基于“边云融合”物联网的“智慧农业”管理平台的研究设计

摘要 为了解决温室大棚种植中存在人工依赖度高、生产效率低下、环境调控能力弱等痛点，设计了基于“边云融合”物联网的“智慧农业”管理平台，该平台以MQTT、RS485通讯协议为基础，PLC为核心，加入温度、湿度、光照等传感器，控制灌溉、照明、补光、通风等设备，均可以云组态的方式在云端实现控制。通过电脑访问云端SCADA系统，可实现人机交互界面设计、设备运行情况及工作环境监控等功能。物联网技术的应用，实现了生产效率和创新能力的全面提升[2]，传感器技术的应用对环境的监控更加准确，打造了温室大棚的新型种植模式，以达到解决人工依赖度高、生产效率低下、环境调控能力弱的目的。

关键词 工业互联网、智慧农业、PLC、温室大棚、边云融合

引言

党和国家一直十分重视农业发展，习近平总书记曾指出“中国要强，农业必须强”。在传统大棚种植模式中主要以种植人的经验为主，这种模式存在较大问题，一方面，土壤温湿度、光照等环境参数依赖人工调节，无法精准控制，导致同一大棚中的农作物种植环境差异较大生长受限，另一方面，种植人劳动强度很高，种植过程中需要消耗大量人力物力，想要规模化生产非常困难[1]。针对传统种植方法人工成本高，环境控制不准确的痛难点问题，设计利用物联网技术的特点，集检测、采集、逻辑运算、自动输出于一体的“智慧农业”管理平台，该平台能够根据不同作物生长所需要的环境进行实时的检测、采集、逻辑运算处理、终端设备输出，通过PLC与部署在同一网段的服务器相结合，有效的改进了传统大棚种植的缺点，降低对人工的依赖，消除人工对环境控制的误差，大大地提高了农作物生产效率与农作物自身的产能上限，优化迭代了传统温室大棚种植模式，促进农业的现代化、自动化和智能化，助力实现农村农业的振兴和发展。

一、 “智慧农业”管理平台的总体设计

基于“边云融合”物联网的“智慧农业”管理平台包含PLC控制模块、室外环境监视模块、室内环境监控模块和SCADA系统共4个部分，管理平台以MQTT、RS485通讯协议为基础，以PLC为核心，加入温度、湿度、土壤湿度、浸水、光照等终端传感器进行环境监测，以电机、水泵、补光灯、风机等终端设备为被控对象。通过云端SCADA系统连接PLC驱动设备运转。

二、 “智慧农业”管理平台的环境监控硬件设计

（一）室外环境监视模块设计

管理平台针对温室大棚的室外环境监视功能，部署传感器对室外气候条件、光照条件、通风与空气质量等重要指标分别使用RS-GZWS-N01-2、RS-QY-N01-2、RS-PM-N01-2、RS-ZS-N01-2、RS-FSJT-N01传感器进行监测，该类型传感器电源使用：DC10～30V，设备间通讯使用：RS485通讯协议，传感器[4]响应时间可以达到1000ms以下，。传感器与PLC的硬件连接采用两线制多从机的接线方式，将PLC作为主站，传感器作为从站，各传感器之间并联连接。

（二）室内环境监控模块设计

针对室内环境监控功能，分为两个部分，室内环境数据采集和室内终端输出设备。稳定适宜的室内环境对于大棚的种植有着至关重要的作用，当设备将数据采集完成后， PLC会根据环境的设定值与采集到的数据进行运算，运算后会驱动风机、补光灯、水泵等输出设备对室内环境进行调控。

1.室内环境数据采集部分：

室内环境监控硬件设施部署的终端传感器对室内温湿度条件、光照条件、二氧化碳浓度、土壤湿度等重要指标分别使用RS-GZ-N01-2-65535、RS-WS-N01-2-OLED、PR-3002-CO2-N01、RS-SD-N01-1传感器进行对应监视。

2.室内终端输出设备部分：

输出设备具体有：补光部分使用AC220V供电，3W暖光灯一个；补水部分使用AC220V供电，扬程0.5m，流量1L/min的水泵一个；大棚卷帘部分使用AV220V供电，施耐德ATV12H018M2变频器一个， 50HZ，25W交流电机一个；大棚通风部分AC220V供电，25W风机一个，设备通过配电盘与PLC连接。每个输出设备都支持两种控制方式，一种是PLC控制自动运行输出，另一种是按钮手动控制输出。

（三） “智慧农业”管理平台的UI界面设计

在人机交互的UI界面设计方面分为就地部署触摸屏界面和云端SCADA两个部分。

1.就地部分使用MCGS触摸屏制作了传感器的数值实时读取页面，和输出设备的状态监视页面，同时为用户体留下了极大的改进空间，可以使用MSGSpro组态软件对页面进行改进和开发。

2.云端SCADA部分也行行了详细的制作，相对于就地部分，云端的界面设计更加精细功能更多，具备环境监控、手动操作、作物管理、报警查看、趋势分析和系统事件六个页面，云端SCADA页面中对温室大棚内部的环境进行了可视化处理。

三、 “智慧农业”管理平台的数据上云

基于“边云融合”物联网的“智慧农业”管理平台的数据上云方式，采用基于以MQTT通讯协议为基础建立在TCP/IP通讯方式上[3]，将服务端与客户端置于同一网段内，PLC或SCADA系统作为其中一个客户端需要向服务器的主题中发布消息，其他订阅这个主题的客户端就可以收到这个消息。

（一）MQTT通讯协议

MQTT是一种轻量级的物联网通信协议，基于发布/订阅模式，适用于低带宽、高延迟的网络环境。它具有精简的协议设计，开放的消息协议，以及广泛应用于物联网领域。

（二）客户端与服务端

MQTT服务器， 可以是一个应用程序或一台设备，它是位于消息发布者和订阅者之间，它可以：接受来自客户的网络连接、接受客户发布的应用信息、处理来自客户端的订阅和退订请求和向订阅的客户转发应用程序消息。

一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，它总是建立到服务器的网络连接。客户端可以发布其他客户端可能会订阅的信息、订阅其他客户端发布的消息、退定或删除应用程序的消息和断开与服务器的连接。

四、结语

本文基于“边云融合”物联网技术设计了“智慧农业”管理平台，针对传统温室大棚种植中环境参数依赖人工调节，无法精准控制和种植人劳动强度很高，种植过程中需要消耗大量人力物力，这两个痛难点问题。利用了PLC为核心，搭配环境传感器和低压电器的使用，解决了环境监控精度问题同时也减少了人力消耗，并且实现了数据上云的操作，实现了对温室大棚环境不限时间不限地点的实时监控。智慧农业不仅是技术革命，更是农业现代化的核心，本平台的设计理念与实践经验，最终会服务于乡村振兴的战略目标。

参考文献

[1]赵福焱，魏国戎，毛世铟.物联网驱动下国内外智慧农业发展现状研究[J].中国农机装备，2025，（06）：139-142.

[2]冯俊利.基于PLC的工业互联在智慧农业灌溉中的应用[J].中国农机装备，2025，（06）：69-71.

[3]高星星，任浪，王海东，等.基于MQTT的多协议注水井物联网采集终端的设计与实现[J].工业仪表与自动化装置，2025，（02）：26-31.DOI：10.19950/j.cnki.CN61-1121/TH.2025.02.005.

[4]义汉，王宇松，傅智河.基于RS485通信的远程数据采集系统设计[J].新乡学院学报，2023，40（12）：36-41.

基金项目：2024年天津职业技术师范大学大学生创新创业训练计划项目“基于“边云融合”物联网的“智慧农业”管理平台”（项目编号202410066005）