基于物联网的智慧农业大棚控制系统设计

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论文字数:43266 论文编号:sb2021101112011738731 日期:2021-10-20 来源:硕博论文网
本文是一篇物联网技术论文,本文的主要工作内容总结如下:(1)针对我国目前农业大棚的特点和发展趋势,分析了智慧农业大棚控制系统的具体需求,通过对比目前广泛使用的几种无线通信技术,利用 LoRa 无线通信技术实现远程信息传输,制定了智慧农业大棚控制系统的总体方案。(2)设计了硬件部分的总体架构,对系统中各节点的主控制器、采集传感器、LoRa模块、Wi-Fi 模块以及GPRS模块进行选型和外围电路设计,同时设计了STM32F103C8T6单片机最小系统,完成了 PCB 板的绘制和焊接,设计并制作了控制 380V 电机设备的控制箱,可以对大棚内设备进行控制。

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义
农业是我国的基础产业,是国家发展的根本产业,是国民经济的立足点[1]。我国一直以来都把农业放在我国发展的首要地位,农业始终是我国国民经济不断向前发展的基础。党的十九届五中全会审议通过的“十四五”规划和 2035 年远景目标建议中[3],明确指出未来五年要持续强化农业科技,深入推进农业可持续发展,加快农业农村现代化建设。党中央多次将促进农业发展问题写入“一号文件”[2],例如在 2021 年一号文件《中共中央国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见》中,对农业发展提出了新要求。随着农业可持续发展目标的提出,一直保持农业的基础地位,推动农业种植的增产增收,是当前需要深入研究的重要课题。我国农业生产大多数还处于传统模式,这种生产模式主要以人工为主,只能依靠人的经验来进行施肥灌溉。在这种劳作模式下,往往会出现误差,不但对劳动力造成了损失,而且对生态环境和水土等方面也造成了伤害,甚至会延误农作物的最佳收获时期。随着社会的不断发展和人口的快速增长,这种传统的耕种方式已经无法满足我们当今社会的需求。同时,我国南北地形和气候差异明显,对于农作物的种植有着很大的限制,对其产量和品质也有着十分严重地影响[4]。在这样的背景下,为了减少这些因素对农作物生长产生的影响,使农业种植不受地域和气候等因素的限制,建立一种精准化、智能化、能够普遍应用的智慧农业大棚控制系统有着十分重要的意义。
我国农业现代化进程不断加快,目前正处于突破推进阶段,越来越多的农产品开始在大棚中进行种植[5]。然而,我国传统的农业大棚种植方式存在一个问题,就是自动化水平相对较低,劳动力需求较大,对农作物信息和环境参数的获取方式较为落后,不利于扩大生产规模。随着农业科技的飞速发展,农业现代化建设需要多种新兴技术的支撑,物联网技术在这个科技快速发展的时代下应运而生,为我国农业现代化发展提供了前所未有的机遇[6]。物联网技术与农业科技的结合,使得智慧农业让人们眼前一亮,农业现代化水平显著提高,便捷准确的获取农作物生长信息,保证农作物的健康生长和产量的提高。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
智慧农业是现代科学技术在农业相关领域的融合与发展[9],主要应用在农作物种植方面,可以在农产品生产过程中利用各种传感器、智能输入输出设备以及无线通信技术,实现对农作物生产过程的管理和控制,为农产品生产提供合理准确建议和帮助。据统计,全球有 36%的劳动力在从事着与农业相关的工作[10]。国外对智慧农业的研究开始较早,从上个世纪 80 年代起,美国、德国、荷兰、日本等国家开始研究温室大棚技术和环境监测技术。到了 80 年代中后期,一些自动化水平领先的国家,研发出了可以在大棚种植中应用的分布式控制系统。其中,美国在 20 世纪 80 年代,提出了“精准农业”概念[11],并将其应用到实际生产生活中。互联网、计算机等技术的优势使美国在智慧农业的发展中占有巨大的优势,在农业信息化发展中一直处于世界上领先的位置。美国有着许多致力于智慧农业研究的公司,为用户提供解决方案,例如,美国的FarmLogs 公司利用大数据技术研发了一套农业管理系统来监测农作物的生长状况[10],该公司生产的智慧农业产品在美国农场的覆盖率十分广阔,近几年,该公司的产品已占据美国超过 1/3 的现代化农场。荷兰的农业现代化程度也很高,经过这些年的不断发展,荷兰在温室种植领域的技术和经验,为世界其他国家带来了更多地支持和帮助,取得了很大的成果。
荷兰公司研发的智慧农业玻璃温室控制系统拥有较高的自动化水平[12],在保证生产效率不断提高的前提下很大程度上降低了劳动力,同时,荷兰拥有全世界最大的玻璃温室,在温室大棚种植方面处于领先地位,推动着荷兰以及欧洲农业的快速发展[13]。
以色列由于接近 2/3 的国土都是沙漠[14],多数地区干旱少水,非常适合发展温室大棚,在温室大棚建设方面投入大量精力,温室大棚面积不断增加,从二十世纪 80 年代到现在,温室大棚面积已经达到 3000 多公顷。在解决本国水资源匮乏的问题上,结合智慧农业研发出先进的节水灌溉技术,不但解决了国内农业问题,而且成为了国内的一项特色产业。
在耕地面积较少的日本,其先进的工业设备和自动化水平处于世界前列,带动了本国智慧农业的快速发展[15]。截至 1995 年,日本建设的农业网络已经达到 400 多个。在2010 年,日本推出了 50 座“植物工厂”,该模式是一种具备智能管理和调控的优质种植模式。与主流的传统种植方式对比,在该种植模式下,可以大大减小人力的消耗,主要利用温室农业大棚控制系统来实现对农作物生产环境监测和控制。日本智慧农业凭借农业网络、数据库、电子商务、大数据等技术实现了农业全面升级[16]。在未来,日本政府将继续扩大智慧农业的研究,将机器人等先进技术应用到农业发展中。
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第二章 相关技术概述

2.1 物联网概述
2.1.1 物联网概念
物联网(Internet of Things,IOT)就是将生活中的物品利用智能传感设备联系在一起[26],并将其连接到互联网,使其可以通过有线网或无线网进行信息交流,从而可以通过各种终端对设备进行智能控制。“物联网”概念是由美国麻省理工学院首次提出[27],最初物联网技术是以物流系统为背景,基于射频识别技术实现的,随着技术手段的不断成熟,物联网的应用和内涵已发生较大的改变。
物联网作为互联网技术后又一新兴技术,被应用到全世界各行各业中。对于物联网的定义也存在很大的差异,一种普遍的定义为:以互联网为核心,以各种传感设备为基础,将不同地点的各种设备,通过各种通信网络,按照特定的网络通信协议,通过互联网进行信息交互,从而实现对各物品进行信息识别、定位和管理的一种特殊网络。
2.1.2 物联网体系结构
物联网的主要功能是在互联网和移动通讯等网络通信方式的基础上,针对不同领域的需求,利用各种传感器获取所需信息,将各种物品联系到一起组成完整的监控网络。物联网体系主要分为三个层次:应用层、网络层和感知层[28]。物联网体系结构如图 2-1所示。
图 2-1 物联网体系结构图
图 2-1 物联网体系结构图
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2.2 云平台概述
2.2.1 阿里云简介
阿里云,创立于 2009 年,主要致力于云计算、物联网、大数据和数据处理平台的研发,在中国云计算领域处于领先地位。阿里云面向全球开发人员,用户群体十分广阔,遍布世界各地,可以为用户提供安全、高效和功能强大的信息处理服务,使数据处理成为简单、可靠的便民科技。
2.2.2 阿里云物联网平台架构
阿里云物联网平台是阿里云旗下专门为物联网开发者提供的设备管理平台[30],该平台的诞生带来了多种方便、快捷的数据接入方式,实现底层设备与云端进行稳定的交互式通信。阿里云物联网平台拥有全球众多节点的部署,可以实现全球多地区设备都可以与云平台进行高速信息传输,较高的安全防护等级保障了用户信息数据的隐私安全性,加上功能强大且丰富的功能可以帮助用户对设备进行升级维护,稳定可靠的数据存储能力能实现大量设备同时对云平台进行快速访问。
阿里云物联网平台具有规则引擎功能,该功能可以实现阿里云平台下众多产品间的数据互通,用户只需要在物联网平台上根据实际需求对规则引擎进行设计,就可以完成在不同阿里云产品下,进行数据采集、处理、计算以及存储等功能。
在阿里云物联网平台中,主要包括:设备接入、数据传输、安全能力、权限策略以及规则引擎几个部分,物联网平台架构如图 2-2 所示。
图 2-2 阿里云物联网平台架构
图 2-2 阿里云物联网平台架构
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第三章 智慧农业大棚控制系统总体设计.....................................16
3.1 系统的需求分析...............................................16
3.2 系统的功能..................................................16
第四章 智慧农业大棚控制系统硬件设计.......................................20
4.1 硬件设计的总体架构................................................20
4.2 主控制器选型及电路设计...................................20
第五章 智慧农业大棚控制系统软件设计...................................32
5.1 软件设计的总体架构..........................................32
5.1.1 系统软件需求分析..........................................32
5.1.2 系统软件总体架构....................32

第六章 智慧农业大棚控制系统搭建与测试

6.1 系统的整体搭建
根据系统的设计方案,经过各部分硬件设计、软件设计、PCB 绘制、焊接以及组装等环节后,搭建完成本文设计的智慧农业大棚控制系统硬件设备,包括信息采集部分、数据传输部分、执行设备控制箱,系统设备实物如图 6-1 所示。
图 6-1 系统整体搭建
图 6-1 系统整体搭建
在本系统整体运行之前,为确保系统中各功能的稳定和可靠,需要对各部分关键功能进行测试,只有各节点工作正常,运行稳定,才能满足本系统实际应用的要求。下面对各节点关键功能进行测试。
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第七章 总结与展望

7.1 总结
本文针对我国温室大棚的发展现状和智能化生产的需求,设计并实现了一套基于物联网的智慧农业大棚控制系统,主要包括信息采集节点、数据传输节点、执行设备控制节点以及远程监控终端,用户通过可以通过 Web 实现对棚内环境信息的查看与执行设备的控制。该系统集传感采集、数据存储、设备联动于一体,可实现远程监测和控制,同时具有智能化的控制方式和报警等功能,从而为农作物健康生长提供有利的条件。本文的主要工作内容总结如下:
(1)针对我国目前农业大棚的特点和发展趋势,分析了智慧农业大棚控制系统的具体需求,通过对比目前广泛使用的几种无线通信技术,利用 LoRa 无线通信技术实现远程信息传输,制定了智慧农业大棚控制系统的总体方案。
(2)设计了硬件部分的总体架构,对系统中各节点的主控制器、采集传感器、LoRa模块、Wi-Fi 模块以及GPRS模块进行选型和外围电路设计,同时设计了STM32F103C8T6单片机最小系统,完成了 PCB 板的绘制和焊接,设计并制作了控制 380V 电机设备的控制箱,可以对大棚内设备进行控制。
(3)根据系统实现的功能,设计了系统软件总体架构,首先对信息采集节点和数据传输节点程序进行设计;然后详细设计了 LoRa 节点间的组网和数据收发程序,同时设计了智能决策程序和逐级寻优智能控制程序,实现对卷帘机、风机等设备的智能控制。最后在云平台完成了设备的搭建和部署,完成了数据库配置和设计,设计并实现了 Web信息管理系统,实现对大棚内环境信息的查看、控制以及信息管理等功能。
(4)在完成系统各部分硬件和软件设计后,测试了信息采集节点和数据传输的节点的功能,在不同场景下对 LoRa 模块的性能进行测试。最后完成了系统整体的搭建,对整体运行情况进行测试。测试结果表明,本文设计的智慧农业大棚控制系统各功能运行稳定,数据收发正常,控制指令准确,可以满足整体设计的目的和要求。
参考文献(略)