【基于物联网的现代农业大棚系统设计与应用8600字（论文）】

基于物联网的现代农业大棚系统设计与应用摘要本文主要讲述了物联网技术在农业大棚领域的应用，使用物联网对大棚进行控制，生产效率可以提高,大大降低了人工成本，从而有利于种植企业与其他企业竞争。但是因为我国对物联网的认识不足，所以发展相对较晚，所以需要设计精细的系统以方便群众方便查阅具体信息。并且趁机优化大棚模式，借鉴国外先进智能大棚经验以更好应对巨大的产业变革,提高经济效益。传统农业大棚生产中，主要依靠人力和各种手工工具以及简单机器动作，农业科技含量、装备水平相对滞后，浇水、灯火、施肥等控制全凭经验、靠感觉导致农业大棚生产力低下、产量增长缓慢，阻碍农业技术进步以及生产工具的创新。设计了现代农业大棚，从而解决人工调节精确度不高，不利于农作物的健康生长，影响农作物的品质。达到生产率提高、产量增长、节约人工成本以及提高企业竞争能力。关键词：农业大棚；物联网；温度；湿度；远程监控系统目录TOC\o"1-3"\h\u第一章引言 11.1现代农业大棚的研究背景 11.2现代农业大棚国内外研究现状 21.3现代农业大棚研究意义 3第二章智能大棚的关键技术 42.1传感器技术 42.2无线通信技术 52.3RFID技术 62.4人工智能 6第三章智能农业大棚的需求分析 73.1大棚环境监控需求分析 73.2大棚智能控制需求 73.3大棚的远程帮助需求 8第四章智能农业大棚的系统设计 84.1、环境监控系统 84.1.1温湿度监控 84.1.2光照监控 94.1.3气体监控 104.2、智能控制系统 104.2.1自动补水、自动补光、自动换气 114.3、大棚软件设计 124.3.1大棚硬件介绍 124.3.2人工智能 134.3.3远程诊断 13总结 14参考文献 15第一章引言1.1现代农业大棚的研究背景农业是国家重要的支柱产业，我国作为世界第一农业大国，农业生产在我国经济建设和社会发展中占有举足轻重的地位。良好的气候与生态环境条件是农业生产的重要保障，而我国幅员辽阔，气候与生态环境条件相对恶劣，制约农业的发展。我国作为世界第一农业大国，在农业也是积累的相当多的经验和知识，但我国大部分地区都存在山多土地少，土质不好，土壤资源匮乏，气候条件复杂多变等劣势，这些劣势对农作物的生长极其不利;况且随着社会的进步，从事农业生产的人也日趋减少，而社会的对农产品的需求却日益增高，原有农作种植方式已经不能满足社会发展的需要，必须对传统的农业进行技术更新和改造。因此，在我国发展现代化农业和生态农业是今后农业发展的必然趋势，推广高新技术在农业生产中的应用势在必行。温室环境智能的研究涉及到计算机技术、传感器技术、控制技术、通讯技术、生物技术以及环境科学等多种技术和学科。监控系统主要针对漏度、温度、光照度等温室作物生长必须的外在物理要素进行调节，以达到作物生长的最佳条件。现代温室控制技术主要是能通过系统实时采集温室环境的温湿度和光照度，以达到温室植物生长环境实时监控的目的。随着无线传感器网络技术的不断发展与成熟，其运用于环境监控方面的优势逐步突显，其相对廉价的成本和丰富便利的应用功能为温室智能控制系统的建立提供了有力的技术支撑平台。因此，研究基于无线传感器网络技术的温室相关控制系统，具有其独特的科研价值和使用价值。1.2现代农业大棚国内外研究现状国外对温室光照环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。像园艺强国荷兰，以先进的鲜花生产技术著称于世，其玻璃温室的控制系统全部由计算机操作。日本研制的蔬菜塑料大棚在光照、播种、间苗、运苗、灌水、喷药等作业的自动化和无人化方面都有应用。日本利用计算机控制温室环境因素的方法，主要是将各种作物不同生长发育阶段所需要的环境条件输入计算机程序，当某一环境因素发生改变时，其余因素自动做出相应修正或调整，一般以光照条件为始变因素，温度、湿度和CO2浓度为随变因素，使这四个主要环境因素随时处于最佳配合状态。美国和荷兰还利用差温管理技术，实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。英国伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观测50km以外温室内的光、温、湿、气和水等环境状况，并进行遥控。韩国为扩大生产规模及降低生产费用，温室内设置了光照控制等环境因子的自动化装置，但由于有些自动化装置需靠人们根据经验进行控制，因此没能充分发挥它们的作用，另外，软件的开发也存在一定问题。而目前以色列走在了发展现代温室高产农业的前列，其先进一体化智能光照控制温室、配套监控系统软件平台及其相关设备均为世界领先水平，极大程度上弥补了其本国农业资源、气候环境和基本国情的先天不足。近年来，我国在温室控制技术方面也做了很多的研究，并在温室栽培等方面取得了显著成果。但由于我国在这方面的研究时间不算长，在配套技术与设备上都比较匮乏，使得环境的监控能力不高，生产力有限。能够实现全年生产的大型现代化温室很少。而且需要进口温室设备，但投资又太大，需要的操作人员的素质要求也高。所以我国温室环境控制还有很多地方需要改善与提高。在21世纪前，由于缺乏核心技术的支撑，功能齐全的完全智能化的温室环境监控系统实际应用的还不多。根据我国第二次农业普查的数据显示，截止到2018年，我国农业所培养的温室面积81千公顷。在这一个大基数的培养面积中，大棚的面积465千公顷，寿光青州一带大多数是这样的大棚。另外，中小棚建筑面积231千公顷。随着物联网技术的发展，智能农业大棚的发展与应用日益突出。

1.3现代农业大棚研究意义随着我国飞速发展人口的增长以及人民对生活水平的追求粮食需求，蔬菜水果的需求量年年增加，冬天常常出现供不应求，同时，人民对反季节水果的需求也逐年提高。由于智能大棚不受外面气候以及湿度等因素的影响，特别适合蔬菜和水果的高效种植。同时，现代农业大棚的推广对于农业生产现代化也具有重要意义。目前大棚种植都是依靠人为感知而进行调节。人工调节精确度不高，不利于农作物的健康生长，影响农作物的品质。随着物联网技术的发展，物联网已在农业大棚领域得到了大量成功的应用。智能大棚已成为弥补传统农业不足的一种新型农业模式，也是推动大棚生产向精细化、智能化方向发展的有效途径。智能大棚监控系统降低了信息采集、处理和传输的成本，优化了农业资源，改善了操作人员的工作环境。特别是在大规模大棚生产中，应用智能大棚监控系统的优点能够更好地体现出来，为大棚的精确调控、提高产量、质量、调整生长周期、提高经济效益提供了科学依据。本文将结合物联网技术，设计一套智能农业大棚监控系统，阐述了智能农业大棚监控系统的实现方法，并对大棚农作物的生长提供智能化和信息化管理，以提高农作物的产量和质量。

第二章智能大棚的关键技术2．1传感器技术传感器技术是集信息收集、传输信息、信息储存于一体的自动检测装置。利用传感器自动检测物体信息，并且将所检测到的物体信息转换成人们所需要的形式。传感器是温室自动控制的基础元器件,承担着各环境因素的检测并将其转换成电信号进行控制的任务。在温室自动化管理系统中应用的传感器主要有温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓度传感器等。传感器就是根据外界环境的温度、湿度、二氧化碳含量、光照等，运用一定的工程措施来改善不适合作物生长的环境条件，创造出最适合作物生长的微气候条件。完整的传感器控制系统包括控制器、传感器和执行机构，最简单的控制系统由单控制器+单传感器+执行机构组成。因此，传感器的合理利用对智能温室起着决定性作用。图2.1传感系统流程图图2.1传感系统流程图

2.2无线通信技术按通信技术传输介质的不同可分为有线和无线两种方式。有线通信方式具有设备互操作性强、系统可靠性高、抗干扰能力强等优点。有线通信方式的缺点沿途需要检查有线通信链路的维护情况，故障发生时通常很难找到故障点。用户设置通信网络后，由于系统的需求，通常会添加新设备，使用有线传输可能需要重新布线。无线通信方式优点无线数据传输只需保持传输模块的数量，一旦发生故障,可以迅速找出原因，恢复线路的正常运行。无线数据传输只需将新设备和无线号码传输无线电连接，即可实现系统的扩展，具有较好的可扩展性。考虑到温室环境湿度高、酸性大、光照强会导致线缆的老化，同时，有线通信系统需要花费大量的人力物力铺设线路，施工量大，安装时间长，因此基于无线传输技术的温室环境监测系统势在必行。无线通信技术由无线终端、无线基站、应用管理服务器三部分组成。无线传感网络应用需要较低的传输延时和极低的功率消耗,以延长电池使用寿命。ZigBee具有高通信效率、低复杂度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全数字化等诸多优点,使其适合应用于无线传感器网络。无线通信方式以组网灵活无需布线等优点在温室局域范围内采用，将各种检测装置、执行机构以及控制器连接起来，实现对温室环境等各项参数的自动检测和控制，应用在环境恶劣的条件下将是非常有意义的。图2.2无线通信流程图图2.2无线通信流程图

2．3RFID技术RFID基本工作原理:由阅读器通过发射天线发送特定频率的射频信号，当电子标签进入有效工作区域时产生感应电流，从而获得能量、电子标签被激活，使得电子标签将自身编码信息通过内置射频天线发送出去;阅读器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号，经天线调节器传送到阅读器信号处理模块,经解调和解码后将有效信息送至后台主机系统进行相关的处理;主机系统根据逻辑运算识别该标签的身份，针对不同的设定作出相应的处理和控制,最终发出指令信号控制阅读器完成相应的读写操作。RFID(射频识别)技术使用的就是类似日常生活中的条形码技术，它主要是利用射频电磁技术实现对粘贴在物体上的标签的自动识别。物体的标签.上包含了很多详细的信息。其中无源标签可以询问来自附近的RFID阅读器的无线电波，而有源标签不仅有本地电源，而且可以在距离RFID阅读器数百米的任何地方工作。RFID技术是一种集自动识别和数据采集的方法。因此，RFID技术的主要功能是通过使用数码和智能手机终端电子设备，实现专业大棚信息技术和农业资源等应用信息系统的非接触式自动识别，其主要依托智能无线射频信号综合处理分析系统。对专业人员制定的目标和任务进行信息分析和综合解读，实现在大棚里对资源的有效、综合利用。图2.3RFID技术流程图图2.3RFID技术流程图2.4人工智能人工智能技术着眼于探索智能的实质，模拟智能行，最终制造出能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器。依靠人工智能技术，作物可以在适宜的温度、湿度、光照、水肥等设施环境下，生产优质、高产的农产品，摆脱对自然环境的依赖，实现设施生产的高度智能化，提高农业生产的效率，降低劳动成本.在设施农业产前阶段，凭借人工智能技术可对土壤、灌溉水量需求、作物品种质量鉴别等方面做出分析和评估，为农民做出科学指导，对后续的农业生产起到很好的保障作用。传统农业对灌溉用水的使用量往往依靠经验，无法根据环境变化进行精确调节，对多目标灌溉规划问题也无能为力。人工智能技术可帮助人们选择合适的水源对作物进行灌溉，保证作物用水量，大大减轻灌溉问题对作物产量造成的不良影响。第三章智能农业大棚的需求分析3.1大棚环境监控需求分析在植物的生长过程中，光照、温度、湿度等无疑是最影响植物健壮与否的重要因素。而农业大棚隔绝了自然环境，因此需要模拟适合植物正常生长所需要的光照、温度和湿度环境。而在此过程中，经常出现有害气体过量、温湿度控制不当的问题。有害气体过量通常出现在大棚通风不足的情况中。由于营造了封闭的环境，大棚内部的空气无法实时与外界新鲜空气交换。同时，在蔬菜栽培过程中，一定会使用到富含氮磷钾的化学肥料，而化学肥料与空气中的气体产生作用，会使大棚内的氮气过量，不利于大棚蔬菜的健康生长，甚至会造成蔬菜的减产或死亡。因此，在设计农业大棚系统的过程中，需要对光照、温度、湿度等做监控，综合考虑到大棚内作物的最适宜生长环境，合理设计外遮阳系统；内遮阳系统；风机-湿帘降温系统；侧部开窗系统；喷淋系统等。3.2大棚智能控制需求在对智能大棚的各种环境做监测的基础上，我们需要结合采集到的各项环境数据，修正超出农作物生长环境要求的数据，比如，当光照过强时，我们要打开遮光片降低阳光对于农作物照射。。。当光照过低时，我们要关上遮光片增加阳光照射，来增加温度，防止作物被冻伤。当温度过高时，我们打开大棚通风，使得农作物的温度得到降低，防止作物死亡。当二氧化碳浓度过低时，及时补充二氧化碳浓度。因为环境监控系统的主要作用是帮助种植者实时的监控大棚内农作物的生长情况。传统的智能温室环境监控需要有摄像头。通过摄像头与传感器对于大棚的环境进行监控，摄像头与传感器的监控数据可以直接连接后台电脑。用户可以通过电脑端直接看到大棚内的数据情况。从而达到监控的目的。减少人为监控，提高监控效率。考虑到农民不一定时时刻刻在温室大棚里，我们考虑设计一款应用，用户通过手机或电脑登录系统,就能远程控制大棚内的卷帘机、排风机、水阀的开关,系统还可以按照预先设定好的控制逻辑,根据大棚管家监测到的大棚内外的实际情况自动开启或关闭卷帘机、排风机、水阀等大棚机电设备。3.3大棚的远程帮助需求大棚蔬菜栽培不同于自然条件下的蔬菜栽培，企业管理种植制度以及经验方法与自然栽培有很大的不同，而许多农户对于这方面知识欠缺。因此，对于大棚种植蔬菜栽培，缺乏全面地系统的知识体系会使大棚经济效应不能充分发挥出来，反而降低了农户对大棚的认可。所以农户需要科学的方法合理使用大棚，当种植蔬菜的过程发生病虫害，无法正确识别病虫和病菌的种类，或者因其他原因导致植物减产时，需要有专门的农业专家提供指导意见。因此，我们考虑设计手机应用，可以实现远程连线农业种植专家，通过视频、短信等方式一对一交流，从而得到专家的合理、科学的种植意见，施用正确剂量的农学药剂，调整大棚的各项生态环境参数，以提高作物的产量。病虫害治理需求因为在自然环境生长中，农作物极其会受到病虫害的影响从而降低产量，防治害虫需要花费大量的时间和资金。为害农作物的病虫害种类繁多，由于每年节气的变化，病虫害发生的种类与时期也不尽相同。这时，监控便会起到重要的作用。它可以实时监控大棚内的虫害情况，及时的向后台反映大棚内的情况，从而减少损失。该模块非常贴近菜农的实际需求,解决了蔬菜疾病诊断不及时、不全面等弊端,可以较好地预防蔬菜疾病的发生,促进菜农的增产增收智能农业大棚的系统设计4.1、环境监控系统湿度温度是非常重要的物理参数，以无线通信，微电子技术，传感器技术等技术组成。无线传感器网络由具有感知能力，计算能力和通信能力的大量微量传感器节点组成。基于需要监控湿度温度物理量，因此设计低功耗，低成本，高可靠，高安全性的无线传感器网络技术的检测系统。无线传感器网络可以监测大棚里面不同点位的数据，通过传感器节点将监控的信息方便快速传到计算机里面。从而同时实现上下报警，控制湿度等功能。4.1.2光照监控光照是农作物生长发育的关键条件之一，也是温室环境因子中的一个重要因素，直接影响农作物的产量和品质。对温室作物来讲，光照主要有两个方面的作用：一是利用光合作用为作物提供能量，二是为温室的微型气候环境来提供能量。但是如果光照过强，会促进水分的蒸发，严重的话将会灼伤叶面，而光照过弱的话，将不利于植物的光合作用，不能使作物有效的生长。因此，对光照进行实时的检测和监控就变得非常的重要。无线传感器网络可以监测大棚里面不同点位的数据，通过传感器节点将监控的信息方便快速传到计算机里面。从而同时实现上下报警，从而达到控制光度等功能。

4.1.3气体监控CO2是作物进行光合作用的主要原料，蔬菜作物的产量90%~95%靠光合作用制造。在露天大田生产条件下，空气中的CO2浓度为300ppm即0.

03%，一般能满足光合作用的需要，但是在密闭的温室中栽培蔬菜却常显得严重不足，如二氧化碳不足，尽管光照好，水肥足，植物仍不能进行旺盛的光合作用，使营养物质积累少，作物生长衰弱，难以早熟高产。CO2施肥在国外己由试验发展到实际应用阶段。因此，人工补充CO2己成为发展高产、优质、高效农业的重要措施之一，这也就涉及到温室中的CO2管理问题。

温室内二氧化碳的管理就是掌握好浓度。如若浓度过低，达不到增产的目的；浓度过高，又可能对作物造成危害，出现叶片周边焦边，甚至死亡等。应根据不同的作物和不同的生长发育时期以及天气条件等来调整二氧化碳的施放浓度。为了最大限度的提高二氧化碳的施肥效果，施放二氧化碳时，必须控制在温度、湿度、光照度满足之后进行。因此，无线传感器网络可以监测大棚里面不同点位的数据，通过传感器节点将监控的信息方便快速传到计算机里面。从而同时实现上下报警，从而达到控制二氧化碳浓度等功能。4.2、智能控制系统智能温室大棚控制系统可以同时实现监控、管理、控制功能，且这些功能可同时体现在多个大棚管理中。在温室大棚设计中，除了有效应用物联网技术外，还要集成传感技术及其他先进技术，使大棚的集中控制力度更大。在系统设计中，设计人员需要对总系统结构、系统应用平台及硬件等进行设计，使这些设计内容协调组织在一起，共同满足控制要求。智能控制系统包括自动补水、自动补光、自动换气。如图4.2图4.2控制系统框图

4.2.1自动补水、自动补光、自动换气温室是采光建筑,因而透光率是评价温室透光性能的一项最基本指标。透光率是指透进温室内的光照量与室外光照量的百分比。温室透光率受温室透光覆盖材料透光性能和温室骨架阴影率的影响,而且随着不同季节太阳辐射角度的不同,温室的透光率也在随时变化。温室透光率的高低就成为作物生长和选择种植作物品种的直接影响因素。一般,连栋塑料温室在

50%~60%,玻璃温室的透光率在60%~70%,日光温室可达到70%以上。未达到数据就必须自动补光。通过平衡臂、滚轮与斜块的联动作用实现了土壤钵的自动补水，使土壤钵中散失的水分可得到及时定量补充，保持土壤湿度恒定，解决了维持土壤钵湿度恒重而繁琐重复的补水工作，具有成本低，结构简单，操作方便，效率高，准确可靠等优点，具有较强的科研及经济产业价值。①自然通风在温室等设施的适当位置设置窗户靠热压和风压作用进行通风，并可以通过调节窗户的开度来调节通风量。②机械通风依靠风机产生的压力强迫空气在设施内流动。

4.3、大棚软件设计4.3.1大棚硬件介绍基于单片机的智能温控仪其主要功能是：采集外界温度，然后与内设定的温度相比较，再经过PID运算处理，使温度接近于内设定的温度，倘若温度超过内设定温度过多就会实现光报警，同时，利用单片机向继电器发出高电平信号用来控制220V电加热器的电源。另外，如果电路出现异常也同样会报警，但不会切断电源。该系统的硬件部分包括温度采集模块、数据转换模块、单片机控制模块、报警驱动电路模块、数码管显示模块，温度控制模块等。具体工作过程是：系统输入由AD590温度传感器采集的温度信号，再由模数转换器ADC0832将该信号转换后输入到单片机，再由单片机控制是否发出报警，控制模块是利用继电器来切断电源，以免温度继续上升，并且用三个数码管同步显示温度。系统框图如图4.3.1所示。图4.3.1系统框图4.3.2人工智能远程自动控制,参数实时在线显示，精确度高,真正实现"在家也能种田。集成加热系统、通风系统、外遮荫系统、C02施肥系统、循环系统、植物保护系统、高压喷雾降温系统、湿帘一-风机系统、屋顶喷淋系统、算机控制系统等于一实现多功能,可多场合运用;4