黄 来，刘非凡

（1.沈阳化工大学 信息工程学院，辽宁 沈阳 110142；2.淮阴工学院 自动化学院，江苏 淮安 223002）

0 引 言

随着智慧中国战略的布局，物联网技术已经在各领域崭露头角。现阶段农业生产中提升植物光照强度的主要方式是温室大棚，但这种方式仍然不能让农作物有充足的光照条件。我国温室种类多、分布地域广，采用有线通信方式的测控产品时安装成本较高、维护工作量大、电源供给不便，将物联网软硬件技术应用于农业设施中将大幅度提高温室作物单位面积的劳动生产率和资源产出率，所以对实现温室作物生产的可持续发展具有重要意义。

为此，本文针对智慧农业中的光强调节，提出了一种基于物联网的农业光强调节系统，主要分为监测功能系统、监控功能系统。其中监测功能系统是通过在农业园区内配备无线传感节点实现，每个无线传感节点可监测植物生长环境的光照强度参数；监控功能系统是根据无线网络获取无线传感节点的数据，与设定好的阈值进行比较，从而通过无线通信技术对具体输出设备如补光灯、电机进行自动控制。此外，用户可通过拓展微信小程序功能对该系统的光照强度进行远程数据读取、手动控制，使其更加智能化、便利化。

1 系统总体设计

系统总体结构如图1所示，主要包括传感器采集层、网络通信层、数据中心客户端层、反馈应用层。

图1 系统总体结构

（1）传感器采集层包含环境光照度传感器，实时采集农作物生长环境的光照强度。

（2）网络通信层是由ZigBee智能节点和以微控制器为核心的智能网关组成，能够支持ZigBee、WiFi等数据的解析接入，提供传感网与互联网云数据中心的接入服务，能够容纳多种协议标准，同时支持多达1 000多个节点的接入。此网关通过2.4 GHz无线通信与各ZigBee智能节点组成无线通信网络，还可以通过TCP/IP协议将数据上传到云端数据中心，解决远程监控问题。

（3）数据中心客户端层包括Android、Web、PC端。用户可通过云端数据中心读取农作物的光照强度，对采集的光照强度与设定的值进行比较，并对反馈层进行下一步操作，实现远程控制。此外，还可拓展微信公众号功能，实时查看采集的光照强度数据，并可通过客户手动控制对光照度进行有效的管理。

（4）反馈应用层包括输出设备，如补光灯、混合式步进电机等。当数据中心检测到光照强度高于设定值时或用户客户端手动控制时，打开电机，带动卷闸进行遮阳；当检测到光照强度低于设定值时或用户客户端手动控制时，打开补光灯进行补光操作。

2 软硬件设计

2.1 硬件设计

在智慧农业光照调节中，最重要的硬件部分是STM32F103系列控制器，该控制器是一个智能电子测控系统。智能网关采用三星ARM Cortex-A9 S5P4418四核处理器 / ARM Cortex-A53 S5P6818八核处理器，集成WiFi、蓝牙模块，支持智慧云轻量级物联网通信协议，支持ZigBee、WiFi、BLE、433M、LoRa、NB-IoT、LTE、6LoWPAN 等数据的解析接入，提供传感网与互联网云数据中心的接入服务，能够容纳多种协议标准，最多同时可支持多达1 000多个节点的接入。无线节点主要采用工业经典型节点，以无线模组作为MCU主控，包含多种继电器功能，提供3.3 V、5 V、12 V的电源输出，可选配诸如ZigBee、WiFi等各种无线传感网络模组。光照强度传感器采用壁挂式或吸顶式，测量范围为0～65 535 lx，接口类型为IC总线型。步进电机主要采用混合式，转矩为0.5。信号灯与光照传感器一样采用壁挂式，与间接控制器相连，提供红、绿、蓝三色光，并可独立控制三种灯的开关，对昏暗环境进行补偿。

2.2 软件设计

软件部分主要是系统初始化，包括外设接口化、存储器初始化，流程如图2所示。主流程为先对农作物周围环境光照强度进行采集，将得到的光强发送到数据中心端，数据中心端通过微信小程序将光照强度信息呈现给用户，用户可选择手动或自动对实时光照进行调节。在自动模式下，处理器将光照传感器得到的光照强度值与提前设置好的阈值进行比对，当实时值比阈值低时，此时的光照条件不利于作物生长，通过节点数据传输来控制控制器，打开信号灯进行补光，实现反馈调节；当光照值大于用户设定阈值时，控制器则通过电机带动塑料遮光膜进行遮光。在手动模式下，控制器程序根据远程可视化界面的用户指令来判断是否对光照进行调节。

图2 系统流程

3 远程光控调节系统客服端设计

用户远程客户端采用Java进行开发，可以实时采集农产品的光照强度，同时还可以对软件相关参数进行配置，该系统传输的所有数据都是加密的，可最大限度地保障用户数据安全，如图3所示。

图3 手机远程客户端系统

本软件具有通过监测植物生长光照强度来评测植物健康状态的功能，用户可连接网络，查看实时数据，进行模式选择。用户可通过点击右上角“关闭”按钮来关闭与云端的连接，点击右下角的绿色按钮可观看当前植物的快照，点击模式的手动按钮将会进入手动调节模式，此时滑动上方的光强滑块可控制电机或信号灯对光照进行调节，点按自动机器人图标将会把得到的光强值与设定值进行比对，若低于设定值，则自动打开信号灯补光；反之，则电机工作。

4 测试与验证

对软件系统进行了一系列测试，主要测试电机是否正常转动、与塑料膜的连接以及响应的快慢。同时，对植物从强光条件变为遮光条件时进行光合作用所产生二氧化碳减少值的曲线，以及从弱光条件变为补光条件时信号灯照明时间长短对植物恢复正常光合作用进行了研究，结果如图4所示，为日后的大面积农业应用提供了可靠性依据。

图4 光合作用曲线

5 结 语

本文的研究充分证明了智慧农业对正常农业生产的作用，解决了在极端天气情况下大范围温室农作物对太阳光照的依赖；同时，远程的终端客户端也为未来农业的新发展提供了技术支持。对本项目软硬件进行了一系列测试，证明系统达到了设计的要求和目的，具有很高的研究价值和应用前景。此外，系统中可以辅助加入二氧化碳传感器、土壤温湿度传感器、PH值传感器以及浇水自动装置来形成一个更完整的生产体系。