基于Ayla物聯(lián)網(wǎng)云的農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

程盛陽+程俊靜

摘 要：在互聯(lián)網(wǎng)+的時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中得到越來越多的應(yīng)用。本文運(yùn)用嵌入式微處理器構(gòu)建農(nóng)業(yè)大棚溫濕度控制系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)上加載WiFi模塊后成為物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備，經(jīng)無線局域網(wǎng)路由器訪問Internet，將采集數(shù)據(jù)上傳至Ayla物聯(lián)網(wǎng)云平臺。編制智能手機(jī)APP及時(shí)查詢Ayla平臺數(shù)據(jù)，獲得溫度與濕度數(shù)值。在寬6米、長50米、頂高2.5米的大棚中軸線方向，每隔10米設(shè)置一個(gè)測量、噴灌、通風(fēng)的監(jiān)控單元，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟動(dòng)噴灌與通風(fēng)，提高了工作效率和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能化控制水平。

關(guān)鍵詞：智能農(nóng)業(yè)大棚；物聯(lián)網(wǎng)；云平臺；WiFi

中圖分類號：TP393.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：In the era of internet plus，IOT（Internet Of Things）technology is widely applied in agriculture.This paper constructs a temperature and humidity monitoring system in greenhouses through the embedded microprocessor.The system accesses the internet through the WLAN （Wireless Local Area Network） router，and uploads the collected data to the Ayla IOT cloud platform.The temperature and humidity data can be timely acquired through the application on the smart phone.Along the axis of the greenhouse（6 meters wide，50 meters long and 2.5 meters high），a monitoring unit is set up every 10 meters for measurement，irrigation and ventilation.The system effectively improves the work efficiency and the intelligent management in modern agriculture.

Keywords：smart greenhouses；internet of things（IOT）；cloud platforms；WiFi

1 引言（Introduction）

物聯(lián)網(wǎng)（Internet Of Things，IOT）可以理解為具備傳感器的物體通過組網(wǎng)部件，依據(jù)特定的通信協(xié)議相互連接的互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)智能化識別，物與物數(shù)據(jù)交互，人對物的監(jiān)控和管理[1]。在互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。本設(shè)計(jì)針對傳統(tǒng)小規(guī)模個(gè)體農(nóng)業(yè)模式正轉(zhuǎn)變成大規(guī)模農(nóng)場模式，農(nóng)田水電基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，塑料大棚得到了廣泛應(yīng)用趨勢，依托Ayla物聯(lián)網(wǎng)云平臺實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控[2]。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（System design）

本系統(tǒng)分為主控機(jī)系統(tǒng)、WiFi通信模塊、WiFi路由器、智能控制終端、物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器平臺等部分[3]，如圖1所示。

系統(tǒng)基本原理是：大棚安裝溫度傳感器、土壤里埋有濕度傳感器，主控微機(jī)周期性地采集兩個(gè)傳感器信號，與WiFi模塊通信，經(jīng)無線路由器上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺數(shù)據(jù)庫。主人可用手機(jī)上互聯(lián)網(wǎng)云平臺查看大棚溫度、濕度。當(dāng)溫度過高需要通風(fēng)或土壤太干需要澆水時(shí)，在手機(jī)APP上點(diǎn)擊通風(fēng)、噴灌圖標(biāo)，發(fā)送指令到互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器、路由器、WiFi模塊通信模塊，送至主控微機(jī)，產(chǎn)生通風(fēng)或噴灌信號，觸發(fā)繼電器，打開通風(fēng)機(jī)或水閥周期性地放水，放水10秒鐘，暫停20秒，直至達(dá)到設(shè)定的溫濕度指標(biāo)，主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)停止通風(fēng)、放水，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。

3 硬件配置（Hardware devices）

（1）主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)包括主機(jī)、測量、控制、通信幾個(gè)部分。主控機(jī)是系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)接收來自云平臺的主人指令，并按照設(shè)定程序上傳溫濕度參數(shù)或控制噴灌、通風(fēng)機(jī)開啟，達(dá)到設(shè)定值后自動(dòng)關(guān)閉。主機(jī)選用ST公司出品的32位ARM微控制器STM32F103，在芯片原有典型電路的基礎(chǔ)上加上保護(hù)電路即可應(yīng)用于產(chǎn)品STM32F103的最小系統(tǒng)[4]，最小系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，布線方便，只需接很少元件即能正常工作。

溫度傳感器選用達(dá)拉斯公司生產(chǎn)的DS18B20，體積小，抗干擾能力強(qiáng)，檢測溫度范圍為-55°C—+125°C，全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出，與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)雙向通訊，最高12位分辨率，可選擇寄生工作方式，內(nèi)置EEPROM，限溫報(bào)警功能，測量電路如圖2所示。

濕度檢測器選用LM393，測量電路如圖3所示。J是兩個(gè)插片，插在土壤里，根據(jù)事先的工作我們測出了一般較濕潤的土壤在固定的探針間的電阻在幾百歐，AC口用來采集電壓值，當(dāng)土壤濕度少時(shí)，探針間電阻接近無窮大，AC值就相當(dāng)于是VDD值，當(dāng)土壤濕度大時(shí)，此時(shí)探針的電阻會減少到幾千甚至幾百歐，此時(shí)AC的電壓會變化。LM393是一個(gè)比較器通過設(shè)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)濕度大（AC值小），OUT輸出低電平，相反輸出高電平。

（2）WiFi通信模塊

WiFi模塊采用了USI公司的一顆Ayla模組，型號WM-N-BM-09A，內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧及TCP/IP協(xié)議棧，模塊包含了一個(gè)BCM433621信號芯片和一個(gè)STM32F205的MCU，一個(gè)2.4GHz的WLAN CMOS功率放大器，提供了電子配件WICED授權(quán)，具有集成的IEEE802.11b/g和手持設(shè)備級802.11n，滿足系統(tǒng)輸出功率，實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換[5]，其組成機(jī)構(gòu)如圖4。

該嵌入式串口模塊支持USB接口，支持最大帶寬為65Mbit/s[6]，負(fù)責(zé)建立主機(jī)系統(tǒng)和手機(jī)APP的一個(gè)通路，通過無線局域網(wǎng)連接到路由器，再與遠(yuǎn)程服務(wù)器連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。

（3）WiFi路由器

實(shí)際工作中設(shè)立功率較大的無線AP站點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)選用了常用了TP-LinK TL WR720N便攜式無線路由器。

（4）智能控制終端

可用平板電腦或智能手機(jī)，本人使用Android系統(tǒng)華為手機(jī)榮耀6。

（5）執(zhí)行機(jī)構(gòu)

主控機(jī)輸出噴水、通風(fēng)開關(guān)信號后，經(jīng)繼電器控制水泵與通網(wǎng)機(jī)的交流接觸器、電動(dòng)機(jī)完成相應(yīng)動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)根據(jù)負(fù)載大小選擇。

4 軟件設(shè)計(jì)（Software design）

本系統(tǒng)主控機(jī)軟件是在Keil開發(fā)環(huán)境編寫的嵌入式程序代碼，包括主控機(jī)主程序、主控機(jī)與WiFi模組通信程序、通信模組與云平臺通信程序。

4.1 單片機(jī)主控程序

主控機(jī)STM32F103正常定時(shí)采集輸入兩傳感器的數(shù)據(jù)，同時(shí)與WiFi模塊SPI接口通信，向云端上傳采集數(shù)據(jù)，或接收云端噴灌、通風(fēng)指令。所以主程序上電初期需要先初始化I/O口，通信串口，做好相應(yīng)的定時(shí)器、時(shí)鐘的配置，運(yùn)行WiFi模塊的驅(qū)動(dòng)等，在程序完成相關(guān)的中斷和外設(shè)初始化后，便進(jìn)入了主函數(shù)，流程圖如圖5所示。

SPI中斷執(zhí)行采集數(shù)據(jù)經(jīng)WiFi模塊上傳，以及下載手機(jī)指令，顯示相關(guān)數(shù)據(jù)或執(zhí)行打開噴灌與風(fēng)機(jī)的操作。

4.2 云平臺通信程序

WiFi模塊完成與Ayla物聯(lián)網(wǎng)云平臺的通信，主機(jī)將采集數(shù)值賦給預(yù)定的結(jié)構(gòu)變量，再打包成TLV格式，通過SPI接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到WiFi模塊，經(jīng)依Http協(xié)議上傳存入Ayla平臺數(shù)據(jù)庫中，流程圖如圖6所示。

手機(jī)APP發(fā)出的控制指令上傳云平臺，是由WiFi模塊監(jiān)聽與接收云端請求建立連接，下載云端指令到主控機(jī)，依據(jù)定義協(xié)議、變量屬性執(zhí)行打開噴灌與通風(fēng)指令[7]，其通信傳輸過程與上傳數(shù)據(jù)相反。

通過APP查詢實(shí)時(shí)溫濕度，是經(jīng)Internet與云平臺建立Http連接，訪問Ayla提供的數(shù)據(jù)庫，在Web中顯示出來。

4.3 手機(jī)客戶端APP程序

手機(jī)客戶端APP程序設(shè)計(jì)采用Android開發(fā)工具Eclipse IDE，它集成了ADT等實(shí)用插件，開發(fā)環(huán)境采用的是JDK、Eclipse及Android SDK，安卓手機(jī)智能設(shè)備客戶端軟件功能主要分為登錄管理、設(shè)備管理、設(shè)備控制、網(wǎng)絡(luò)配置管理、歷史記錄管理幾個(gè)模塊部分。本設(shè)計(jì)采用Ayla的標(biāo)準(zhǔn)WiFi模組，Ayla提供了相應(yīng)的API文檔和Demo供開發(fā)者參考?；贏yla提供的框架基礎(chǔ)，很方便地做功能性的調(diào)整便設(shè)計(jì)出了一款A(yù)PP，它包含了實(shí)時(shí)溫度、濕度查詢，遠(yuǎn)程打開通風(fēng)與噴灌開關(guān)等功能。

4.4 物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器平臺設(shè)置

艾拉物聯(lián)（Ayla Networks）是服務(wù)于企業(yè)級的敏捷物聯(lián)網(wǎng)云平臺，將樓宇、車間的智能設(shè)備連入Ayla云平臺，為客戶提供設(shè)備與云平臺，再與移動(dòng)App的安全連接，實(shí)現(xiàn)云端管控，可隨時(shí)隨地的移動(dòng)應(yīng)用訪問。Ayla網(wǎng)站：http：//www.ayla.com.cn，可免費(fèi)注冊。在登錄Ayla云平臺需要進(jìn)行配置，根據(jù)實(shí)際控制需求去建立云平臺虛擬變量。

如圖7所示是進(jìn)入Ayla Developer Center可選擇Register New Device綁定設(shè)備，云平臺端的設(shè)置必須與MCU端的設(shè)置完全一致才能夠正確傳輸指令。我們在變量修改頁面可以看到PROPERTIES欄有如下選項(xiàng)：SHOW ALL、ADD、SEARCH。單擊ADD按鈕，依次建立與Ayla模組的MCU里相同的變量。把所有的變量都建立完成后，通過云平臺改變一個(gè)變量的值，所控設(shè)備就會執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作了。

5 結(jié)論（Conclusion）

艾拉物聯(lián)（Ayla Networks）是企業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)云平臺，其端到端解決方案能夠連通設(shè)備、云和移動(dòng)App，在智能農(nóng)業(yè)大棚中可以根據(jù)面積大小設(shè)置若干個(gè)AP點(diǎn)，為客戶智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)云端管理，移動(dòng)應(yīng)用訪問及遠(yuǎn)程控制，有著廣闊的應(yīng)用前景[8]。

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作者簡介：

程盛陽（1996-），男，本科生.研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù).

程俊靜（1963-），男，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).