基于物联网的精准农业大棚监控系统的设计与研究.docx
《基于物联网的精准农业大棚监控系统的设计与研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于物联网的精准农业大棚监控系统的设计与研究.docx（68页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于物联网的精准农业大棚监控系统的设计与研究
基于物联网的精准农业大棚监控系统的设计与研究
摘要
由于我国不同地区的自然条件和社会条件差异明显，传统的农业劳动已经不能满
足现在合理种植的要求，同时，随着物联网信息技术在我国的发展和应用，开发适合
我国国情的农业大棚监控系统有非常重要的意义。
基于物联网的精准农业大棚监控系
统，一方面可以通过监测并调控大棚内温度、湿度、二氧化碳浓度等数据，以此促进
农作物的生长，提高作物产量；另一方面可以实现农作物生长过程的监控自动化。
本论文首先分析了精准农业研究背景意义，以及在国内外的研究现状。
讲述了物
联网和精准农业的一些技术支撑，提出了基于物联网精准农业大棚监控系统的设计方
案。
系统是从三个方面进行分析的，数据节点的采集、系统基站和远程监控系统。
通
过在大棚内安装终端传感器（温度传感器、空气湿度传感器等）对农作物的生长环境
进行监测，然后把监测到的数据上传到系统基站，基站根据之前的数据设置判断是否
发出警报，同时基站把数据发送给远程主机，工作人员根据主机上的数据和农作物的
生长情况进行比较，发送控制命令给基站对大棚内设备进行操作（调节温度、湿度，
是否通风等）。
本论文主要采用的研究方法有文献调查法、系统分析法、实验法和问题分析法，
提出一个精准农业大棚监控系统的设计方案。
系统主要包括了大棚数据管理、传感器
管理、大棚管理命令控制、用户信息管理和用户权限设置这五大模块。
关键词：
精准农业；物联网；农业大棚；监控系统
1绪论
1.1本文研究背景及意义
农业一直是我国国民经济的基础，为我国经济的发展和社会的稳定提供了一定的
物质基础。
我国不同地区的自然条件和社会条件差异很明显，传统的农业劳动生产率
比较低，而大量的劳动力又被束缚在农业上，这对我国的经济发展很不利。
随着机械
化农业所带来的优势虽然大幅度的提高了农业生产率，但是我们也要清醒的看到它所
带来的问题：
农产品质量的下降、水土流失、资源的浪费、农药污染以及水污染等一
系列的环境保护方面的问题。
发展精准农业已成为数字农业的核心，精准农业对提高
农作物产量、合理分布农业资源、改善生态环境、提高生产效率及降低生产成本等方
面有积极的作用
[1]
。
精准农业在一些发达国家被广泛应用并取得了突飞猛进的发展，我国的精准农业
还处于实践的起步阶段，为了完善精准农业的未来的发展和提升竞争力度，需要投入
更多的资源。
精准农业在我国的发展方向是符合我国现在的基本国情的，是建设集约
型社会和农业可持续发展理念的需要
[2]
。
同时，随着全球定位系统（GPS）、地理信息
系统（GIS）、遥感系统（RS）和智能控制系统（ICS）等技术研究的迅速发展，这些
技术也越来越被人们普遍接受，这对精准农业以后技术的发展提供了基础
[3][4]
。
农业大棚是通过人为构建可控环境以保护农业生产过程，随着农业大棚的规模
化，大棚环境监测与控制便成为了精准农业所必须解决的问题，传统的控制技术存在
着智能化程度不高的问题，而物联网技术的出现有效地解决了利用在大棚内部署各类
无线传感器和网络传输设备将采集到农业大棚内空气温度、湿度、土壤温度、光照等
参数汇集到中心节点，然后与互联网相连，利用手机或远程计算机进行实时监测农作
物现场的环境状态信息
[5]
。
监测系统根据环境参数和视频图像诊断作物的生长状况与
病虫害状况，进行实时的智能决策，并自动开启或关闭指定的调节设备（如遮阳帘、
浇灌系统、风机、加热器等），实现智能化管理
[6]
。
目前我国的农业发展还存在一些问题，传统的农业发展在一定程度上靠依赖生物
技术，以及投入大量的机械动力、化肥、农药和矿物质能源等而实现。
由于投入过量
的化学物质而引起的生态环境和农业产品质量下降，高能耗的管理方式所导致的农业
生产效益低，资源的日益短缺，在目前农产品国际市场竞争激烈的时代，这种管理模
式已经不能适应目前的农业可持续发展的需要。
本文的研究目的是通过学习相关的理
论文献，学习和吸收国际上已经取得的比较成熟的先进技术和经验，同时结合我国目
前精准农业的发展现状，构建出我国基于物联网的精准农业大棚监控系统的模式，为
我国的农业集约、高效和可持续发展提供参考和借鉴。
1.2国内的外研究现状
1.2.1国外的研究现状
最早提出精准农业概念是美国，在上个世纪80年代，他们就致力于研究精准农
业并提出了数字化农业模式。
在20世纪90年代以来，为了实现农业生产过程的可持
续发展，达到生态效益、经济效益和社会效益的统一，世界上许多发达国家都对精准
农业展开了研究和应用报道，通过在农作物种植过程中使用高新技术可以提高农业劳
动生产率和农业资源利用率
[7]
。
精准农业的应用领域非常的广泛，其中包括了播种、
各种农作物生长数据的监测、施肥、精细耕作、收割、水分管理、环境监控等。
目前，
美国、以色列、荷兰、日本等一些发达国家利用农作物在不同生长时期对环境和养分
的需求不同，对大棚内的水分、温度、养料、二氧化碳溶度等进行自动化控制。
美国
开发的智能化大棚不仅实现了自动化控制温度、光照、养料等数据，还利用温差管理
技术实现了花卉、蔬菜等的开花、成熟时间的控制，满足了不同季节的需求。
在施肥
方面，美国利用GPS技术指导施肥使得明尼苏达州的两个农场当年的产量比传统平
衡施肥的产量高出了30%左右，这不仅减少了化肥的使用量，而且还大大的提高了农
户的经济效益
[8]
。
荷兰，通过利用计算机对温室内温度、光照、湿度、需氧量等进行
自动控制并定时定量供给，实现了温室大棚的自动化生产。
印度在水稻生产中氮肥精
准管理技术研究方面，叶面颜色图技术已成为一种高效实用的精准农业工具。
随着精准农业技术的发展，国外很多学者在对农作物的生长过程监测、施肥监测、
病虫害监测以及农作物的产量监测上进行了深入的研究。
JoannWhalen等人通过研究
不同的肥料应用策略下，利用数据挖掘技术对农田进行分类
[9]
。
J．T．Ritchieb等研
究发现，通过利用作物模型与遥感技术相结合的方法对农田进行科学的划分和管理，
并分析出作物产量不同的原因
[10]
。
S．Wahlen等人研究发现被病虫害感染的作物可以
通过利用光学反射信息进行监测，并且将这一发现与农田间作物由于缺乏营养区分开
来
[11]
。
D．L．Karlen等研究表明，土壤的属性与农业管理存在一定的关联，土壤属
性和地理位置分布、气候等有着相关性
[12]
。
JoeM．Bradford等研究了遥感技术在作
物产量监测上的应用，基于作物特有的波谱反射特征应用遥感技术对作物产量进行估
产
[13]
。
1.2.2我国的研究现状
精准农业在国内的出现的时间与国外相比相差甚远，我国是在20世纪90年代才
开始在精准农业方面进行研究，并先后在北京、陕西、新疆、上海、黑龙江等地区建
立一定规模的实验区
[14]
。
随着信息技术的迅猛发展，精准农业的思想已经引起科技界
和产业界的重视，并在实践上有一些应用
[15]
。
例如，在GPS导航方面，北京顺义首先
利用了GPS导航技术对1.5万亩的农田进行预防虫害的试验；在地理信息系统方面，
赵春江等人对地理信息技术在精准农业方面中的应用现状和发展前景进行了科学的
分析和评述，并提出了地理信息技术在精准农业方面应用的产业化途径
[16]
。
辽宁、北
京、吉林三省通过利用GIS信息对农业生态管理、农业资源管理和农业信息方面做了
应用和研究；在遥感系统应用方面，杨敏华研究通过利用高光谱遥感技术的方法可以
实现农作物生长过程中各种信息的采集，我国已经成为了一个遥感大国，在农业监测、
资源规划和作物估产等方面已经有了广泛的研究
[17]
。
在智能技术方面，方建军通过对移动式采摘机器人的研究进行了综合，提出我国目前采摘机器人在技术发展中所遇到
的技术难题和解决这一问题的相应对策
[18]
。
我国“863计划”的提出和应用对精准农
业在我国以后的发展指明了方向，并提供了技术指导和支持
[19]
。
虽然精准农业在我国取得了一定的成果，但是与其他发达国家相比还存在一定的
差距，体现在掌握物联网技术与农业技术的复合性人才培养滞后，信息收集系统不全
面，农业领域信息的标准不一，应用在农业应用专家系统知识表述不完善、精准度不
高等现状
[20]
。
并且国内的智能农业大棚监测系统更多是示范工程和项目如北京大兴精
准农业示范区，仅仅停留在试验和演示阶段还没有形成产业
[21]
。
随着物联网技术的发
展，基于物联网的精准农业大棚监测系统将致力于从概念化转化为产业化，更专注于
产品化，为精准农业的大规模推广应用打下良好的基础。
让我们有理由相信无论是在
理论方面还是实践方面我国的精准农业一定会取得突破性进展，有望尽早赶上发达国
家的水平。
1.3主要内容和方法
1.3.1研究内容
按照国家农业信息化建设要求，针对传统规模化农业大棚缺乏科学监测手段，农
作物数据采集系统存在智能化程度不高、管理效率低下等问题，提出了一种使用无线
传感器网络技术建设基于物联网的精准农业大棚监测系统模型。
该模型实现对作物生
长环境即大棚的无线监控，利用无线传感器节点采集大棚蔬菜、水果以及育苗的空气
土壤温度湿度，光照强度，二氧化碳浓度等参数的问题，并将参数叠加到视频图像上
[5]
。
所有数据汇集到中心节点，与互联网相连，再通过互联网将数据及时传送到远程
监控端，管理人员、农业专家通过电脑、手机或手持终端连接该平台，就可以实时监
测农作物现场的环境状态信息，时刻掌握农作物的生长环境，远程监控端平台根据上
传的环境参数和视频图像诊断作物的生长状况与病虫害状况，在环境参数超标的情况
下，实现自动预警功能，系统就可以利用具有简单执行控制的控制设备节点远程对遮
阳帘、风机、灌溉装置等进行控制，实现智能化管理
[6]
。
特别适用于蔬菜、水果等育
苗大棚的精准管理。
同时通过分析系统安全问题使物联网技术更加成熟。
1.3.2研究方法
在精准农业大棚监控的研究的过程，我采取了以下几种研究方法：
（1）文献调查法：
调查检索物联网技术在农业大棚监控中的应用、调查在大棚监
控过程中的各项功能需求。
（2）系统分析法：
在调查的基础上，通过系统分析、设计方法建立大棚监控系统
的逻辑模型和物理模型。
（3）实验法：
各传感器节点、控制节点、视频监控节点与大棚监控系统集成组建
精准农业大棚监控系统。
（4）问题分析法：
分析物联网的节点安全、网络安全等问题并根据这些问题进行研究，找出合理的解决办法。
1.4技术路线及论文结构
1.4.1技术路线
（1）收集相关资料：
调查检索物联网技术在农业大棚监测中的应用、调查大棚监
控过程中的农业专家系统的功能和需求。
（2）理论分析：
根据收集到的资料进行分析，总结出精准农业中大棚监测系统所
需要的基本理论、技术基础。
（3）系统设计：
依据系统的需要确定该系统的功能，如温湿度监测和预警、二氧
化碳浓度监控、远程设施控制等。
（4）总结：
通过分析系统的感知节点安全、感知网络安全等问题，加强物联网技
术应用的管理水平。
1.4.2论文结构
（1）绪论，讲述了论文的研究背景和意义，精准农业在国内外的研究现状以及本
论文的主要研究内容、方法技术路线等。
为基于物联网的精准农业大棚监控系统打下
基础。
（2）基于物联网和精准农业的相关理论介绍，详细的讲述了物联网和精准农业的
概念，以及物联网和精准农业的技术体系等。
（3）基于物联网监控系统的分析。
分别从系统的需求功能、可行性、系统设计等
三个方面进行论述分析。
（4）基于物联网监控系统的设计，主要讲述系统数据采集点、系统基站和远程监
控系统这三个方面的设计。
（5）系统性能和安全分析，从系统网络的实时性和系统安全性两个方面展开。
（6）总结和展望。
该论文的工作总结和提出以后工作的方向。
2基于物联网的精准农业的相关理论介绍
2.1物联网的概念和特点
物联网到现在为止还没有一个约定成俗的公认概念。
早在1999年我国就提出了
网联网这个概念，它是在互联网的基础上通过射频识别（RFID）、全球定位系统、红
外感应器、激光扫描器等信息传感设备，按照预定的协议把任何物品与互联网连接起
来，进行信息的交换和通信来实现智能化识别、监控、定位、跟踪和管理的一种网络
概念
[22]
。
具有普通对象的设备化、服务的智能化和自治终端互联化等三个特征。
在我
国的应用领域非常的广，包括了医疗健康、智能交通、农业监测、平安家居和物流等
各方面。
物联网中的“物”需要具备特殊的性质才能被纳入到物联网这一范围内，这些基
本的特征主要有
[23]
：
（1）要有数据传输的通路。
（2）要有一定的存储能力。
（3）要有相对应的控制和管理系统。
（4）要有一定的处理能力。
（5）具有可以被识别的唯一编码。
（6）要遵循物联网中的通信协议。
（7）有专门应用程序提供信息交互和使用接口。
2.2物联网的技术
2.2.1射频识别RFID
RFID（RadioFrequencyIdentification）是物联网最前端的感知层的重要技术支撑
[24]
。
它是通过射频信号自动地识别目标对象并获取需要的信息，识别工作无需人工干
预。
一般是由标签、天线和读写器三部分组成，大量应用在公路收费、货物跟踪、生
产自动化和身份识别等领域。
2.2.2传感器与传感网
传感器是对感知节点信息的及时和准确的获取，是世界上普遍重视和大力发展的
高新技术之一
[25]
。
传感网SN（SensorNetworks）是将信息采集、数据传输和信息处
理进行综合化管理的信息系统，具有很广阔的应用前景。
主要用于军事国防、电子学、
生物学、农业、医疗等领域。
该技术和我们的生活、工作息息相关。
传感器和传感网
的组成结构如图2-1,2-2所示。
图2-1传感器组成结构
图2-2传感网组成结构
2.4精准农业的概念
精准农业是美国、加拿大的一些农业部门在20世纪80年代末最早提出的，目前
在英国、中国、丹麦、日本等国家也在进行研究和探索
[26]
。
主要应用实践包括了农田
的作物管理、林业、牧业、养殖业的产、供、销等领域。
许多的学者和机构从不同的
角度对精准农业的概念和内涵做了不同界定和描述，尽管他们的表述有所不同，但是
却包含了以下几个共同点。
第一，精细探查差异性，通过采取针对性的调节控制措施，随时挖掘潜力，以达
到全局的最优化。
第二，通过合理的调控，精准的控制，实施高效率、高收益、低环境危害的可持
续发展模式。
全面提高经济效益、环境效益和社会效益。
第三，是以GPS、GIS、RS、智能化控制、网络技术、先进传感技术、计算机软
硬件技术等作为技术手段。
精准农业是目前国际上农业发展的新潮流，通过农业地理信息系统（GIS）、农业
专家系统（ES）、遥感监测系统（RS）和全球定位系统（GPS）等自动化控制系统的
应用，根据农作物种植的时候划分出来的单元格的不同需求，精确的调整土壤的施肥、
湿度、用药等的用量
[27]
，通过最大限度的减少资源消耗，来获取最高产量、最大经济
效益、最低的农业环境污染、节约资源、降低成本，达到环境、资源、经济协调实现
可持续发展
[8]
。
2.5精准农业的技术体系
精准农业是在现代信息技术、生物技术、工程装备技术的基础上发展起来的一种
重要的现代化农业生产形式。
它是由10个子系统构成的，即全球卫星定位系统、农
业专家系统、农田信息采集系统、农田遥感监测系统、智能化农机具系统、农田地理
信息系统、环境监测系统、系统集成、网络化管理系统和培训系统
[27]
。
其详细的技术
体系如图2-4所示：
图2-4精准农业技术体系结构
2.6精准农业的技术支撑
2.6.1地理信息系统GIS（GeographicInformationSystem）
GIS又称“地学信息系统”，是一种十分重要的空间信息系统，是实现精准农业不
可或缺的一部分。
在计算机软硬件的支持下，通过对农作物空间的有关数据进行采集、
储存、管理、运算、分析和描述从而给出一个准确的可操作性的方案。
它事先存入了专家系统和持久性数据，并接收各类传感器发送过来的信息。
GIS对这些信息进行组
织、分析之后绘制成电子地图。
主要应用农田土地管理、病虫害、土壤数据和作物产
量等方面。
2.6.2全球定位系统GPS（GlobalPositionSystem）
GPS利用卫星在全球范围内进行实时定位和导航，在精准农业实现过程中有非常
重要的作用
[28]
。
通过定位农田中水、肥、土等农作物生长环境和病虫害等情况进行采
集，同步记录这些信息生成GIS图，为专家系统的决策提供依据。
GPS有两种接收
模式：
单一接收模式和两个接收器的差动接收模式。
单一接收模式是最方便、最廉价
的接收方式，但是误差率高达10m，无法满足精准农业需求。
差动接收模式是将一个
接收器固定在一个位置，另外一个接收器装在作业器上，采取差动修正的方法来减少
误差率，根据不同作业的需求，分辨能力可以达到1m以下或者1cm。
2.6.3专家系统ES（ExpertSystem）
专家系统是根据人们在某一个领域内的先进知识和经验技术而解决特定问题和
做出决策的计算机软件系统。
通常是由人机交互界面、推理机、知识库、解释器、综
合数据库和知识获取等6个方面组成。
根据GIS图层采集到的信息进行分析和比较进
行诊断，并提出一些解决措施和预防办法等。
2.6.4遥感技术RS（RemoteSensing）
遥感技术是从远距离感知目标反射或自身辐射的电磁波、可见光、红外线，对目
标进行探测和识别的技术。
遥感技术具有覆盖面广、受地理条件限制少、手段多，获
取信息量大等优点，是精准农业田间信息采集的关键技术。
在精准农业中根据不同农
作物的生长期，实施全面的监测，通过空间定性、定位分析等为农作物提供田间时空
变化信息。
2.6.5智能化农业机械装备技术
智能化农业机械是实施精准农业的标志，其中已经成功投入使用的有施肥、喷药、
灌溉、播种和收割等农业机械。
具有代表性的有美国的绿色之星系统、先进农业系统，
英国的农田之星系统。
变量喷灌系统是利用调整喷灌机械的运行速度、喷口大小和喷
水压力等对喷水量进行控制，以此来适应不同农田土壤、地形、耕作层厚度等对水分
的不同要求。
2.6.6农田信息采集技术
信息采集技术是利用传感器和监测系统来收集农田所需要的各种数据，如土壤水
量、PH值、降雨量、杂草、农作物病情、虫害等，并根据不同数据在农作物生长过
程中的作用，由GIS系统做出决策。
2.6.7变量控制技术
变量控制技术VRT（VariableRateTechnologies）是由于指安装了计算机、GPS
等先进设备的农业机械可以根据它所处耕地位置不同而自动调节某种物料的投入速
度的一种技术。
是美国在20世纪80年代提出的，变量控制技术系统有两种：
一种是
基于地图的，另外一种是基于传感器的。
3基于物联网监控系统分析
3.1系统可行性分析
通过对国内外已有的农业大棚监控系统的资料进行分析和研究，我认为在这一系
统在我国可以广泛应用。
本文从技术角度、操作方面和经济效益等方面进行了分析，
认为开发这一系统对我国今后的农业发展有着非常重要的意义，不仅可以提高工作效
率、节省劳动力成本，还可以足不出户对大棚进行远程控制。
（1）在种植的准备阶段，通过在温室大棚内的各地方合理布置各种类型的传感器，
分析的土壤湿度、空气湿度、温度、二氧化碳溶度等数据信息，根据采集到的信息选
择适合这块土地的农作物。
（2）在种植和培育的阶段，我们可以从布置的传感器上采集土壤湿度、温度、二氧
化碳溶度等信息，通过分析这些信息对大棚进行合理的管理，根据环境的变化做出相
应的调整。
比如说气温太低的时候我们可以通过加温来保证农作物适宜生长的温度，
湿度太高的时候可以开启通风设备对大棚内农作物进行管理。
（3）在农产品的收获阶段，我们同样也可以利用物联网的信息，把它之前生长过程
中的所有数据信息反馈到前端，并保存到数据库中。
在种植收获阶段通过分析之前的
数据进行更精准的预测。
3.2基于物联网的需求分析
本章主要分析了系统数据采集点、系统基站和系统远程监控端三个方面所需要实
现的功能。
3.2.1系统数据采集节点功能需求
系统数据采集节点包括了安装在农业大棚中的各种终端传感器，主要是实现以下
几个方面的功能：
（1）采集大棚中各处的空气温湿度、光照强度、土壤湿度、二氧化碳浓度数据等。
（2）与基站进行交互，执行基站发送过来的命令，比如开启遮阳帘、洒水、通风、
洒农药等。
（3）定时将采集到的数据包发送给基站，保持与基站的实时通讯。
（4）开启表示通讯正常的标识。
（5）实时的进行各项数据的监控。
（6）可根据自身电源损耗情况，在需要充电的情况下发出提示声。
3.2.2系统基站功能需求
系统基站是监控终端和采集传感器之间的中转器，管理着采集网络的同时，还与
监控终端保持实时的连接。
综上所述，系统基站需实现的功能为：
（1）实时的与多个传感器保持通信连接。
（2）接收来自传感器的数据。
（3）实时的与监控终端保持通信连接。
（4）定时将接收的来自传感器的数据进行上传至监控终端。
（5）接收来自服务器的操作命令。
（6）对布置于大棚内的各个机械装置进行命令操作，例如：
洒水器。
3.2.3远程监控端功能需求
随着农业大棚生产的规模不断的扩大，在生产过程中的管理需要大量的人力和物
力来完成，不仅费时费力，而且很难保证大棚内环境参数的及时准确的调整。
远程监
控系统使工作人员无需到现场就可以通过Internet远程浏览大棚内现场数据，而且能根
据以往的经验做出相应的调整，极大的提高了工作效率、方便用户。
远程监控端系统
包括两个子系统：
一是依赖于Socket通信传递指令与信息的控制平台；二是通过Web
实现的用户终端操作平台。
监听系统所需要实现的功能有：
（1）以服务的形式运行于服务器中，保证系统不间断的运行。
通过socket通信机制
实现的各系统间的心跳heartbeat时刻监听各系统的工作和通信状态，即使服务器因故
障死机，也要在服务器恢复后自行启动该服务。
（2）实时接收并处理远程基站发送过来的请求并对请求做出正确回应。
（3）对基站发回的数据进行分析，将结果存入系统数据库，并通知用户操作平台对
相关信息进行日志记录或显示。
Web系统需要实现的功能有：
（1）提供多种可拥有不同权限的用户，其中大棚户主（admin）拥有一切操作权限，
其他用户根据实际需求情况分配对应权限。
（2）用户登录时，从数据库中取出用户的注册信息进行比对校验，有效验证用户登
录信息。
（3）对基站信息的管理。
（4）对检测到的大棚
升级会员 