摘要为了提高农业管理的科学性和工作效率，本文设计了一种基于物联网技术的智能农业管理系统，该系统基于阿里云物联网平台通过智能传感器技术采集农业数据和智能管理。系统具有实时采集和监控功能，使用户能够及时处理各种环境信息，提高管理效率和生产效率。测试结果表明，本文所设计的智能农业管理系统具有稳定性强、可靠性高、价格低廉等特点，为智能化农业管理系统提供了一种可行的方案。
关键词物联网；智能农业管理系统；传感器技术
中图分类号S126；TP391.44；TN929.5文献标识码A
文章编号1007-5739（2020）19-0257-03开放科学（资源服务）标识码（OSID）
随着计算机、物联网技术、嵌入式系统技术的发展，目前，物联网技术和嵌入式系统技术已得到广泛应用。将物联网技术和农业相结合，是提高农业生产效率、加快推进农业信息化的必然选择，但真正推广仍然有很大的障碍，就当下的环境来说，主要存在的问题有：现有的生产模式限制了物聯网智能农业的大规模发展，物联网基础建设成本过高导致无法普遍推广；最重要的是，在实际应用中，物联网技术尚不成熟，使用效果低于预期。不可否认的是，数据信息时代的发展已经在很大程度上改善了传统农业的不足，农民可以不再凭借经验判断作物的生长状况，而是利用科学技术提高生产力。此外，嵌入式系统技术的发展有效解决了硬件平台搭建的难题，极大地降低了成本，使智能农业系统更便于控制，同时也让物联网技术在智能农业系统中得到更充分、更有效的利用。图像处理技术与多媒体传感器的智能使用有效地优化了农业系统，可以更快速、更准确地为耕种环境作出决策。目前，智能农业的发展已经进入新时期，如何更有效地利用高科技手段是目前研究的主要方向之一[1]。
本文所设计的物联网智能农业管理系统将传感器采集的数据进行综合后及时传送至软件终端，并保留历史记录，每个周期会进行数据分析和环境预测，从而提高了系统的稳定性和可靠性，简单的架构降低了使用成本和使用技术难度。
1系统总体方案
如图1所示，农业智能管理系统总体结构采用硬件与软件相结合的方式，其中硬件平台采用嵌入式系统搭建，主控芯片借助串口发送指令，利用Wi-Fi无线通信技术，远程控制各种传感器采集环境数据，如空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳浓度等，在同一局域网下，将数据打包发送到软件终端，并设置预先报警的规则实时监控与分析，为用户提供智能决策的方案，及时改善环境数据，以便达到最适合农作物生长的环境[2]。
1.1智能农业管理系统主要技术指标
该智能农业管理系统针对不同的环境和应用的对象，包括智能监控、数据采集、远程控制、预防报警等功能，利用物联网技术可以有效地与环境建立联系，达到对农作物生长进行管理和监控的作用[3]。
1.1.1智能监控。通过各种传感器设备实现对土壤湿度、环境温度、光照强度、环境湿度和CO2浓度的实时监控。
1.1.2数据采集。利用硬件平台的上位机通过串口通信发送指令来控制传感器采集数据并进行归一化处理，然后上传到软件终端。
1.1.3远程控制。通过物联网技术实现在同一局域网下所有设备均具有远程控制的功能，用户通过软件终端可以对整个智能农业系统进行调控。
1.1.4预防报警。针对不同农作物设置不同环境条件，当传感器所采集的数据与系统设置的数据值不符时，便会触发报警功能，方便用户及时采取措施，使当前环境最适宜农作物生长。
1.2物联网智能农业技术原理
物联网技术应用在智能农业系统中，其技术原理为：在农业大棚或农作物生长区安装智能传感器设备和一体化智能控制系统，通过这些传感设备，按照约定的协议，可以将农业环境与网络相连接。基于Wi-Fi技术、RFID技术和传感网技术的发展，对传感器采集的信息进行数据分析，智能化地控制农作物生长环境，以达到最适宜农作物生长的条件[4]。
Wi-Fi技术可以将各种传感设备连接到局域网，实现无线网络传输；RFID技术在整个系统中通过对接收频率信号进行数据分析处理，然后传输到后台和云端，实现对数据信息的控制；传感网是物联网的核心技术，主要用于进行信息交换和传输，且具有数据存储功能[5]。
2硬件数据采集与控制系统设计
硬件数据采集与控制系统主要由供电系统、单片机控制系统、传感器设备组成，如图2所示。
供电系统：硬件主控系统通过USB串口电路供电，输出电压为5V。
单片机控制系统：该模块采用STM32F104增强型芯片，此芯片具有高性能、低成本、低功耗的特点，可以兼容5V的I/O管脚，最多有112个快速I/O端口，且多达11个定时器，广泛应用于各种嵌入式系统中，非常适合用于控制传感器采集数据。在整个硬件系统中，可以接收、执行、发送指令，并按照预设的程序进行数据传输。
设备：针对农业系统的环境特点，主要的传感器采集设备有土壤湿度传感器、大气温湿度传感器、CO2浓度传感器、光照强度传感器等；此外，还包括报警模块中的蜂鸣器设备、监控模块的摄像头设备。
控制系统的实现基于嵌入式系统的UART串口通信协议，通过配置好无线通信协议即可发送接收数据。利用串口可以实现上位机与下位机的通信，通过编写程序使上位机发送各种指令控制传感器和报警模块进行相应操作；软件终端主要用于发送控制指令，然后控制系统进行智能化处理，实现环境数据的监控以及设备的开关运行[6]。
3软件终端系统设计
软件终端利用阿里云物联网平台，与主控制器在同一局域网下，从而使传感器采集的数据能够传输到软件终端，进行一系列的归一化处理与综合分析，为了方便用户更直观了解环境数据，软件终端可以导出图表方便用户分析。所用的软件都基于Windows和An-droid系统进行管理，软件终端操作流程如图3所示。整个软件终端系统通过阿里云物联网平台搭建，其所提供的服务和功能详细且操作便捷，按照上述操作流程，即可快速上手整个智能农业管理系统，一体化的操作节省人力、物力资源。
3.1阿里云物联网平台
该平台提供了安全可靠的设备连接通信能力，支持设备采集数据上传到云端，可以自定义Topic通信，支持多种设备终端开发和开发板接入，此外还提供方便快捷的设备管理功能和非常清晰的管理界面[7]。基于阿里云物联网平台的物联网终端可分为4层架构，其系统架构如图4所示。①物联网平台：是一个具有管理、控制、部署的多功能一体化平台，提供Wed可视化界面，方便后台管理。②边缘节点：将边缘设备采集的数据进行处理并上传到物联网平台，同时具有数据转发和路由功能。③边缘设备：是由硬件系统控制的传感器，产生的数据将上传到边缘节点，建立硬件控制系统与软件终端系统的联系。④应用层：主要有两方面，一方面是该物联网平台自己提供的网页端服务，利用Web可視化界面查看系统运行的状况；另一方面是利用平台提供的接口连接自己的应用，通过手机端实现对系统的控制[8]。
通过登录阿里云物联网平台控制台，在产品管理界面创建产品，然后定义产品功能，将STM32F104芯片与该平台进行通信，通过UART串口通信技术检测所开发设备的功能，最后在设备详情页面即可查看实时数据。在该平台用户可实现设备的调试与监控，便于将所有硬件设施统一管理，及时排查错误。基于Win-dows端的阿里云物联网服务平台设备调试界面如图5所示。在设备调试界面可以很清楚地看到各种边缘设备的运行情况与在线状态。结合阿里云提供的其他产品和服务，使用者可以十分便捷地构建一体化智能终端操作平台，与其他的智能农业管理系统相比，该智能农业管理系统的设计在底层与通讯上花费了更少的精力，实现了更多的功能与服务，减少了开发周期，也节约了大量软件搭建成本。
3.2环境监控管理系统构建
该系统主要的功能有自动监控、环境参数设置、智能分析、远程控制设备等4个部分。该系统构建在软件终端，用户可以通过网页、PC端或Android客户端进行控制[9]。环境监控界面如图6所示。利用阿里云物联网平台提供的服务，可以实现自动监控、环境参数设置、智能分析、远程控制设备等功能，在网页端和手机客户端均可以清晰地查看各种功能的运行效果和数据分析。如在环境监控界面可以看到发布的消息数，可以预设报警规则，全面监测整个系统[10]。
3.3测试结果与分析
为了方便测试，以Android客户端为例显示测试界面，显示界面如图7所示。为了便于对比分析数据的准确性，采用生活中常用的温度计、湿度计、二氧化碳记录仪工具测量实际环境数据。
通过对比分析实际测量的数据与传感器测量并通过软件处理在终端显示的数据发现，误差并不大，其误差均低于0.5%。对于农作物生长环境来说，这些误差不足以影响农作物生长，说明这些数据十分具有指导意义，因而作为智能环境监控设备其数据是合理的[11]。
4结语
本文所设计的智能农业管理系统在物联网技术基础上采用软件、硬件结合的方式，通过嵌入式系统技术搭建硬件控制平台，利用物联网技术实现万物互联互通，便于环境监控和智能化管理，用户不但可以通过Web网页端、PC端和Android客户端进行监视，还可以在软件操作系统上对农业环境进行智能化管理与控制，及时调整当前不适的环境条件，给农作物生长提供最好的保障，不仅减少了农业管理人员的工作量和操作难度，而且在农作物生长环境改善和农作物生产效率提高方面有着广泛的应用前景[12]。