基于嵌入式系统的智慧农业系统研究

基于嵌入式系统的智慧农业系统研究

黄智伟

武汉铁路职业技术学院  湖北  武汉 430205

摘要：我国是农业大国，而非农业强国。目前我国农业生产仍然以传统生产模式为主，传统耕种只能凭经验施肥灌溉，不仅浪费大量的人力物力，也对环境保护与水土保持构成严重威胁，食品安全问题凸显。况且采用传统生产模式难以保证农产品的质量，导致我国部分农产品的竞争力不强，进而出现农产增加、进口增加与库存增量的“三量齐增”现象，越来越多低端农产品滞销。不少农业强国在过去也出现这些问题，但是他们在大力发展以运用智能设备、物联网、云计算与大数据等先进技术为主要手段的智慧农业，就改进了这些问题。

关键词：智慧农业；嵌入式系统；物联网应用技术

一、引言

   随着现在物联网应用技术在国内的大量普及，也有越来越多的物联网应用技术应用到农业领域中去。主要有监控系统功能、检测功能系统、实时图像与视频监控系统功能。一般而言应用在农业领域的物联网将作用于农业的传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。综上所述，物联网嵌入式系统有其鲜明的特征。1、要有数据传输通路；2、要有一定的存储功能；3、要有CPU；4、要有操作系统；5、要有专门的应用程序；6、遵循物联网的通信协议；7、在世界网络中有可被识别的唯一编号。

这些鲜明的特征说明嵌入式系统已经成为物联网行业关键技术。嵌入式系统技术是综合了计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术为一体的复杂技术。

综上物联网用于农业产业链上的产能和效应是大势所趋，这里我们根据物联网在农业产业链的应用，来调研嵌入式系统在这些应用中发挥的作用和设计原理。

二、基本思路

物联网与嵌入式是密不可分的，虽然物联网拥有传感器、无线网络、射频识别，但物联网系统的控制操作、数据处理操作，都是通过嵌入式的技术去实现的，物联网就是嵌入式产品（物）的网络化（联网）。 而目前农产品的发展与物联网的关系密切。而嵌入式技术又是物联网的关键技术，所以这里我们对农业上使用的嵌入式技术进行整理研究，具有一定的价值。

智慧农业就是充分应用现代信息技术成果，集成应用计算机与网络技术、物联网技术、音视频技术、3S技术、无线通信技术及专家智慧与知识，实现农业可视化远程诊断、远程控制、灾变预警等智能管理。

要建设智慧农业，就要依托物联网等先进的科学技术。智慧农业物联网唯一的物联源头是嵌入式系统。随着嵌入式系统的各个领域应用需求的多样化，嵌入式技术已成为当今电子技术发展的主流。所以这里我们在实验室对嵌入式系统在农业上的应用进行场景还原实验。为我校物联网应用技术专业针对现代农业的实训拓展可行性进行分析。

三、嵌入式系统在现代农业应用的分类

1. 农业大棚环境控制

  通过布设于农田、温室、园林等目标区域的大量传感节点，实时地收集温度、湿度、光照、气体浓度以及土壤水分、电导率等信息并汇总到中控系统。农业生产人员可通过检测数据对环境进展分析，从而有针对性地投放农业生产资料，并根据需要调动各种执行设备，进展调温、调光、换气等动作，实现对农业生长环境的智能控制。

2. 农业气象物联网数据采集

为了提高农业气象数据观测可靠性、实时性与精准性，设计基于STM32嵌入式微处理器的农业气象观测系统。此系统通过物联网技术实现局部区域中的多点气象数据收集，并且对基站传输数据。利用基站传输能够使主监控机监控软件中展示节点数据，并且对节点数据进行归类存储。主控软件利用机房的Internet网络，能够使数据传输到远程客户端中。系统还具备全球移动通信系统的移动报警功能，客户能够对报警信息进行收集。此系统能够应用到远程与室内局部多点气象信息收集监控领域中，通过系统测试表示，终端收集节点对网关传输数据距离不超过100 m，整体网络平均丢包率不超过2.6%，使大棚内空气湿度、温度、光照强度和土壤湿度的需求得到满足。

3. 农业气象要素站

  自动气象站用于对大气温度、相对湿度、风向、风速、雨量、气压、太阳辐射、土壤温度、土壤湿度、能见度等众多气象要素进展全天候现场检测。可以通过多种通讯方法与气象中心计算机进展通讯，将气象数据传输到气象中心计算机气象数据库中，用于对气象数据统计分析处理。

该系统硬件设计主要由传感器、采集器、系统电源、通信接口及外围设备（计算机、打印机）等组成。我们使用传感器感受到被测气象要素的变化并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或者装置，通常由敏感元件和转换器组成。数据采集器是自动气象站的核心，其主要功能是数据采样、数据处理、数据存储及数据传输。

气象站通讯系统：

（1）RS232有线，通讯距离0-10m；

（2）RS485有线，通讯距离0-1000m；

（3）无线微波电台，通讯距离0-500m；

（4）移动无线GPRS，通讯距离不限（有附加的GPRS流量费用）；

（5）WIFI通信，通讯距离不限（须架设有WIFI）；

（6）气象短信，通讯距离不限；

    气象检测软件：可通过表格或曲线视图对数据进展分析，支持（有线，无线）多种通讯方式，动态组网，可支持多台以上检测站点并发通讯。

4. 农产品溯源

  农产品质量平安及管理溯源：综合运用了多种网络技术、条码识别等前沿技术、实现了对农业生产、流通过程的信息管理和农产品质量的追溯管理、农产品生产档案（产地环境、生产流程、质量检测）管理、条形码标签设计和打印、基于网站和手机短信平台的质量平安溯源等功能，基于单机或网络环境运行，可用于农产品质量监管部门和农业生产企业应用。

可将农业生产过程中的生产信息，包括产地环境、生产流程、病虫害防治、质量检测等信息进展记录。可将携带农产品信息的RFID标签的信息转换成含有农产品信息的一维或者二维条码标签，保证信息链的流通。

四、结束语

  我们研究并总结了嵌入式系统在智慧农业中的应用，并改进当前存在的问题。并在现代化农业物联网方向做了深入的研究。并对主流功能进行模拟环境实验，包括对农作物生产发育过程中所处环境、生产状态、日常活动的情况、特殊虫灾期等不同方面的设计，达到了对农作物全方位准确、有效监管、提高了现代农产品工作者的管理效率与农作物生产效应。从而进一步推动智慧农业发展建设的步伐，同时全面拓展了智慧农业在农作物方面的应用。本次嵌入式系统主要以STM32系列为主要研究对象，通过对传感器的数据交互接口、现场总线技术、无线通信模块、数据显示模块、工业网络模组、各类采集传感器的设计，实现了智慧农业目前大部分现场农作物栽培环境应用的模拟实验，对物联网应用技术学生的实训项目设计提供了更多的选择。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.启动1+X证书制度试点的工作考虑[A/OL].教育部职业技术教育中心研究所2019-02-19. http://www.moe.gov.cn/fbh/live/2019/50294/sfcl/201902/t201902 19_ 370018.html.

[2]黄健.基于STM32的智慧物联网系统[J].物联网菜,2020,(20):194-196.

[3] 曹乐、袁艳、王同盟.CDIO模式下“嵌入式系统设计”课程构建与实施——以“智慧农业系统”为例[J].南方农机,2021,(52):185-187.