基于农业物联网技术的智能温室系统实现_任玲.pdf

南方论坛 South Forum 2022 年 2 月上 5 基于农业物联网技术的智能温室系统实现 任 玲 夏 俊 翟旭军 刘政委 戚玉强 江苏农牧科技职业学院农业工程学院 江苏 泰州 225300 摘 要 农业物联网技术应用到农业管理中能够实现农业数字化和精准化 达到增产增效的目的 通过分析温室大棚监控的 指标提出基于农业物联网的智能温室标准架构方案 感知控制层由无线传感器模块检测土壤水分 环境温湿度和光照度 利 用数据融合的相关知识 并提出无迹卡尔曼 UKF 算法用于感知数据的处理 启动滴灌 喷灌 补光或通风等控制设备 网 络传输层以AVR单片机ATMEGA328P构成的Arduino板为控制核心 采用ESP8266 WIFI模块支持数据传输和数据同步 建 立了系统层间数据枢纽 终端应用层采用可视化的TLINK物联网平台 可在任何时间和地点查看环境监测数据 同时根据平 台监测到的数据 手动或自动启动设备 仿真结果表明 本系统成本低 却具有较高的自动化水平 对进一步提高我国农业 种植向智能化方向发展具有指导意义 关键词 农业物联网 智能温室 感知控制 网络传输 终端应用 中图分类号 S126 文献标志码 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 中国是一个人口大国和农业大国 随着生活水 平的提高 人们对农产品质量和数量需求也越来越 大 此时 传统农业生产模式难以满足不断增长的需 求 温室大棚系统应运而生 传统温室大棚内环境 调控系统多采用人工实地检测环境参数和启动控制 设备调控环境 这存在局限性 消耗人力和物力 此 外 受主观因素限制 测量结果难免存在误差 新兴 的物联网技术为温室大棚内环境调控提供了一个崭 新的思路 1 将物联网技术应用到温室大棚内 能够 进行彼此间信息交互 共享 会使农业生产生活发生 革命性转变 对于提高农作物质量和产量 2 3 增 加 基金项目 2021年江苏省大学生创新创业一般项目 202100040 作者简介 任 玲 1980 女 新疆呼图壁人 硕士 副教授 研究方向为农业智能控制 通信作者 翟旭军 1971 男 江苏泰州人 硕士 教授 研究方向为机械工程 南方论坛 South Forum 2022 年 2 月上 6 农业经济效益具有非常重要的意义 1 农业物联网智能温室系统总体架构设计 基于农业物联网技术的智能温室系统整体结构 分为感知控制层 网络传输层和终端应用层 4 如 图 1 所示 感知控制层是农业物联网体系的基础 主要 功能是收集各个节点信息 然后将信息通过网络汇集 到数据中心 这里采用 Zigbee 无线网络进行统一分析 处理 为了提升数据传输的高效性 在数据传输过程 中往往需要用到数据融合技术 对温室现场执行器 进行控制 网络传输层利用一个良好稳定的网络传 输系统实现数据传输和同步 以及控制命令的下达 本层可以采用多种方式接入互联网 当前无线传输 技术发展突飞猛进 可使用 Bluetooth RFID WIFI Zigbee 等 本系统采用 WIFI 进行信号传输 通过终 端应用层用户可对温室环境进行监测和对温室设备 进行远程控制 图 1 智能温室农业物联网架构方案 2 感知控制层硬件设计 感知控制层帮助用户在传感网络覆盖区协作地 感知 采集 处理和传输植物养护环境和可控设备 状态信息 由数据采集节点模块 终端执行器模块 Zigbee 网关和电源模块组成 2 1 Zigbee网关设计 Zigbee 的功能框图如图 2 所示 包括微控制器 MCU 电源管理模块 设备状态控制模块和通信 接口模块 微控制器选用资源丰富的 AVR 单片机 ATMEGA328P 芯片构成的 Arduino UNO R3 控制板 使用它的 UART 连接 ESP8266 WIFI 模块 完成与数 据采集节点模块 上层系统的通信 执行器控制采用 继电器组实现 为保证执行器控制准确 控制板将当 前设备状态与预设控制状态进行比对来控制现场设 备 若有故障发生会及时报警 图 2 中央控制板功能框图 2 2 数据采集节点设计 数据采集模块连接数据信息和 Zigbee 网关 把 设施大棚内的环境监控信息实时传输给 Zigbee 网 关 Zigbee 技术是一种功耗低 数据速率低 成本 低 可靠性高 组网方式灵活 高安全性的双向无线 通信技术 5 7 其基础是 IEEE 802 15 4 国际标准协 议 无线传感器采集大棚内的温湿度 光照度和土 壤水分参数 每个传感器节点都使用了 CC2530F256 作为控制核心 所用传感器类型和性能参数如表 1 所示 数据采集节点由无线通信模块 传感器接口 模块和电源模块组成 电源模块可以用蓄电池 市 电 太阳能供电 大大提升了运作效率 数据采集节 点结构如图 3 所示 表 1 传感器类型和性能参数 名称 型号 性能参数 温湿度传 感器 SHT11 可测温度范围 40 123 精度 0 4 分辨率为 0 01 12 位 可测湿度范围 0 100 RH 精度 3 RH 分辨率为 0 05 RH 光照度传 感器 BH1750FVI 量程为 1 lx 65 535 lx 分辨率为 1 lx H 分辨率模式 土壤水分 传感器 TPSAR SM 量程 0 100 分辨率 0 1 准确度 2 图 3 数据采集节点结构南方论坛 South Forum 2022 年 2 月上 7 2 3 终端执行器节点设计 本系统农业设备指的是通风风机 补光灯 滴灌 设备和喷灌设备 通过四路 220 V 的继电器控制设备 启停 实现设施大棚智能管理 系统采用终端控制节 点方式全天对大棚内的机电设备进行远程智能检测 确保大棚内土壤水分 环境温湿度 环境光照度等指 标合理化 ULN2003 多用于驱动继电器 步进电机 等大功率 大电流器件 作为驱动器驱动四路继电 器 终端执行器节点电路如图 4 所示 图 4 终端执行器硬件电路 3 网络传输和终端应用设计 系统传输信息的网络层由 Zigbee 网关和 5G 移 动网络组成 Zigbee 移动网络通信模块负责接收感 知层发送的数据 并将其通过 5G 网络转发到终端应 用平台 终端应用平台选用的是 TLINK 物联网云服 务平台 负责监测数据状态并发送指令到控制中心 Arduino UNO R3 应用终端和 ESP8266 网络通信模 块连接到同一个 WIFI 下 应用终端通过网络的调试 助手发送和接收数据 ESP8266 WIFI 模块的 TX 和 RX 引脚与 Arduino 的 PD2 和 PD3 引脚相连 终端应 用层采用 TLINK 物联网平台实现远程监控 农业管 理者和研究人员可以在任何时间 任何地点查看所采 集的农情信息 4 系统数据融合处理 4 1 数据融合的定义 监测系统的数据融合技术是指多传感器按时序 检测到海量信息 按照一定的规则或协议采用计算机 算法技术进行分析 综合 消除多信息之间可能存在 的冗余和矛盾 8 9 以完成所需的决策和评估任务而 进行的信息处理技术 农业环境监测系统的数据融 合是指各类传感设备采集的环境数据在一定时间内 变 化不大 非常稳定 若采用均匀间隔周期进行数据 采集传输 就会造成采集到的数据存在冗余现象 10 11 并且数据传输过程存在能量消耗大的问题 为了降 低传感器网络传输能量消耗 使传感器节点获得更加 准确的数据 提出无迹卡尔曼滤波 UKF 融合算法 节点感知数据仍是等间隔采集存储 但是经过算法分 析剔除后发送的数据包是非等间隔发送 4 2 UKF融合算法 UKF 算法是基于无迹卡尔曼滤波的数据融合算 法 该算法将感知节点按均匀时序采集到的原始数据 缓存 然后对采集的 n 个数据进行整体分析 用这些 样本数据点表示高斯密度近似状态的概率密度 用一 系列确定的数据逼近状态的后验概率密度 分析判断 过程中是否有冗余数据 保留满足要求的有效数据 算法实现过程如下 对于不同时刻 k 由具有高斯白噪声 w k 的随机变 量 x 和具有高斯白噪声 v k 的观测变量 y 构成的非线性 状态方程和测量方程如下 1 式中 f 是非线性状态方程函数 g 是非线性测量方程 函数 设 w k v k 具有协方差阵 随机变量 x 在不同时刻 k 的 UKF 算法基本步骤 如下 步骤 1 初始化 计算均值 和方差 P 2 步骤 2 1 计算 2n 1 个 sigma 点 这里的 n 指的 是状态的维数 3 式中 矩阵方根的第 i 列 2 计算这些采样点相应的权值 南方论坛 South Forum 2022 年 2 月上 8 4 式中 下标 m 为均值 c 为协方差 上标为第几个 采样点 为比例因子 一般取 0 1 是用来融入随 机变量 x 的验前信息 是一个非负的权系数 参数 2 n n 是一个缩放比例参数 一般为 3 n 或 0 步骤 3 将 sigma 点集向后传递 进行加权处理 得到状态变量和协方差的先验估计值 5 根据先验估计值 使用无迹变换得到新的 sigma 点集 6 对新的 sigma 点集向后传递 通过加权求和得到 系统预测的均值及协方差 7 步骤 4 计算系统的状态和协方差更新 8 其中 K k 1 基于无迹 UKF 的算法流程如图 5 所示 5 软件设计 智能温室系统的软件设计由感知控制节点 服 务器和客户端软件设计三部分组成 客户端程序负 责显示植物养护环境参数 历史数据记录及养护设施 管理 网络通信端程序负责对感知层采集的数据进行 传输并控制设备状态信息的传输 感知控制节点负责 采集传输植物养护环境参数和田间设备状态信息 控 制养护设备的启停 5 1 感知控制层软件设计 感知控制节点上电后 12 首先进行系统初始化 然后周期性地采集植物养护环境信息并存储 同时周 期性地轮询是否有控制执行器的指令信息 若有则 发送控制指令给继电器 否则继续侦听信道 设计流 程如图 6 所示 图 6 感知节点程序功能流程图 5 1 1数据采集模块程序设计 Arduino 编程语言是由 C 语言改进的 在 A r d u i n o 图 5 UKF 算法流程图南方论坛 South Forum 2022 年 2 月上 9 IDE 中导入各传感器模块所需的库文件后即可对整 个传感器系统进行编程 环境温湿度 光照度和土 壤水分传感器采集到的信息通过 Zigbee 模块传输至 Arduino 控制模块 感知模块硬件部分由多个传感 器构成 因此在编写感知节点 Arduino 代码时需要 充分考虑各传感器之间的关系 包括传感器采集数 据的顺序与传感器之间的协同性 具体流程如图 7 所示 图 7 数据采集模块程序流程图 5 1 2控制模块程序设计 控制程序在本系统主要指继电器控制滴灌 喷 灌 补光和通风 用户通过点击客户端对应按钮发送 控制指令 指令经过层层下发 下达到终端节点控制 继电器启停 控制继电器打开流程图如图 8 所示 图 8 控制模块流程图 5 2 网络通信程序设计 网络通信选用 WIFI ESP8266 模块进行无线 通信 WIFI 模块和手机端使用的是 TCP 通信协议 Socket 通信方式 将传感器节点收集的感知数据 通过 ESP8266 发送给服务器 实现无线传感网络 与 Internet 网络的连接 同时 应用程序通过使用 Socket 方式向网络发出指令 AT 指令使用流程图如 图 9 所示 5 3 APP程序设计 使用 TLINK 物联网平台自动生成服务 创建一 个 Android 应用 包括创建产品 定义数据点 完成操 作后可生成代码包 APP 开发整个工作流程如图 10 所示 图 10 APP工作流程图 6 系统性能测试 本测试采用手机作为终端 首先要进行设备联 网设置 保证手机和硬件设备在同一个 WIFI 服务器 图 9 AT 指令使用流程图南方论坛 South Forum 2022 年 2 月上 10 设置完成后设备自动重启 1 min 便可发送数据和远 程控制 进入手机 TLINK 物联网平台 输入设备名 和密码绑定认证 然后进入监控界面如图 11 所示 该系统在现场进行多次运行测试 期间运行稳 定 Zigbee 无线网络传感器稳定可靠 环境温湿度 光照度和土壤水分数据采集响应迅速 数据准确 数 据上传同步延迟在 1 s 以内 控制指令下达后 能精 准控制滴灌 喷灌 补光和通风设备 控制设备响应 迅速正常 云端 Web 服务器运行稳定 数据中心工 作正常 查看土壤水分 环境温湿度和光照度历史曲 线 未发生数据查询缓慢或异常现象 手机端监控的环境光照度历史数据如图 12 所 示 网络控制定时开关功能界面如图 13 所示 7 总结 基于农业物联网技术的智能温室采用了 TLINK 物联网平台 借助云服务器进行智能手机和硬件设备 的通信 实现了土壤水分 环境温湿度和光照度数据 的查看 手动或自动控制滴灌 喷灌 补光和通风风 机等农业设备调节种植环境参数 系统还具有网络定 时 告警推送功能 根据实际种植需要 可以增加硬 件 修改程序数据并在 TLINK 物联网平台新增设备 对系统进行了实验测试 结果表明 设计成本低 便 于大规模生产和推广 养护装置智能化程度高 这将 为植物智能养护提供性价比较高的养护装置 具有广 阔的推广前景 参考文献 1 高 浩 天 朱 森 林 常 歌 等 基 于 农 业 物 联 网 的 智 能 温 室 系 统 架 构 与 实 现 J 农 机 化 研 究 2 0 1 8 4 0 1 1 8 3 1 8 8 2 陆 海 空 王 露 包 伯 成 智 能 农 业 物 联 网 激 光 热 传 到 温 控 系 统 设 计 J 激 光 杂 志 2 0 1 8 3 9 8 1 1 3 1 1 7 3 卢志翠 智慧教室物联网云平台硬件设计与实现 J 南方农 机 2 0 2 1 5 2 5 1 5 2 1 5 4 4 吴震 王海红 基于农田温室的智能液肥滴灌系统设计 J 南 方 农 机 2 0 1 9 5 0 5 3 1 5 陈韵秋 智能农业检测系统的研究与设计 D 淮北 淮北师 范大学 2019 6 郑晓茜 邵帅飞 基于 ZigBee 的温室大棚环境远程监控系 统 设 计 J 南 方 农 机 2 0 2 1 5 2 1 9 2 1 2 3 7 张 猛 房 俊 龙 韩 雨 基 于 Z i g B e e 和 I n t e r n e t 的 温 室 群 环境远程监控系统设计 J 农业工程学报 2013 29 S1 171 176 8 魏霞 基于物联网的智能农业系统运用 J 农业工程 2 0 1 9 9 2 1 9 2 1 9 朱 垲 宋 欣 何 建 祥 等 基 于 小 波 降 噪 和 自 适 应 加 权 法 的 温 室 数 据 融 合 J 江 苏 农 业 科 学 2 0 2 1 4 9 5 1 8 0 1 8 6 10 庄文强 农业物联网感知层的节能关键技术研究 D 南京 南 京 农 业 大 学 2 0 1 6 11 田雪莲 基于 Android 的农业车辆智能终端控制系统设计 J 农 机 化 研 究 2 0 2 0 4 2 5 1 2 5 1 2 9 1 2 胡 博 李 骏 郭 强 等 基 于 多 传 感 器 融 合 的 电 机 在 线 状 态 监 测 方 法 J 冶 金 自 动 化 2 0 2 1 4 5 2 8 5 9 2 图 11 手机端监控界面 图 12 环境光照度历史曲线 图 13 网络控制定时功能界面