基于云平臺的智能生態(tài)管理系統(tǒng)

辛松恒 單超穎 溫博 左志強 徐煜東

本文所設(shè)計的基于云平臺的智能生態(tài)農(nóng)場管理系統(tǒng)以STM32單片機為智能終端，智能農(nóng)場內(nèi)各個角落布置的傳感器檢測到的溫濕度、光照強度、CO2濃度、土壤溫濕度、魚塘水質(zhì)等實時數(shù)據(jù)通過ZigBee技術(shù)發(fā)送給終端進行處理；再由ESP8266WIFI將MCU處理的數(shù)據(jù)發(fā)送給OneNet云平臺，用戶通過手機或者電腦，可以實時的觀察農(nóng)場的實時環(huán)境，并可以通過云平臺下達控制指令實現(xiàn)控制繼電器的吸合進而對卷簾開關(guān)、加濕裝置，滴灌裝置、通風(fēng)裝置等設(shè)備的控制。用戶也可以在云平臺設(shè)置農(nóng)作物適合生長的土壤溫濕度、空氣溫濕度等值，MCU可以通過PID閉環(huán)控制使環(huán)境穩(wěn)定到設(shè)定值。本系統(tǒng)采用了雙電源供電，一是可以直接使用市電，也可以使用太陽能電池板進行23w充電。當(dāng)用戶進入農(nóng)場內(nèi)可以直觀的通過OLED觀察農(nóng)場內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的迅速崛起，其應(yīng)用已經(jīng)延伸到了人們生活中的各個方面，在現(xiàn)代的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中同樣出現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的身影，特別是智能溫室蔬菜大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，極大地提高了農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)力。針對我國目前農(nóng)業(yè)發(fā)展緩慢，智能化程度較低，灌溉水資源浪費，化學(xué)肥料過度使用的問題，本文提出“魚菜共生”的生態(tài)農(nóng)業(yè)設(shè)想加以應(yīng)用現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行解決。智能生態(tài)農(nóng)場的目的就是最大程度的減少人工的參與，更加精確的采集到數(shù)據(jù)，同時減少了人工的失誤以及損失，同時大幅提高了農(nóng)場的環(huán)保節(jié)約性。本文通過傳感器更加準(zhǔn)確的實時檢測環(huán)境中的空氣中溫濕度，CO2濃度，土壤濕度和PH值，通過ZigBee無線傳輸技術(shù)傳輸與終端進行數(shù)據(jù)交互。傳統(tǒng)農(nóng)場對于數(shù)據(jù)的采集不利于集中統(tǒng)計和管理，不便日后的一些統(tǒng)計整改工作，本文選擇OneNet云平臺儲存信息，對于大量的數(shù)據(jù)可以快速查找，反復(fù)使用。

一、系統(tǒng)設(shè)計

（一）硬件設(shè)計

采用STM32單片機作為系統(tǒng)的核心，用其控制實現(xiàn)系統(tǒng)各模塊的功能。STM32單片機資源豐富，有較為強大的控制功能及位尋址操作功能，價格低廉，應(yīng)用方便等優(yōu)點。

1.保溫裝置：本次設(shè)計的拉簾裝置的遮光材質(zhì)選用不同折光率的材料，起到調(diào)節(jié)光照、保溫或降溫的效果，目前的廣泛應(yīng)用的材質(zhì)多為塑料編織和綴鋁材料，拉簾裝置采用自動化卷簾機，其具有堅固耐用、體積小、無噪音、自鎖性能好等特點。

2.通風(fēng)裝置：本次設(shè)計采用蒸發(fā)式降溫，使用加濕器對空氣進行加濕，通過風(fēng)機帶動氣流，來達到蒸發(fā)制冷的效果。

3.滴灌裝置：滴灌方式可以有效調(diào)節(jié)秋冬季的溫室大棚內(nèi)的氣候，在溫度較高的農(nóng)作物生長的過程中，微噴灌可實現(xiàn)水分子與大面積的空氣進行交互，本次設(shè)計將微噴灌與滴灌相結(jié)合，使得他們在不同的氣候環(huán)境下發(fā)揮各自的特色。灌溉用水從水源提取或通過雨水儲存裝置經(jīng)凈化后作為灌溉用水，供水管網(wǎng)的總閥采用電磁閥進行閉環(huán)控制。

（二）軟件設(shè)計

1.本系統(tǒng)采用I2C總線協(xié)議，將采集到的PH值、溫濕度、光照等重要農(nóng)場數(shù)據(jù)傳送到主MCU，然后對數(shù)據(jù)進行進一步的分析和處理。

2.為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用雙MCU機制，將主MCU所分析得到的數(shù)據(jù)通過Zigbee技術(shù)進行移動互聯(lián)網(wǎng)的建立，實現(xiàn)傳感設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)信息的無線傳遞，實現(xiàn)與移動互聯(lián)網(wǎng)的直接連接。

3.本系統(tǒng)采用wifi技術(shù)，將副MCU收到的數(shù)據(jù)，通過wifi模塊，上傳到OneNET云平臺，從而將數(shù)據(jù)進行安全可靠的儲存并進行可視化處理。

（三）系統(tǒng)設(shè)計創(chuàng)新

1.基于魚菜共生的可循環(huán)生態(tài)養(yǎng)殖模式；

2.可靠的雙MCU協(xié)同控制；

雙MCU可以相互檢測，減少“跑飛”的發(fā)生幾率以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性并提高了魯棒性。本系統(tǒng)設(shè)計采用雙MCU對數(shù)據(jù)進行處理，其中MCU1對環(huán)境進行實時的采樣、記錄、分析，同時也要進行較高的運算和通信任務(wù)，MCU2進行監(jiān)控并可進行遠(yuǎn)程無線升級，雙MCU可以進行串口通信協(xié)同工作。這樣極大的提高了系統(tǒng)的處理速度，可以防止系統(tǒng)滿負(fù)荷工作，降低了系統(tǒng)軟件的復(fù)雜程度，有利于二次開發(fā)，提高了器件的抗干擾能力，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。

3.多種傳感器無線數(shù)據(jù)傳輸；

與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式不同，本系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)，將農(nóng)場各個角落的傳感器實時數(shù)據(jù)無線傳輸給終端，不需要復(fù)雜的布線就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收（如圖1所示）。

4.云端數(shù)據(jù)儲存與推送；

云平臺可以對歷史數(shù)據(jù)進行存儲，這些歷史數(shù)據(jù)將成為一個大數(shù)據(jù)由養(yǎng)殖業(yè)專家進行分析，給出準(zhǔn)確的環(huán)境參數(shù)，推送給農(nóng)戶做為參考。有效的提高了農(nóng)作物產(chǎn)量。

5.采用閉環(huán)調(diào)節(jié)方式實時采集環(huán)境參數(shù)；6.高效可控的環(huán)保灌溉技術(shù)；7.人性化的云端控制界面；

本次設(shè)計通過ESP8266WiFi模塊，搭載4G網(wǎng)絡(luò)、WiFi、Internet，與OneNet云平臺建立網(wǎng)絡(luò)連接；應(yīng)用層上，依據(jù)用戶需要，在OneNet云平臺開發(fā)應(yīng)用界面，實現(xiàn)用戶在web網(wǎng)頁、IPad和手機客戶端均可查看被監(jiān)控區(qū)域傳感器采集到實時數(shù)據(jù)和對終端生產(chǎn)機械進行控制。操作方便，農(nóng)民易于上手。

8.節(jié)能環(huán)保的可持續(xù)設(shè)計；

整套系統(tǒng)采用太陽能和市電供電的雙電源系統(tǒng)，選用低功耗處理器。在農(nóng)場安裝太陽能電池板將電能進行儲存并使用。引進了魚菜共生的能量多級利用的生態(tài)養(yǎng)殖模式。將雨水收集、過濾、循環(huán)利用。并且在澆灌方式上選擇了淋灌，此外本系統(tǒng)在路燈的設(shè)計上，通過人體紅外傳感器和光照強度共同作用，實現(xiàn)路燈的自動控制。

二、總結(jié)

本文通過對當(dāng)前國內(nèi)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)管理模式的研究，了解到落后的非智能化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，記錄數(shù)據(jù)不夠精確、運用大量人力資源進行作業(yè)和不必要的資源的浪費。針對這些問題本文提出了一種基于云平臺的智能生態(tài)農(nóng)場管理系統(tǒng)。本文的研究主要包括以下幾點：

通過對智能生態(tài)農(nóng)場管理系統(tǒng)中要用到的關(guān)鍵技術(shù)，研究并分析了ZigBee技術(shù)，并根據(jù)管理系統(tǒng)的功能需求提出了一套先進有效的智能生態(tài)農(nóng)場管理系統(tǒng)方案，并且根據(jù)智能生態(tài)農(nóng)場所應(yīng)該具有的功能，簡單介紹了一些硬件設(shè)備及其功能；分析研究了云平臺，通過使用設(shè)備云，完成了對環(huán)境實時監(jiān)控的功能；分析研究了閉環(huán)調(diào)控和云平臺系統(tǒng)調(diào)控，提高了生產(chǎn)養(yǎng)殖過程中的精確性，解決了人工監(jiān)管存在的問題；分析研究了云平臺的應(yīng)用，將農(nóng)場內(nèi)環(huán)境的實時數(shù)據(jù)上傳至云平臺并保留歷史數(shù)據(jù)，使得用戶清晰地掌握農(nóng)場內(nèi)實時的環(huán)境狀況，通過開放的云平臺應(yīng)用，更好地為用戶之間提供了數(shù)據(jù)的對比。