第一章緒論

1.1 課題背景

農業(yè)作為我國的第一產業(yè)，是支撐國民經濟建設與發(fā)展的基礎產業(yè)，在國民經濟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)布關于以農業(yè)為主題中央一號文件，強調對農業(yè)發(fā)展的高度關注[1]。當前，我國正處在由傳統(tǒng)農業(yè)向現(xiàn)代化農業(yè)轉變的過渡時期[2]。傳統(tǒng)農業(yè)的粗放式和低效率的生產模式正逐漸被高度集約化的精細農業(yè)生產方式所替代，從而推進農業(yè)生產的信息化，，促進農業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展[3-4]。隨著社會的不斷進步，設施農業(yè)正成為農業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分。設施農業(yè)是通過現(xiàn)代化農業(yè)工程和機械技術，改造自然環(huán)境，為農業(yè)生產提供最合適的溫度、濕度、光照度、水肥、等環(huán)境條件[5]。

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1.2 國內外研究現(xiàn)狀

國外溫室大棚技術起步比較早，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自然環(huán)境的能力[11]。從上個世紀 70 年代開始，西方發(fā)達國家開始重視溫室大棚的發(fā)展，并不斷加大投入力度。經過多年的研究，目前西方發(fā)達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發(fā)展的極為成熟。荷蘭的 Priva 公司利用工業(yè)自動化技術開發(fā)了多種智能溫室設備，采用現(xiàn)代工業(yè)化生產模式，并利用自動控制技術，廣泛應用與花卉培育、環(huán)境調控、等多個領域，不但滿足了國內農業(yè)發(fā)展需求，而且大量出口到國外市場[13]。

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第二章農業(yè)溫室大棚數(shù)字化管理系統(tǒng)總體設計

2.1 農業(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、生產操作管理方式的不一致性，以及市場需求的隨機性，給農業(yè)生產企業(yè)經營者、農業(yè)生產管控人員、日常生產操控人員、以及溫室大棚設備運行維護均提出了很高的技術要求。因此，需要構建植物生長與栽培環(huán)境的智能感知、植物培育過程精細管理的智能控制，實時、可靠、有效地自動監(jiān)測監(jiān)控溫室大棚內植物生長狀態(tài)，按照市場需求栽培植物，增大植物的經濟效益，提高企業(yè)的生產管理技術手段和科學決策依據(jù)。根據(jù)對現(xiàn)代溫室大棚的實際調研，結合現(xiàn)代溫室大棚的管理經驗，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)指標的智能感知、植物生長環(huán)境參數(shù)指標調節(jié)設備的智能監(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 農業(yè)溫室大棚數(shù)字化管理系統(tǒng)架構設計

本文設計的溫室大棚數(shù)字化管理系統(tǒng)在分析了現(xiàn)代設施農業(yè)的發(fā)展需要，以智慧農業(yè)“感知－處理－應用”為主線。通過集成嵌入式微處理器、傳感器、電氣控制、無線組網通訊、移動端手機 APP、云端服務器等技術平臺，實現(xiàn)對溫室大棚環(huán)境參數(shù)的實時感知、對農業(yè)設備的智能控制，進而達到對溫室大棚的自動化、智能化、遠程化科學管理。系統(tǒng)以自組網型多層異架構的物聯(lián)網通信平臺為樞紐，采用分層結構設計，包括智能感知層、智能控制層和管理信息層，其總體架構如圖 2.1 所示。

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第三章農業(yè)溫室大棚現(xiàn)場監(jiān)測與控制子系統(tǒng)設計與實現(xiàn)...............12

3.1 溫室大棚智能感知器設計與實現(xiàn) ................12

3.2 溫室大棚智能控制器設計與實現(xiàn) ................19

第四章農業(yè)溫室大棚遠程監(jiān)控與管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)..................29

4.1 基于 B/S 架構的 Web 信息管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)................29

4.2 iOS 手機 APP 設計與實現(xiàn) .................35

第五章系統(tǒng)運行與測試................40

5.1 測試環(huán)境 ...............40

5.2 測試情況 ...............42

第五章系統(tǒng)運行與測試

5.1 測試環(huán)境

為了測試農業(yè)溫室大棚數(shù)字化管理系統(tǒng)在實際農業(yè)生產中的應用，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）服務器環(huán)境服務器為溫室大棚數(shù)字化管理系統(tǒng)提供通信服務、數(shù)據(jù)庫支撐服務。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程服務器，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)的實時值與溫/濕度計、照度計、PH值測試紙的進行對比。分別打開手機 APP 與 Web 信息管理系統(tǒng)，查詢溫室大棚實時環(huán)境參數(shù)、歷史環(huán)境參數(shù)以及溫室大棚實時視頻圖像信息，同時采用具體結果如圖 5.1 和圖 5.2所示：環(huán)境參數(shù)采集測試結果表明，本系統(tǒng)采集的溫室大棚環(huán)境參數(shù)信息準確、實時，采集的視頻圖像實時清晰。Web 信息管理系統(tǒng)能夠兼容主流的瀏覽器，手機APP 在各個測試終端上顯示正常，滿足系統(tǒng)設計要求。

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結論

設施農業(yè)作為農業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分，為農業(yè)生產提供最適宜的溫度、濕度、光照度、水肥等環(huán)境條件，在提高農作物品質、產量，降低人力成本，提高農業(yè)經濟效益等方面具有很大的優(yōu)勢。隨著計算機技術、物聯(lián)網技術、傳感器技術以及移動互聯(lián)網技術的飛速發(fā)展，數(shù)字化溫室大棚正成為設施農業(yè)的重要形式。本文以物聯(lián)網技術為核心，集傳感器技術、嵌入式微處理器技術、計算機網絡技術、移動互聯(lián)網技術等多種技術手段，以種植物生長環(huán)境信息智能感知、生長條件調控設備的智能控制、溫室大棚的遠程管理三層架構，設計并實現(xiàn)了基于物聯(lián)網的溫室大棚數(shù)字化管理系統(tǒng)。論文的主要工作如下：（1）對溫室大棚的實際需求進行了分析，確定了植物生長環(huán)境參數(shù)指標智能感知、植物生長條件調節(jié)設備智能監(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，并設計了由智能感知層、智能控制層以及管理信息層組成的三層系統(tǒng)架構。

參考文獻（略）

本文編號：583204