基于物联网的智能植物生态系统的设计
林小明
【摘 要】论文所述的智能植物生态系统基于物联网的ZigBee-WiFi应用技术，通过云平台的大数据存储，实时采集温度、湿度、土壤温湿度、光照强度等环境信息进行数据通信，通过对植物生长阶段的不同需求，对相关参数进行实时监控，及时采用实时趋势曲线和历史趋势曲线以及异常警报措施进行智能管理，将先进的信息技术应用到传统的农业。
【Abstract】The intelligent plant ecosystem described in this paper is the ZigBee-WiFi application technology based on Internet of things. The technology uses cloud platform to store large data. and collects temperature， humidity， soil temperature， humidity， light intensity and other environmental information in real time for data communications. Through the different requirements of plant growth phase， the related parameters are monitored in real time， intelligent management of real time trend curves and historical trend curves and abnormal warning measures are applied in a timely manner， and advanced information technology is applied to traditional agriculture.
【关键词】物联网；智能植物；ZigBee
【Keywords】internet of things； intelligent plant； ZigBee
【中图分类号】S126 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）07-0183-02
1 课题研究背景和意义
农业部关于印发《“十三五”农业科技发展规划》的通知，帶动农业产业新的绿色革命；大数据、云计算和互联网技术，催生智慧农业和智能装备产业异军突起。推动农业供给侧结构性改革，破解农产品供需结构性矛盾、提高农业比较效益、缓解资源环境压力、应对国际竞争，特别是调优产品结构、调精品质结构、调高产业结构，对农业科技在节本、高效、智能、绿色等方面提出了更高的要求。
本系统设计的智能植物工厂生态系统，将鱼塘与农作物施肥、浇水、补光等需求作有机结合，养鱼的水中富含植物生长所需的养分，所以排出的水用来浇灌植物，既可以满足植物生长对养分的需求，又可以满足植物对水分的需求，从而实现生存必需品相互补给的智能生态功能。该作品有手动管理和自动管理两方面设计，人机智能化更方便人们使用。
2 系统设计目标与硬件结构框图
系统分为上位机和下位机，上位机由PC端和手机APP端等控制，下位机由51单片机控制。在深入研究与掌握智能植物的基本原理和相关技术上结合当前的实际条件，进行系统的创新。
在如今云平台和大数据技术的支持下，数据控制更具成熟，包括采集环境信息和软件监控收集作物的生长信息，对收集的数据存储至数据库，通过历史数据分析与对比，还能得出并能自动更新最佳的种植方案，具有智能学习功能。智能植物工厂生态系统如图2所示。
上位机由云平台数据存储模块和网络监控模块两大模块组成。智能植物工厂生态系统通过大规模并行处理（MPP）数据库、数据挖掘、分布式文件系统、分布式数据库、云计算平台、互联网和可扩展的存储系统，结合智能监控系统实时监控分析植物生长信息，使农业种植进行最有效、最经济的控制和管理。
上位机的数据传输问题。管理人员在异地通过计算机网络异地拨号或双方都接入Internet等手段，连通需被控制的计算机，将被控计算机的桌面环境显示到自己的计算机上，通过本地计算机对远方计算机进行配置、软件安装程序、修改等工作。远程唤醒（WOL），即通过局域网络实现远程开机。远程控制的工作原理是在网络上由一台电脑（主控端Remote/客户端）远距离去控制另一台电脑（被控端 Host/服务器端）的技术，主要通过远程控制软件实现。
下位机主要由51单片机控制各种传感器，通过太阳能供电，驱动水泵，抽空机等设备，再通过ZigBee-WiFi把数据发送至上位机。
3 系统实验与结论
在本智能植物工厂生态系统中，涉及上下位机的模式，所以系统的测试必须对两种情况分别进行检测。
3.1 上位机
用户可通过上位机的PC端或Android端的控制实现对下位机的监控或操作，用户还可依据该系统下位机的当前环境参数，近段时间的环境参数，从而对下位机进行智能调节环境参数，实现了区域管理、实时查询、智能模式、历史数据记录。因而，我们根据上下位机的设计，制定出相应的通讯。
其中APP智能管理、全程自动管理、手动选择管理模式、手持移动设备和软件平台都可以对农田进行远程管理控制，我们上位机的软件平台还可以实时监控，以传感器接收信息系统地分析其中植物的生长状况和环境因素，通过数据库来得出解决问题，有执行模块处理。这些设计都大大方便了使用者，也使种植更加科学，同时也提升了种植的高效性。
①系统通过物联网及软件技术，让用户随时获知作物生长情况。
②智能化管理，如当土壤湿度过低时，系统自动开始供水灌溉。
③两种智能移动设备终端，客户可以通过移动设备在任意地方远程控制所有节点。
3.2 下位机
将各个节点的传感器采集到相应的环境数据，通过ZigBee信号将数据通过空中接口放送到ZigBee-wifi互融协调器，最后以wifi的形式发送到上位机。利用zigbee-wifi互融无线网络技术通信方式，降低它们间的信号干扰问题，兼有zigbee的优点之余又融入wifi，解决它的广泛适用性低的缺点。利用ZigBee提供动态路由的自组网、低功耗、安全性高，利用WiFi提供高传输速率、联网接入云平台。下位机的设计模块有电源模块、下位机的传送模块、单片机控制模块等。
下位机模块的核心是基于51系列的单片机为核心，对植物进行多方位的数据探测，收集，并将通过无线传输系统从数据收集模块发送到主系统然后将数据返回客户端进行汇报。该系统采用STC89C52单片机，主要包含数据采集电路、单片机数据处理电路、数据通信电路、控制驱动电路和人机交互电路5部分，采用传感器测量土壤湿度，经单片机与设定湿度进行比较后，输出灌溉参数到控制继电器，实现了温室环境的调节。经试验测量，该系统所测湿度与湿度计所测湿度相差在5%以内，且运行稳定，操作简单，准确性和快速性指标能满足设施农业灌溉的要求。
智能植物工厂生态系统基于物联网的ZigBee-WiFi应用技术，通过云平台的大数据存储，实时采集温度、湿度、土壤温湿度、光照强度等环境信息进行数据通信，通过植物不同生长阶段的不同需求，对相关参数的实时监控，即时采用实时趋势曲线和历史趋势曲线以及异常警报措施进行智能管理，将先进的信息技术应用到传统的农业；以51单片机为核心处理系统基于STC89C52单片机和CC2530单片机控制下位机实现自动浇灌、抽空、遮阳等功能。该系统使用方便、简单，设计智能人性化，让用户感受到智能系统带来的高效体验。
【参考文献】
【1】瞿雷，胡咸斌. ZigBee技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.
【2】赵平.我国植物产业发展现状及前景研究[M].武汉：华中农业大学，2011.
【3】 张培仁，张村峰.基于C语言编程MCS-51单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社.
【摘 要】论文所述的智能植物生态系统基于物联网的ZigBee-WiFi应用技术，通过云平台的大数据存储，实时采集温度、湿度、土壤温湿度、光照强度等环境信息进行数据通信，通过对植物生长阶段的不同需求，对相关参数进行实时监控，及时采用实时趋势曲线和历史趋势曲线以及异常警报措施进行智能管理，将先进的信息技术应用到传统的农业。
【Abstract】The intelligent plant ecosystem described in this paper is the ZigBee-WiFi application technology based on Internet of things. The technology uses cloud platform to store large data. and collects temperature， humidity， soil temperature， humidity， light intensity and other environmental information in real time for data communications. Through the different requirements of plant growth phase， the related parameters are monitored in real time， intelligent management of real time trend curves and historical trend curves and abnormal warning measures are applied in a timely manner， and advanced information technology is applied to traditional agriculture.
【关键词】物联网；智能植物；ZigBee
【Keywords】internet of things； intelligent plant； ZigBee
【中图分类号】S126 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）07-0183-02
1 课题研究背景和意义
农业部关于印发《“十三五”农业科技发展规划》的通知，帶动农业产业新的绿色革命；大数据、云计算和互联网技术，催生智慧农业和智能装备产业异军突起。推动农业供给侧结构性改革，破解农产品供需结构性矛盾、提高农业比较效益、缓解资源环境压力、应对国际竞争，特别是调优产品结构、调精品质结构、调高产业结构，对农业科技在节本、高效、智能、绿色等方面提出了更高的要求。
本系统设计的智能植物工厂生态系统，将鱼塘与农作物施肥、浇水、补光等需求作有机结合，养鱼的水中富含植物生长所需的养分，所以排出的水用来浇灌植物，既可以满足植物生长对养分的需求，又可以满足植物对水分的需求，从而实现生存必需品相互补给的智能生态功能。该作品有手动管理和自动管理两方面设计，人机智能化更方便人们使用。
2 系统设计目标与硬件结构框图
系统分为上位机和下位机，上位机由PC端和手机APP端等控制，下位机由51单片机控制。在深入研究与掌握智能植物的基本原理和相关技术上结合当前的实际条件，进行系统的创新。
在如今云平台和大数据技术的支持下，数据控制更具成熟，包括采集环境信息和软件监控收集作物的生长信息，对收集的数据存储至数据库，通过历史数据分析与对比，还能得出并能自动更新最佳的种植方案，具有智能学习功能。智能植物工厂生态系统如图2所示。
上位机由云平台数据存储模块和网络监控模块两大模块组成。智能植物工厂生态系统通过大规模并行处理（MPP）数据库、数据挖掘、分布式文件系统、分布式数据库、云计算平台、互联网和可扩展的存储系统，结合智能监控系统实时监控分析植物生长信息，使农业种植进行最有效、最经济的控制和管理。
上位机的数据传输问题。管理人员在异地通过计算机网络异地拨号或双方都接入Internet等手段，连通需被控制的计算机，将被控计算机的桌面环境显示到自己的计算机上，通过本地计算机对远方计算机进行配置、软件安装程序、修改等工作。远程唤醒（WOL），即通过局域网络实现远程开机。远程控制的工作原理是在网络上由一台电脑（主控端Remote/客户端）远距离去控制另一台电脑（被控端 Host/服务器端）的技术，主要通过远程控制软件实现。
下位机主要由51单片机控制各种传感器，通过太阳能供电，驱动水泵，抽空机等设备，再通过ZigBee-WiFi把数据发送至上位机。
3 系统实验与结论
在本智能植物工厂生态系统中，涉及上下位机的模式，所以系统的测试必须对两种情况分别进行检测。
3.1 上位机
用户可通过上位机的PC端或Android端的控制实现对下位机的监控或操作，用户还可依据该系统下位机的当前环境参数，近段时间的环境参数，从而对下位机进行智能调节环境参数，实现了区域管理、实时查询、智能模式、历史数据记录。因而，我们根据上下位机的设计，制定出相应的通讯。
其中APP智能管理、全程自动管理、手动选择管理模式、手持移动设备和软件平台都可以对农田进行远程管理控制，我们上位机的软件平台还可以实时监控，以传感器接收信息系统地分析其中植物的生长状况和环境因素，通过数据库来得出解决问题，有执行模块处理。这些设计都大大方便了使用者，也使种植更加科学，同时也提升了种植的高效性。
①系统通过物联网及软件技术，让用户随时获知作物生长情况。
②智能化管理，如当土壤湿度过低时，系统自动开始供水灌溉。
③两种智能移动设备终端，客户可以通过移动设备在任意地方远程控制所有节点。
3.2 下位机
将各个节点的传感器采集到相应的环境数据，通过ZigBee信号将数据通过空中接口放送到ZigBee-wifi互融协调器，最后以wifi的形式发送到上位机。利用zigbee-wifi互融无线网络技术通信方式，降低它们间的信号干扰问题，兼有zigbee的优点之余又融入wifi，解决它的广泛适用性低的缺点。利用ZigBee提供动态路由的自组网、低功耗、安全性高，利用WiFi提供高传输速率、联网接入云平台。下位机的设计模块有电源模块、下位机的传送模块、单片机控制模块等。
下位机模块的核心是基于51系列的单片机为核心，对植物进行多方位的数据探测，收集，并将通过无线传输系统从数据收集模块发送到主系统然后将数据返回客户端进行汇报。该系统采用STC89C52单片机，主要包含数据采集电路、单片机数据处理电路、数据通信电路、控制驱动电路和人机交互电路5部分，采用传感器测量土壤湿度，经单片机与设定湿度进行比较后，输出灌溉参数到控制继电器，实现了温室环境的调节。经试验测量，该系统所测湿度与湿度计所测湿度相差在5%以内，且运行稳定，操作简单，准确性和快速性指标能满足设施农业灌溉的要求。
智能植物工厂生态系统基于物联网的ZigBee-WiFi应用技术，通过云平台的大数据存储，实时采集温度、湿度、土壤温湿度、光照强度等环境信息进行数据通信，通过植物不同生长阶段的不同需求，对相关参数的实时监控，即时采用实时趋势曲线和历史趋势曲线以及异常警报措施进行智能管理，将先进的信息技术应用到传统的农业；以51单片机为核心处理系统基于STC89C52单片机和CC2530单片机控制下位机实现自动浇灌、抽空、遮阳等功能。该系统使用方便、简单，设计智能人性化，让用户感受到智能系统带来的高效体验。
【参考文献】
【1】瞿雷，胡咸斌. ZigBee技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.
【2】赵平.我国植物产业发展现状及前景研究[M].武汉：华中农业大学，2011.
【3】 张培仁，张村峰.基于C语言编程MCS-51单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社.
