第一章緒論

1.1 課題背景

農(nóng)業(yè)作為我國的第一產(chǎn)業(yè)，是支撐國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟(jì)中扮演著舉足輕重的作用。2004 年到 2017 年，我國政府連續(xù)十四年發(fā)布關(guān)于以農(nóng)業(yè)為主題中央一號文件，強(qiáng)調(diào)對農(nóng)業(yè)發(fā)展的高度關(guān)注[1]。當(dāng)前，我國正處在由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的過渡時期[2]。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的粗放式和低效率的生產(chǎn)模式正逐漸被高度集約化的精細(xì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式所替代，從而推進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化，，促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展[3-4]。隨著社會的不斷進(jìn)步，設(shè)施農(nóng)業(yè)正成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分。設(shè)施農(nóng)業(yè)是通過現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)工程和機(jī)械技術(shù)，改造自然環(huán)境，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供最合適的溫度、濕度、光照度、水肥、等環(huán)境條件[5]。

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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外溫室大棚技術(shù)起步比較早，1949 年，第一個植物人工氣象室在美國建成，主要用于研究植物適應(yīng)自然環(huán)境的能力[11]。從上個世紀(jì) 70 年代開始，西方發(fā)達(dá)國家開始重視溫室大棚的發(fā)展，并不斷加大投入力度。經(jīng)過多年的研究，目前西方發(fā)達(dá)國家的溫室大棚智能化水平不斷提高，并且得到了廣泛的應(yīng)用。在以郁金香而聞名全球的荷蘭，智能化的溫室大棚花卉培育已經(jīng)發(fā)展的極為成熟。荷蘭的 Priva 公司利用工業(yè)自動化技術(shù)開發(fā)了多種智能溫室設(shè)備，采用現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)模式，并利用自動控制技術(shù)，廣泛應(yīng)用與花卉培育、環(huán)境調(diào)控、等多個領(lǐng)域，不但滿足了國內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展需求，而且大量出口到國外市場[13]。

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第二章農(nóng)業(yè)溫室大棚數(shù)字化管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 農(nóng)業(yè)溫室大棚數(shù)字化管理系統(tǒng)需求分析

植物栽培生產(chǎn)過程中，由于溫室大棚的氣象環(huán)境條件的不確定性、植物品種的多樣性、植物生長周期過程中培育模式的變化性、生產(chǎn)操作管理方式的不一致性，以及市場需求的隨機(jī)性，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)營者、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管控人員、日常生產(chǎn)操控人員、以及溫室大棚設(shè)備運(yùn)行維護(hù)均提出了很高的技術(shù)要求。因此，需要構(gòu)建植物生長與栽培環(huán)境的智能感知、植物培育過程精細(xì)管理的智能控制，實(shí)時、可靠、有效地自動監(jiān)測監(jiān)控溫室大棚內(nèi)植物生長狀態(tài)，按照市場需求栽培植物，增大植物的經(jīng)濟(jì)效益，提高企業(yè)的生產(chǎn)管理技術(shù)手段和科學(xué)決策依據(jù)。根據(jù)對現(xiàn)代溫室大棚的實(shí)際調(diào)研，結(jié)合現(xiàn)代溫室大棚的管理經(jīng)驗(yàn)，溫室大棚數(shù)字化管理系統(tǒng)的需求主要包括植物生長環(huán)境參數(shù)指標(biāo)的智能感知、植物生長環(huán)境參數(shù)指標(biāo)調(diào)節(jié)設(shè)備的智能監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、視頻監(jiān)控制以及用戶管理等六個部分。

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2.2 農(nóng)業(yè)溫室大棚數(shù)字化管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的溫室大棚數(shù)字化管理系統(tǒng)在分析了現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要，以智慧農(nóng)業(yè)“感知－處理－應(yīng)用”為主線。通過集成嵌入式微處理器、傳感器、電氣控制、無線組網(wǎng)通訊、移動端手機(jī) APP、云端服務(wù)器等技術(shù)平臺，實(shí)現(xiàn)對溫室大棚環(huán)境參數(shù)的實(shí)時感知、對農(nóng)業(yè)設(shè)備的智能控制，進(jìn)而達(dá)到對溫室大棚的自動化、智能化、遠(yuǎn)程化科學(xué)管理。系統(tǒng)以自組網(wǎng)型多層異架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)通信平臺為樞紐，采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括智能感知層、智能控制層和管理信息層，其總體架構(gòu)如圖 2.1 所示。

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第三章農(nóng)業(yè)溫室大棚現(xiàn)場監(jiān)測與控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)...............12

3.1 溫室大棚智能感知器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ................12

3.2 溫室大棚智能控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ................19

第四章農(nóng)業(yè)溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)..................29

4.1 基于 B/S 架構(gòu)的 Web 信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)................29

4.2 iOS 手機(jī) APP 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) .................35

第五章系統(tǒng)運(yùn)行與測試................40

5.1 測試環(huán)境 ...............40

5.2 測試情況 ...............42

第五章系統(tǒng)運(yùn)行與測試

5.1 測試環(huán)境

為了測試農(nóng)業(yè)溫室大棚數(shù)字化管理系統(tǒng)在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，將系統(tǒng)部署在面積 40m×60m 的海南博大蘭花科技有限公司東山基地的一號蘭花溫室大棚中，其中：智能感知器 3 套、智能控制器 1 套、電氣控制柜 1 臺、視頻攝像頭 2個、WiFi 無線路由器 1臺、4G路由器 1 臺。（1）服務(wù)器環(huán)境服務(wù)器為溫室大棚數(shù)字化管理系統(tǒng)提供通信服務(wù)、數(shù)據(jù)庫支撐服務(wù)。綜合考慮到溫室大棚面積的大小、使用傳感器的數(shù)量、系統(tǒng)用戶數(shù)量以及成本的等因素，本系統(tǒng)選擇在阿里云搭建遠(yuǎn)程服務(wù)器，具體配置如表 5.1所示。

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5.2 測試情況

測試檢驗(yàn)方法：在蘭花溫室大棚中布置 3 個環(huán)境溫濕度傳感器，3 個土壤溫濕度傳感器，3 個光照度傳感器，3 個 CO2濃度傳感器，3 個土壤酸堿度傳感器。同時將高清視頻攝像頭、無線路由器布置在蘭花溫室大棚中。將智能感知器各個環(huán)境參數(shù)的實(shí)時值與溫/濕度計(jì)、照度計(jì)、PH值測試紙的進(jìn)行對比。分別打開手機(jī) APP 與 Web 信息管理系統(tǒng)，查詢溫室大棚實(shí)時環(huán)境參數(shù)、歷史環(huán)境參數(shù)以及溫室大棚實(shí)時視頻圖像信息，同時采用具體結(jié)果如圖 5.1 和圖 5.2所示：環(huán)境參數(shù)采集測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)采集的溫室大棚環(huán)境參數(shù)信息準(zhǔn)確、實(shí)時，采集的視頻圖像實(shí)時清晰。Web 信息管理系統(tǒng)能夠兼容主流的瀏覽器，手機(jī)APP 在各個測試終端上顯示正常，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

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結(jié)論

設(shè)施農(nóng)業(yè)作為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供最適宜的溫度、濕度、光照度、水肥等環(huán)境條件，在提高農(nóng)作物品質(zhì)、產(chǎn)量，降低人力成本，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益等方面具有很大的優(yōu)勢。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化溫室大棚正成為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要形式。本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，集傳感器技術(shù)、嵌入式微處理器技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等多種技術(shù)手段，以種植物生長環(huán)境信息智能感知、生長條件調(diào)控設(shè)備的智能控制、溫室大棚的遠(yuǎn)程管理三層架構(gòu)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚數(shù)字化管理系統(tǒng)。論文的主要工作如下：（1）對溫室大棚的實(shí)際需求進(jìn)行了分析，確定了植物生長環(huán)境參數(shù)指標(biāo)智能感知、植物生長條件調(diào)節(jié)設(shè)備智能監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、視頻監(jiān)控以及用戶管理六大功能模塊，并設(shè)計(jì)了由智能感知層、智能控制層以及管理信息層組成的三層系統(tǒng)架構(gòu)。

參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：583204