管 理者和研究人員可以在任何時間 任何地點查看所采 集的農情信息 4 系統(tǒng)數據融合處理 4 1 數據融合的定義 監(jiān)測系統(tǒng)的數據融合技術是指多傳感器按時序 檢測到海量信息 按照一定的規(guī)則或協(xié)議采用計算機 算法技術進行分析 綜合 消除多信息之間可能存在 的冗余和矛盾 8 9 以完成所需的決策和評估任務而 進行的信息處理技術 農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數據融 合是指各類傳感設備采集的環(huán)境數據在一定時間內 變 化不大 非常穩(wěn)定 若采用均勻間隔周期進行數據 采集傳輸 就會造成采集到的數據存在冗余現(xiàn)象 10 11 并且數據傳輸過程存在能量消耗大的問題 為了降 低傳感器網絡傳輸能量消耗 使傳感器節(jié)點獲得更加 準確的數據 提出無跡卡爾曼濾波 UKF 融合算法 節(jié)點感知數據仍是等間隔采集存儲 但是經過算法分 析剔除后發(fā)送的數據包是非等間隔發(fā)送 4 2 UKF融合算法 UKF 算法是基于無跡卡爾曼濾波的數據融合算 法 該算法將感知節(jié)點按均勻時序采集到的原始數據 緩存 然后對采集的 n 個數據進行整體分析 用這些 樣本數據點表示高斯密度近似狀態(tài)的概率密度 用一 系列確定的數據逼近狀態(tài)的后驗概率密度 分析判斷 過程中是否有冗余數據 保留滿足要求的有效數據 算法實現(xiàn)過程如下 對于不同時刻 k 由具有高斯白噪聲 w k 的隨機變 量 x 和具有高斯白噪聲 v k 的觀測變量 y 構成的非線性 狀態(tài)方程和測量方程如下 1 式中 f 是非線性狀態(tài)方程函數 g 是非線性測量方程 函數 設 w k v k 具有協(xié)方差陣 隨機變量 x 在不同時刻 k 的 UKF 算法基本步驟 如下 步驟 1 初始化 計算均值 和方差 P 2 步驟 2 1 計算 2n 1 個 sigma 點 這里的 n 指的 是狀態(tài)的維數 3 式中 矩陣方根的第 i 列 2 計算這些采樣點相應的權值 南方論壇 South Forum 2022 年 2 月上 8 4 式中 下標 m 為均值 c 為協(xié)方差 上標為第幾個 采樣點 為比例因子 一般取 0 1 是用來融入隨 機變量 x 的驗前信息 是一個非負的權系數 參數 2 n n 是一個縮放比例參數 一般為 3 n 或 0 步驟 3 將 sigma 點集向后傳遞 進行加權處理 得到狀態(tài)變量和協(xié)方差的先驗估計值 5 根據先驗估計值 使用無跡變換得到新的 sigma 點集 6 對新的 sigma 點集向后傳遞 通過加權求和得到 系統(tǒng)預測的均值及協(xié)方差 7 步驟 4 計算系統(tǒng)的狀態(tài)和協(xié)方差更新 8 其中 K k 1 基于無跡 UKF 的算法流程如圖 5 所示 5 軟件設計 智能溫室系統(tǒng)的軟件設計由感知控制節(jié)點 服 務器和客戶端軟件設計三部分組成 客戶端程序負 責顯示植物養(yǎng)護環(huán)境參數 歷史數據記錄及養(yǎng)護設施 管理 網絡通信端程序負責對感知層采集的數據進行 傳輸并控制設備狀態(tài)信息的傳輸 感知控制節(jié)點負責 采集傳輸植物養(yǎng)護環(huán)境參數和田間設備狀態(tài)信息 控 制養(yǎng)護設備的啟停 5 1 感知控制層軟件設計 感知控制節(jié)點上電后 12 首先進行系統(tǒng)初始化 然后周期性地采集植物養(yǎng)護環(huán)境信息并存儲 同時周 期性地輪詢是否有控制執(zhí)行器的指令信息 若有則 發(fā)送控制指令給繼電器 否則繼續(xù)偵聽信道 設計流 程如圖 6 所示 圖 6 感知節(jié)點程序功能流程圖 5 1 1數據采集模塊程序設計 Arduino 編程語言是由 C 語言改進的 在 A r d u i n o 圖 5 UKF 算法流程圖南方論壇 South Forum 2022 年 2 月上 9 IDE 中導入各傳感器模塊所需的庫文件后即可對整 個傳感器系統(tǒng)進行編程 環(huán)境溫濕度 光照度和土 壤水分傳感器采集到的信息通過 Zigbee 模塊傳輸至 Arduino 控制模塊 感知模塊硬件部分由多個傳感 器構成 因此在編寫感知節(jié)點 Arduino 代碼時需要 充分考慮各傳感器之間的關系 包括傳感器采集數 據的順序與傳感器之間的協(xié)同性 具體流程如圖 7 所示 圖 7 數據采集模塊程序流程圖 5 1 2控制模塊程序設計 控制程序在本系統(tǒng)主要指繼電器控制滴灌 噴 灌 補光和通風 用戶通過點擊客戶端對應按鈕發(fā)送 控制指令 指令經過層層下發(fā) 下達到終端節(jié)點控制 繼電器啟停 控制繼電器打開流程圖如圖 8 所示 圖 8 控制模塊流程圖 5 2 網絡通信程序設計 網絡通信選用 WIFI ESP8266 模塊進行無線 通信 WIFI 模塊和手機端使用的是 TCP 通信協(xié)議 Socket 通信方式 將傳感器節(jié)點收集的感知數據 通過 ESP8266 發(fā)送給服務器 實現(xiàn)無線傳感網絡 與 Internet 網絡的連接 同時 應用程序通過使用 Socket 方式向網絡發(fā)出指令 AT 指令使用流程圖如 圖 9 所示 5 3 APP程序設計 使用 TLINK 物聯(lián)網平臺自動生成服務 創(chuàng)建一 個 Android 應用 包括創(chuàng)建產品 定義數據點 完成操 作后可生成代碼包 APP 開發(fā)整個工作流程如圖 10 所示 圖 10 APP工作流程圖 6 系統(tǒng)性能測試 本測試采用手機作為終端 首先要進行設備聯(lián) 網設置 保證手機和硬件設備在同一個 WIFI 服務器 圖 9 AT 指令使用流程圖南方論壇 South Forum 2022 年 2 月上 10 設置完成后設備自動重啟 1 min 便可發(fā)送數據和遠 程控制 進入手機 TLINK 物聯(lián)網平臺 輸入設備名 和密碼綁定認證 然后進入監(jiān)控界面如圖 11 所示 該系統(tǒng)在現(xiàn)場進行多次運行測試 期間運行穩(wěn) 定 Zigbee 無線網絡傳感器穩(wěn)定可靠 環(huán)境溫濕度 光照度和土壤水分數據采集響應迅速 數據準確 數 據上傳同步延遲在 1 s 以內 控制指令下達后 能精 準控制滴灌 噴灌 補光和通風設備 控制設備響應 迅速正常 云端 Web 服務器運行穩(wěn)定 數據中心工 作正常 查看土壤水分 環(huán)境溫濕度和光照度歷史曲 線 未發(fā)生數據查詢緩慢或異?，F(xiàn)象 手機端監(jiān)控的環(huán)境光照度歷史數據如圖 12 所 示 網絡控制定時開關功能界面如圖 13 所示 7 總結 基于農業(yè)物聯(lián)網技術的智能溫室采用了 TLINK 物聯(lián)網平臺 借助云服務器進行智能手機和硬件設備 的通信 實現(xiàn)了土壤水分 環(huán)境溫濕度和光照度數據 的查看 手動或自動控制滴灌 噴灌 補光和通風風 機等農業(yè)設備調節(jié)種植環(huán)境參數 系統(tǒng)還具有網絡定 時 告警推送功能 根據實際種植需要 可以增加硬 件 修改程序數據并在 TLINK 物聯(lián)網平臺新增設備 對系統(tǒng)進行了實驗測試 結果表明 設計成本低 便 于大規(guī)模生產和推廣 養(yǎng)護裝置智能化程度高 這將 為植物智能養(yǎng)護提供性價比較高的養(yǎng)護裝置 具有廣 闊的推廣前景 參考文獻 1 高 浩 天 朱 森 林 常 歌 等 基 于 農 業(yè) 物 聯(lián) 網 的 智 能 溫 室 系 統(tǒng) 架 構 與 實 現(xiàn) J 農 機 化 研 究 2 0 1 8 4 0 1 1 8 3 1 8 8 2 陸 海 空 王 露 包 伯 成 智 能 農 業(yè) 物 聯(lián) 網 激 光 熱 傳 到 溫 控 系 統(tǒng) 設 計 J 激 光 雜 志 2 0 1 8 3 9 8 1 1 3 1 1 7 3 盧志翠 智慧教室物聯(lián)網云平臺硬件設計與實現(xiàn) J 南方農 機 2 0 2 1 5 2 5 1 5 2 1 5 4 4 吳震 王海紅 基于農田溫室的智能液肥滴灌系統(tǒng)設計 J 南 方 農 機 2 0 1 9 5 0 5 3 1 5 陳韻秋 智能農業(yè)檢測系統(tǒng)的研究與設計 D 淮北 淮北師 范大學 2019 6 鄭曉茜 邵帥飛 基于 ZigBee 的溫室大棚環(huán)境遠程監(jiān)控系 統(tǒng) 設 計 J 南 方 農 機 2 0 2 1 5 2 1 9 2 1 2 3 7 張 猛 房 俊 龍 韓 雨 基 于 Z i g B e e 和 I n t e r n e t 的 溫 室 群 環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計 J 農業(yè)工程學報 2013 29 S1 171 176 8 魏霞 基于物聯(lián)網的智能農業(yè)系統(tǒng)運用 J 農業(yè)工程 2 0 1 9 9 2 1 9 2 1 9 朱 塏 宋 欣 何 建 祥 等 基 于 小 波 降 噪 和 自 適 應 加 權 法 的 溫 室 數 據 融 合 J 江 蘇 農 業(yè) 科 學 2 0 2 1 4 9 5 1 8 0 1 8 6 10 莊文強 農業(yè)物聯(lián)網感知層的節(jié)能關鍵技術研究 D 南京 南 京 農 業(yè) 大 學 2 0 1 6 11 田雪蓮 基于 Android 的農業(yè)車輛智能終端控制系統(tǒng)設計 J 農 機 化 研 究 2 0 2 0 4 2 5 1 2 5 1 2 9 1 2 胡 博 李 駿 郭 強 等 基 于 多 傳 感 器 融 合 的 電 機 在 線 狀 態(tài) 監(jiān) 測 方 法 J 冶 金 自 動 化 2 0 2 1 4 5 2 8 5 9 2 圖 11 手機端監(jiān)控界面 圖 12 環(huán)境光照度歷史曲線 圖 13 網絡控制定時功能界面